När man skickar rymdfarkoster till Mars innebär den nuvarande, föredragna metoden att man skjuter rymdfarkoster mot Mars i full hastighet och sedan utför en bromsmanöver när fartyget är tillräckligt nära för att sakta ner det och föra det in i omloppsbana.
Känd som 'Hohmann Transfer'-metoden, är denna typ av manöver känd för att vara effektiv. Men det är också ganska dyrt och förlitar sig väldigt mycket på timing. Därför föreslås en ny idé som skulle innebära att man skickar ut rymdfarkosten före Mars omloppsbana och sedan väntar på att Mars ska komma förbi och ösa upp den.
Detta är vad som är känt som 'Ballistic Capture', en ny teknik som föreslagits av professor Francesco Topputo vid Polytechnic Institute of Milan och Edward Belbruno, en gästforskare vid Princeton University och tidigare medlem av NASA:s Jet Propulsion Laboratory.
I deras forskningsartikel, som publicerades i arXiv Astrofysik i slutet av oktober beskrev de fördelarna med denna metod jämfört med traditionella. Förutom att sänka bränslekostnaderna skulle ballistisk infångning också ge viss flexibilitet när det gäller uppskjutningsfönster.
MAVEN sköts upp i en Hohmann Transfer Orbit med periapsis i jordens omloppsbana och apoapsis på avståndet från Mars omloppsbana. Kredit: NASA
För närvarande är uppskjutningar mellan jorden och Mars begränsade till perioder där rotationen mellan de två planeterna är helt rätt. Missa det här fönstret och du måste vänta ytterligare 26 månader på att en ny ska komma.
Samtidigt kräver det en hel del bränsle att skicka en raket ut i rymden, genom den enorma bukten som skiljer jordens och Mars omloppsbana, och sedan avfyra thrusters i motsatt riktning för att sakta ner. Detta innebär i sin tur att rymdfarkosten som ansvarar för att transportera satelliter, rovers och (en dag) astronauter måste vara större och mer komplicerad, och därmed dyrare.
Som Belbruno sa till Universe Today via e-post: 'Denna nya klass av överföringar är mycket lovande för att ge ett nytt förhållningssätt till framtida Mars-uppdrag som borde sänka kostnader och risker. Denna nya klass av överföringar borde kunna tillämpas på alla planeter. Detta borde ge alla möjliga nya möjligheter för uppdrag.”
Idén föreslogs först av Belbruno när han arbetade för JPL, där han försökte komma på numeriska modeller för lågenergibanor. 'Jag kom på idén om ballistisk fångst i början av 1986 när jag arbetade med en JPL-studie som heter LGAS (Lunar Get Away Special)', sa han. 'Denna studie involverade att sätta en liten 100 kg solar elektrisk rymdfarkost i omloppsbana runt månen som först kastades ut från en Get Away Special Canister på rymdfärjan.'
Rymdfarkosten Hiten, byggd av Institute of Space and Astronautical Science of Japan, var Japans första månsond. Kredit: JAXA
Testet av LGAS var ingen rungande framgång, eftersom det skulle ta två år innan det kom till månen. Men 1990, när Japan var ute efter att rädda sin misslyckade månomloppsbana, Hiten, lämnade han in förslag på ett ballistiskt fångstförsök som snabbt införlivades i uppdraget.
'Flygtiden för den här var 5 månader', sa han. 'Det användes framgångsrikt 1991 för att få Hiten till månen.' Och sedan dess har LGAS-designen använts för andra månuppdrag, inklusive ESA:s SMART-1-uppdrag 2004 och NASA:s GRAIL-uppdrag 2011.
Men det är i framtida uppdrag, som innebär mycket större avstånd och utgifter för bränsle, som Belbruno ansåg att den skulle ha störst nytta av denna metod. Tyvärr mötte idén visst motstånd, eftersom inga uppdrag verkade vara väl lämpade för tekniken.
'Ända sedan 1991 när Japans Hiten använde den nya ballistiska fångstöverföringen till månen, har man känt att det inte var möjligt att hitta en användbar sådan för Mars på grund av Mars mycket längre avstånd och dess höga omloppshastighet runt solen. Men jag kunde hitta en i början av 2014 med min kollega Francesco Topputo.”
Indiens Mars Orbiter Mission (MOM) var ett av de mest framgångsrika exemplen på Hohmann Transfer-metoden. Kredit: ISRO
Visst, det finns vissa nackdelar med den nya metoden. För det första skulle en rymdfarkost som skickas ut före Mars omloppsbana ta längre tid att komma in i omloppsbana än en som saktar ner sig för att etablera omloppsbana.
Dessutom är Hohmann Transfer-metoden en beprövad och pålitlig metod. En av de mest framgångsrika tillämpningarna av denna manöver ägde rum i september, när Mars Orbiter Mission (MOM) gjorde sin historiska bana runt den röda planeten. Detta utgjorde inte bara första gången en asiatisk nation nådde Mars, det var också första gången som någon rymdorganisation uppnådde en omloppsbana om Mars vid första försöket.
Ändå har möjligheterna till förbättringar jämfört med den nuvarande metoden att skicka farkoster till Mars människor på NASA glada. Som James Green, chef för NASA:s Planetary Science Division, sa i en intervju med Scientific American : 'Det är en ögonöppnare. Denna [ballistiska fångstteknik] skulle inte bara kunna tillämpas här på robotändan utan också på det mänskliga utforskningsändan.'
Bli inte förvånad då om kommande uppdrag till Mars eller det yttre solsystemet utförs med större flexibilitet och med en snävare budget.
Vidare läsning: arXiv Astrofysik