Warum haben wir keine Proben vom Mars zurückgeschickt?

Du hast es selbst gesagt, als du das Gewicht erwähnt hast. Bisher ist es uns gelungen, ungefähr zwei Tonnen auf dem Mars auf einmal weich zu landen, wenn wir sowohl den Curiosity-Rover als auch sein Sky Crane -Landesystem zählen (Curiosity selbst hat eine Masse von etwa einer Tonne, aber sowohl der Rover als auch der Sky Crane tatsächlich eine vertikale Geschwindigkeit nahe null in Bezug auf die Marsoberfläche erreicht, bevor der Rover losgelassen wurde). Überlegen Sie nun, wie viel Masse erforderlich wäre, um auch etwas zurück zu starten.

Von der Marsoberfläche aus ist das erforderliche Delta-V , um etwas in die Umlaufbahn zu starten, ungefähr halb so groß wie das, was erforderlich ist, um etwas von der Erde in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen, also ~ 6 km / s (Ihre Laufleistung kann je nach Höhe, Breitengrad, ... .). Sobald Sie sich in der Marsumlaufbahn befinden, benötigen Sie zusätzliche ~ 3 km / s, um etwas in die energieeffizienteste Hohmann-Transferumlaufbahn zur Erde zu bringen. Wir bräuchten also ein Startsystem, das in wahrscheinlich zwei oder mehr Stufen etwa 9 km/s erreichen kann. Mit nur einer Stufe, die an der Oberfläche benötigt wird, ist das immer noch eine ziemliche Rakete, selbst wenn die Nutzlast ziemlich gering ist. Abhängig von seiner Leistung (z. B. spezifischer ImpulsTreibstoffverbrauch), seine Masse wäre mehr als das 100-fache dessen, was wir bisher auf einmal auf dem Mars landen konnten, wenn er später an einer Orbitalstufe andockt, um die Kapsel mit Proben zur Erde zurückzubringen.

Denken Sie daran, dass selbst der kommende Mars-2020-Rover nur Proben verstauen wird ( das ist bisher der Plan ), und sie könnten oder könnten nie für den Start zur Erde geborgen werden. Ich fürchte, es ist einfach zu schwierig, Proben vom Mars zur Erde zu bringen, und wir haben zu diesem Zeitpunkt nicht wirklich die notwendige Technologie. Wenn es um Proben vom Mars geht, bleiben wir im Moment entweder bei Meteoriten, die nachweislich vom Mars stammen , oder bei der Analyse vor Ort mit Sonden, Landern und Rovern und Fernbeobachtungen mit Orbitern und Flyby-Missionen.

Einige zusätzliche Kommentare:

Ein Großteil der Masse, die auf dem Mars gelandet werden muss, könnte durch die In-situ- Produktion von Treibmitteln (was allgemein als ISRU - In-Situ Resource Utilization bezeichnet wird) reduziert werden, vielleicht nur das Oxidationsmittel durch Elektrolyse der Atmosphäre, um Sauerstoff zu extrahieren das MOXIE(Mars Oxygen ISRU Experiment) auf dem Mars 2020 Rover wird versuchen, in einem winzigen Maßstab zu demonstrieren, der mehr als zwei Drittel der Masse einer flüssigen Wasserstoff- und Sauerstoffstufe ausmachen würde, und scheint viel einfacher zu sein, als Wasserstoffquellen zu finden und zu reinigen für Raketentreibstoffe ohne entsprechende Infrastruktur. Aber selbst das bedeutet immer noch, viel mehr Masse zu landen, als wir derzeit wissen, und an Wasserstoff als Brennstoff oder einer Brennstoffkomponente festzuhalten, der, weil er in winzigen Molekülen vorliegt und thermische Zyklen nicht besonders schätzt, wirklich gerne ausblutet durch leichte und dünne Wände von Raketentreibstofftanks. Vielleicht würde die Verwendung von importiertem Wasserstoff zur Herstellung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen mit dem Kohlenstoff aus der überwiegend aus Kohlendioxid bestehenden Atmosphäre wie Methan die Haltbarkeit verbessernund verbessern die Leistung solcher Raketenstufen trotz geringerem spezifischem Impuls besser als die Abschirmung von kryogenem Flüssigwasserstoff gegen Wärmestrahlung und reduzieren gleichzeitig die Landemasse.

NASA/JPL (und Mark Adler, der Ihnen hier als Projektmanager eine Antwort gegeben hat) entwickeln derzeit LDSD (Low-Density Supersonic Decelerator), der mit den Überschallfallschirmen und dem SIAD (Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator) mehr Masse auf transsonische Geschwindigkeiten abbremsen könnte )-Teile, ohne zusätzliche Treibmittel für diesen Teil von Entry, Descent and Landing (EDL) auszugeben, aber das ist noch nicht auf einem ausreichenden technologischen Reifegrad und die Entwicklung des Überschall-Fallschirms ist jetzt zwei Mal während des Tests auf einen Haken gestoßen und muss noch demonstriert werden ein erfolgreicher Einsatz.

In gewissem Umfang werden auch retropulsive Landetechniken entwickelt; Das Budget der NASA dafür ist im Moment winzig, daher sind es hauptsächlich Studentenarbeiten am spottbilligen Projekt Morpheus , die mit Technologien wie der Autonomous Landing Hazard Avoidance Technology (ALHAT) die Grenzen des VTVL ausreizen, und natürlich macht SpaceX große Fortschritte in Richtung Landung ganze Raketenstufen treibend, und ein großer Teil dessen, was sie jetzt auf der Erde tun, ist genau das, was benötigt wird, um auch eine Raketenstufe auf dem Mars zu landen (und die NASA ist sehr daran interessiert, nicht nur, weil sie einer ihrer Startanbieter sind) .

Natürlich brauchen wir auch größere Raketen oder viele von denen, die wir jetzt haben, und üben noch einmal den orbitalen Zusammenbau, um überhaupt erst so viel Masse in Richtung Mars zu schicken.

Also, um die Dinge zusammenzufassen, es muss noch eine Menge Technologie entwickelt und auf die erforderliche Technologiereife gebracht werden, daher sind wir sogar zuversichtlich, dass dies aus technischer Sicht machbar ist. Und das geht noch nicht einmal auf politische und finanzielle Aspekte ein (siehe Antwort von Mark Adler). Aber es wäre sicherlich ein willkommener Lernschritt, bevor wir Astronauten mit Proben zum Mars und zurück schicken, wenn wir einen Großteil der dafür erforderlichen Technologie zuerst auf einer Robotermission testen könnten. Aber vielleicht entscheiden wir uns für einen anderen Weg und bauen Präsenz auf den beiden Mars-Satelliten Phobos und Deimos auf, nutzen sie als Stützpunkt und lernen dort, Treibmittel herzustellen. Wer weiß? Wir haben einen langen Weg vor uns.

Geld. Verpflichtung. Vertrauen. Unzureichende Mengen dieser drei sind der Grund, warum wir noch keine Proben vom Mars zurückgeschickt haben.

Motivation ist auf jeden Fall vorhanden. Die letzte dekadische Umfrage zur Planetenwissenschaft, Visions and Voyages , bei der die Wissenschaftsgemeinschaft zusammenkommt und über Prioritäten entscheidet, bewertete die erste von drei Missionen zur Durchführung der Mars-Probenrückgabe als wichtigste Missionspriorität, wobei diese Mission jetzt als Mars bezeichnet wird 2020. Es hat die Aufgabe, über einen Zeitraum von etwa drei Jahren Gesteinskerne und andere Proben der Marsoberfläche sorgfältig auszuwählen und zu sammeln, um später im Jahrzehnt zur Erde zurückzukehren. („Rückkehr“ ist hier wahrscheinlich das falsche Wort – es sei denn, wir haben die falschen Proben ausgewählt, sie kamen sicherlich nicht von der Erde – aber „Rückkehr“ ist das Wort, das jeder nach „Mars-Probe“ verwendet.)

Selbst wenn sich die NASA zur Mission Mars 2020 verpflichtet (was in naher Zukunft sein könnte), wird sich die NASA zu diesem Zeitpunkt nicht zu den beiden nachfolgenden Missionen verpflichten, die erforderlich wären, um die gesammelten Proben zur Erde zu transportieren. Die Mission Mars 2020 wurde so konzipiert , dass sie über eine sehr robuste und neuartige Fähigkeit zur Untersuchung vor Ort verfügt , die die Mission rechtfertigen würde, selbst wenn die Proben nie abgeholt werden.

Wenn die nachfolgenden Missionen fortgesetzt werden, wäre eine davon ein Lander mit einem Hol-Rover, um die geborgenen Proben zu holen, und einem Mars-Aufstiegsfahrzeug (einer Rakete), um die geborgenen Proben in eine niedrige Marsumlaufbahn zu bringen. Die andere Mission wäre ein Mars-Orbiter, der sich mit dem umlaufenden Probenbehälter trifft und ihn einfängt und dann die Marsumlaufbahn verlässt, zur Erde zurückkehrt (dort funktioniert die „Rückkehr“) und die Proben wie derzeit geplant in einem auf die Erdoberfläche schickt kleines Einstiegsfahrzeug. Jede dieser Missionen gehört zur Flaggschiff-Klasse, die das planetare Wissenschaftsbudget für ein Jahrzehnt oder länger dominieren würde.

Die Kosten im Zusammenhang mit dem Planetenbudget der NASA sind entmutigend. Darüber hinaus ist die Fähigkeit, die Kosten eines solchen Unterfangens angesichts all der erheblichen technischen Herausforderungen abzuschätzen, begrenzt. Über die Höhe des Kostenrisikos bestehen berechtigte Bedenken , auch wenn die Kosten zunächst als vertretbar erachtet werden. Hier kommt das Vertrauensdefizit ins Spiel. Es geht nicht so sehr um mangelndes Vertrauen, dass es funktioniert – wir müssen immer ein gewisses Risiko akzeptieren, und wir wissen, wie wir es mindern können –, sondern eher um mangelndes Vertrauen in unsere Fähigkeit, Grenzen zu setzen Budget und Zeitplan für ein solch beispielloses technisches Unterfangen auf ein angemessenes Maß überschritten werden. (Siehe das James-Webb-Weltraumteleskop.)

Internationale Partnerschaften könnten die Kosten mindern, aber zwei Versuche dazu Ende der 1990er und Ende der 2000er Jahre wurden beide schließlich aufgegeben. Vielleicht sollten wir wieder versuchen, diesen Fußball zu kicken.

Die Kosten und das Kostenrisiko sowie der sehr lange Zeitraum von Investitionen über mehr als ein Jahrzehnt mit begrenzter Auszahlung, es sei denn und bis sie ganz am Ende der Kampagne erfolgreich sind (länger als jede Verwaltung), haben zu einem Mangel an Engagement geführt to Mars Sample Return in der Führung der US-Regierung, einschließlich des Weißen Hauses und des Office of Management and Budget.

Es wäre der dominierende Teil des gesamten planetarischen Budgets über mehr als ein Jahrzehnt, wobei selbst dieser Teil möglicherweise nicht ausreicht, sodass es für eine Regierung, die Jahr für Jahr an der Unsicherheit der Finanzierung arbeitet, schwierig ist, sich für so etwas einzusetzen die Auszahlung erfolgt erst am Ende. Dennoch besteht die Hoffnung, dass dies eines Tages Mission für Mission durchgezogen wird. Sobald wir Proben an der Oberfläche zur Abholung bereit haben, haben wir mehr Motivation vor uns und mehr Kosten hinter uns.

Was die Technologie betrifft, so bleibt Zeit, das zu entwickeln, was benötigt wird, selbst wenn heute die Verpflichtung besteht, alle drei Missionen nacheinander zu entwickeln und zu starten und die nächste Mission aufzunehmen, wenn der Finanzierungskeil der vorherigen zu sinken beginnt. Nichts an der Mission ist unüberwindbar. Die größten Herausforderungen liegen im Bereich des Planetenschutzes, der jede Phase der Mission von der Probenentnahme bis zum Erdeintritt betrifft. Einige dieser Herausforderungen zum Schutz des Planeten werden bereits von der Mission Mars 2020 angegangen, ebenso wie die große Herausforderung, intakte Gesteinskerne zu sammeln. Das orbitale Rendezvous und Capture und das Mars-Aufstiegsfahrzeug sind technische Herausforderungen, keine neue Technologie. Insgesamt gibt es eine TonneArbeitsaufwand, aber es gibt keine offensichtlichen Showstopper, solange die Anforderungen flexibel sind. Dies kann passieren, aber nur, wenn ernsthaftes Engagement und Geld dafür vorhanden sind.