Miehitetty Mars-lento

Miehitetty Mars-lento eli retkikunnan lähettäminen Mars-planeetalle on ollut ihmiskunnan haaveissa jo pitkään matkan mittavista haasteista ja ratkaisemattomista teknisistä kysymyksistä huolimatta. Toistaiseksi miehitettyjä avaruuslentoja on tehty ainoastaan Kuuhun vuosina 1969–1972. Lento Marsiin olisi huomattavasti vaativampi erityisesti matkan pituuden, suuremman moottorien ajotarpeen ja miehistön säteilyaltistumisen vuoksi. Mars-lentoa on jo kuitenkin suunniteltu ensimmäisen Kuu-lennon jälkeen, mutta vielä ei yksikään maa ole ryhtynyt hankkeeseen.

Miehitetty Mars-lento

NASA ilmoitti 2012 lähettävänsä toisen mönkijän Marsiin vuonna 2020 valmistelemaan 2030-luvun miehitettyjä lentoja.
Marsiin on lähetetty useita miehittämättömiä luotaimia. Mars on lähimmillään muutaman kymmenen miljoonan kilometrin päässä Maasta. Polttoaineen säästämiseksi sinne ei kannata lentää suorinta rataa pitkin. Matka on keskimääräistä rataa pitkin käytännössä satoja miljoonia kilometrejä ja vie ajallisesti keskimäärin pari vuotta.
Mars-lennolle lähteviä uhkaisivat säteily, painottomuus ja psyykkiset ongelmat. 
1990-luvulla NASA kaavaili perustavansa myöhemmin kuuaseman, jossa voidaan harjoitella tulevan Mars-lennon tilanteita.

Mars-lento vaatii uutta tekniikkaa

Osa Mars-lennolle haluttavasta tekniikasta on vielä kehittämättä. Esimerkiksi hapen ja veden kierrätys elossapitojärjestelmässä pienentäisi mukaan otettavien tarvikkeiden määrää, mutta sellaista ei ole kehitetty. On ajateltu viljellä kasvihuoneessa leviä tai muita kasveja ravinnoksi. Kasvit myös kierrättäisivät ilmaa ja ihmisen jätteitä.
Mars Direct -suunnitelmassa Mars-alus yhdistetään vaijerilla viimeiseen rakettivaiheeseen ja kokonaisuus pannaan ohjausrakettien avulla pyörimään siten, että miehistöalukseen saadaan Marsin painovoimaa vastaava keskipaikoisvoima.

Lentoaika

Lento Marsiin niin sanottua Hohmannin ellipsiä pitkin vie noin 260 päivää, paluumatka yhtä kauan. Myös perillä halutaan viettää aikaa. Yhteensä lento kestäisi pari vuotta .
Lentomatkojen ajan miehistö olisi painottomassa tilassa, mikä aiheuttaisi lihasten surkastumista ja luumassan katoamista.

Auringon purkaukset ja jatkuva säteily

Kosmisen taustasäteilyn ja auringosta ajoittain tulevien voimakkaampien purkausten yhteisvaikutus olisi niin iso, että vuoden kestävällä matkalla astronautit saisivat suurella todennäköisyydellä syövän. Lisäksi vastustuskyky heikkenee, kun immuunijärjestelmä muuttuu painottomassa tilassa. 
Säteily voisi vaurioittaa myös sydäntä ja keskushermostoa. Nasan avaruusluotaimella tekemän mittauksen mukaan jo vuoden mittainen Mars-lento altistaisi avaruuslentäjän 660, jopa 1000 millisievertin säteilyannokselle Auringon ollessa rauhallinen. Koko astronautin uran aikana sallittu enimmäisannos on 800–1300 mSv. Koska monissa Mars-lentokaavailuissa lento kestää yli vuoden, avaruuslentäjät saisivat Mars-lennolla enimmäismäärän säteilyä. 2,5 vuoden mittainen matka Marsiin lyhentäisi astronautin elinikää 15–24 vuotta.
Suojaava lyijykerros taas olisi kovin painava. Suorien vaikutusten lisäksi säteily voi vaikuttaa mukana kuljettavan ruoan ravintoarvoihin, kuten vitamiineihin.
Painottomuudessa lisäksi luuston kalsium puolittuu kahdessa kuukaudessa ja lihaksisto pyrkii surkastumaan, mutta tätä estetään liikunnalla.

Pitkä yhteydenpitoaika

Koska Mars on hyvin kaukana Maasta, valo ja radioaallot käyttävät edestakaiseen Marsin ja Maan väliseen matkaan useita minuutteja. Valo ja radioaallot kulkevat noin 0,3 miljoonaa kilometriä sekunnissa, ja Marsin etäisyys Maasta vaihtelee 56–400 miljoonan kilometrin välillä. Radioviestin kulkuaika yhteen suuntaan on 3–22 minuuttia.

Korkeat kustannukset

Mars-lennon kustannuksia lisää sekin, että Mars-lennon valmistelu Maan kiertoradalla tulisi luultavasti vaatimaan useita rakettikuormia, joissa yhdessä voisi olla komentoalus, toisessa jarru- ja kiihdytysrakettiosa, kolmannessa polttoainesäiliöt, neljännessä laskeutumisosa ja niin edelleen. George Bushin SEI-hankkeen osana suunniteltu Mars-matka olisi maksanut 450 miljardia dollaria, Robert Zubrinin minimalistisen MarsDirect-suunnitelman hinta-arvio on 30 miljardia dollaria. Useimmat muut hinta-arviot asettuvat näiden välille.

Mars-aluksen voimanlähteistä

Nykyisissä suunnitelmissa yleisin ratkaisu Mars-lennon välineeksi näyttää olevan perinteinen kemiallinen raketti. 1970-luvulla hylätyt ydinvoimasuunnitelmat palaavat kuitenkin ajoittain harkintaan.

Ilmajarrutus

Ilmajarrutuksessa avaruusalus sukeltaa useita peräkkäisiä kertoja planeetan kaasukehään voidakseen vähitellen hidastaa vauhtia ja asettua alemmalle kiertoradalle. Joillain amerikkalaisten Mars-luotaimilla on kokeiltu ilmajarrutusta luotainten ratojen muutteluun.

Polttoaineen tuotanto perillä

Yksi Mars-lentoa tutkivan yksityisen Mars Societyn perustajajäsenistä, Robert Zubrin on ehdottanut Mars Direct -ohjelmaa, jossa Marsin kaasukehässä voitaisiin valmistaa esimerkiksi metaanipolttoainetta paluumatkaa varten. Hapetin voisi olla häkää, eli hiilimonoksidia. Raketin suihkunopeus ja työntövoima olisivat vähäiset, mutta polttoaineen valmistus Marsissa olisi etu. Tämä alentaisi lennon kustannuksia ehkä kymmenykseen ”perinteisistä” suunnitelmista, ja toimeen tultaisiin ehkä yhdellä kantoraketilla.

Hylätty ydinreaktorisuunnitelma

1960- ja 1970-luvuilla ajateltiin käyttää Mars-lentoon muun muassa ydinreaktorin kuumennusvaikutukseen perustuvaa rakettia, jossa on ydinkäyttöinen keskusosa ja lisättäviä polttoainesäiliöitä. Toisessa, NASAn 1968 laatimassa IMIS-suunnitelmassa oli neljä ydinrakettiyksikköä ilman irrotettavia polttoainesäiliöitä, ja kartiomainen, kaksivaiheinen laskeutumisosa.
Yksi työntövoima-ajatus oli ioniraketti, joka saa voimansa ydinreaktorin tuottamasta sähköstä. Ioniraketti sopii paremmin hitaaseen lentoon, koska sen tuottama työntövoima on tyypillisesti pieni. Näin ollen se sopinee paremmin ei-kiireellisiin kuljetuksiin tai luotaimiin.

Huimia visioita

Kehitteillä olevaa VASIMR-rakettimoottoria on esitetty Mars-lennon keston lyhentäjäksi.
Robert Zubrin on ajatellut myös Auringon säteilyn paineeseen perustuvaa aurinkopurjetta Mars-matkailussa, vaikka Auringon hiukkasvirta on huomattavasti pienempi. Aurinkopurjetta aiottiin kokeilla, mutta koesatelliitti Cosmos 1 tuhoutui vuonna 2005 laukaisussa. Toukokuussa 2010 Japani laukaisi ensimmäisen aurinkopurjetta ensisijaisena työntövoiman lähteenä käyttävän avaruusluotaimen Ikaroksen. Purjeen käyttövoimaksi on myös ehdotettu Maasta käsin toimivaa mikroaaltolähdettä. Tällöin purje höyrystyisi ohuelta pintakerrokseltaan vaihe vaiheelta mikroaaltosäteilyn voimasta ja työntäisi alusta eteenpäin. Näin saavutetaan suuria, jopa 60 km/s nopeuksia puolessa tunnissa. Varsinkin tämä tekniikka on vielä testaamatta.

Mars-lennon psykologiaa

Venäläinen Biolääketieteellinen instituutti IBMP ja ESA aloittivat 2008 pitkän avaruuslennon psykologisia ja lääketieteellisiä vaikutuksia arvioivan Mars-500 -tutkimuksen, jossa vapaaehtoiset koehenkilöt asuivat Mars-alusta jäljittelevässä suljetussa tilassa. Heinäkuussa 2009 kuusimiehinen koemiehistö päätti 105 vuorokautta kestäneen harjoituksen ja 4. marraskuuta 2011 päättyi kesäkuussa 2010 alkanut ja 520 vuorokautta kestänyt tutkimusohjelman viimeinen, täysipituinen eristysjakso.
Vuonna 2011 päättyneen eristysjakson analyysi paljasti neljän kuudesta jäsenestä kärsineen erilaisista lievistä ongelmista jakson aikana, kuten vuorokausirytmin muuttumisesta, univaikeuksista ja lievästä masennuksesta. Tutkijoiden mukaan tulokset herättävät epäilyksiä miehistön toimintakyvystä todellisella Mars-lennolla. Vuonna 2013 todettiin juuri unihäiriöiden olevan suurin riskitekijä. Ahtaassa tilassa pidetyt miehistöt riitelevät helposti.
Elokuussa 2015 alkoi Havaijilla vuoden kestävä koe, missä kuusi tutkijaa sulkeutui 11 metriä halkaisijaltaan olevaan kupoliin. Kupolista poistuessaan he käyttävät aina avaruuspukua.

Mars-lennon ratoja

Perinteinen luotainten käyttämä rata Marsiin on lähellä Hohmannin siirtorataa, joka on Maan ja Marsin ratojen välissä oleva puoliellipsi.

Mars-lennon matematiikkaa

Marsia kohti lähetettäneen alus Maata kiertävältä radalta. Se koostuisi isosta emäaluksesta ja laskeutumisosasta. Tarkoitus olisi ensin asettua kiertämään Marsia, ennen kuin laskeudutaan Marsiin erillisellä laskeutumisaluksella. Näin säästetään polttoainetta verrattuna siihen, että suuri matka-alus laskeutuu kokonaisena Marsiin. Laskeutuja irrotetaan emäaluksesta luultavasti ennen kuin emäalus asettuu kiertoradalle. Tämäkin säästää polttoainetta. On myös ehdotettu lentoa Marsiin suoraan ilman satelliittirataa aluksen massan pienentämiseksi.
Marsin ja Maan asemat toistuvat samoina keskimäärin 2,14 vuoden eli 780 vuorokauden välein, koska Mars kiertää Aurinkoa 1,88 vuoden jaksoissa, ja maa kiertää vuoden jaksoissa.Tällöin Mars ehtii joka Maan kierrokselle edetä hieman eteenpäin. Marsin etäisyys Auringosta on keskimäärin 1,52 AU, mutta radan soikeuden takia planeetan etäisyys vaihtelee välillä 1,38–1,66 AU. Tällöin Mars on lähimmillään meitä 56 miljoonan kilometrin eli 0,37 AU:n päässä, ja kauimmillaan 400 miljoonan kilometrin eli 2,67 AU:n päässä.
On luultavaa, että Mars-alus asettuu alussa hyvin soikealle radalle Marsia kiertämään. Tälle jarrutus vaatii noin 1,02 km/s, jos rata on alimmillaan 500 km, korkeimmillaan 52 000 km:n korkeudessa Marsin pinnasta, kiertoajalla 43,09 tuntia.

Mars-lentosuunnitelmien historiaa

Jo 1950-luvulla ehdotettiin Orion-alusta, joka toimisi ydinräjähteillä. Pienet ydinlataukset räjähtäisivät aluksen kilven takana, mikä työntäisi alusta eteenpäin. Optimistisesti ajateltiin aluksella voitavan pistäytyä Saturnuksessa vielä 1970-luvulla, ja Mars olisi vain välipysäkki.
Venäläiset suunnittelivat Mars-lentoa pohjautuen 25 N-1-rakettiin. Raketin kehitys epäonnistui täysin, ja näin ollen suunnitelma ei päässyt alkua pidemmälle.
Kun George H. Bush ehdotti miehitettyä lentoa Marsiin osana Space Exploration Initiative (SEI) aloitetta 1989, arveltiin, että ensimmäinen miehitetty lento tapahtuisi vuoden 2020 paikkeilla. Tämä aloite ei saanut Yhdysvaltain kongressilta rahoitusta. Silloinen kustannusarvio oli 450 miljardia Yhdysvaltain dollaria.  Neuvostoliitto esitti sekä 1960-luvulla että 1980-luvulla yksityiskohtaisia suunnitelmia Mars-lennoista mutta Neuvostoliiton hajottua venäläiset ovat keskittyneet neuvottelemaan yhteisistä missioista Yhdysvaltojen kanssa.
Euroopan avaruusjärjestö ESAn tavoitteena on miehitetty lento Marsiin.