Wie unerreichbar sind die Jupitermonde vom Mars mit der Technologie, die für den Weg zum Mars entwickelt wurde?

Gehen wir zurück zu unserem alten Freund, dem Schweinekotelett-Plotter . Die Erde zum Jupiter mit minimalem Treibstoffverbrauch dauert etwa 2 Jahre und Sie haben mehr oder weniger eine Gelegenheit pro Jahr, dorthin zu gelangen. Sie können die Reise mit minimalem zusätzlichen Kraftstoffverbrauch auf vielleicht 20 Monate verkürzen. Das auf der Erde erforderliche Delta-V (über und über der Fluchtgeschwindigkeit) beträgt etwa 9,3 km / s (Sie können theoretisch bei Jupiter aerobrake, obwohl die beteiligten Geschwindigkeiten und die Strahlungsumgebung dies etwas aufregend machen könnten).

Mars zu Jupiter mit minimalem Treibstoff dauert länger. Intuitiv denke ich, dass dies daran liegt, dass die Umlaufgeschwindigkeit des Mars um die Sonne geringer ist. Die Reisezeiten betragen ungefähr 30 Monate, aber das benötigte Delta-V (wieder über und über der Marsflucht) beträgt nur ungefähr 6 km / s.

Es wird erwartet, dass ein vollgetanktes SpaceX-Raumschiff über eine Delta-V-Fähigkeit von etwa 9 km/s verfügt (mit einer sehr geringen Nutzlast), sodass es Jupiter erreichen könnte, wenn es in einer hohen elliptischen Erdumlaufbahn oder möglicherweise direkt von der Marsoberfläche betankt wird. Ein Auftanken im Low Mars Orbit würde sicherlich ausreichen.

Basen auf Asteroiden scheinen nicht viel zu helfen. Es ist zu schwierig, die Umlaufbahn mit ihnen abzugleichen, und Sie müssen wahrscheinlich noch den Treibstoff dorthin bringen. Wenn Sie auf Ceres Treibstoff herstellen könnten, wäre das in Bezug auf Delta-V und Nutzlastmasse recht attraktiv, obwohl die Mission noch langsamer werden würde.

TLDR : Wenn Sie Treibstoff auf dem Mars oder auf Ceres herstellen können, wird es Ihnen helfen, mehr Nutzlast zum Jupiter zu transportieren, ohne dass Sie wahnsinnige Mengen Treibstoff von der Erde starten müssen, aber solche Missionen dauern im Allgemeinen länger als direkte Missionen.

Um als Antwort auf den Kommentar von @Pablo zu erweitern. Auf der Plotterseite steht:

Die vorliegende Anwendung stellt eine äußerst effiziente (wenn auch ungefähre) Lösung des Lambertschen Targeting-Problems (LTP) bereit, um Start- und Ankunfts-V-Unendlich-Schweinekotelett-Plots zwischen Sonnensystemzielen zu erzeugen, die vom Benutzer ausgewählt wurden. Die Lösungsmethode basiert auf den Arbeiten:

Ungefähre analytische Lösung des Targeting-Problems von Lambert. Claudio Bombardelli, Juan Luis Gonzalo, Javier Roa. Im Journal of Guidance, Control and Dynamics (eingereicht). 2017.

Ungefähre analytische Lösung des Targeting-Problems von Lambert. Claudio Bombardelli, Javier Roa, Juan Luis Gonzalo. Vortrag AAS 16-212 im 26. AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, Napa, CA, USA, 14.-18. Februar 2016.

Die Gleichungen/Algorithmen werden in diesen Papieren zu finden sein, nehme ich an.

Ich habe eine Tabelle erstellt, um Szenarien wie dieses zu vergleichen: Hohmann.xls .

Wenn ich Erde in die Startplanetenzelle und Mars in den Zielplaneten eintippe, bekomme ich
Startfenster geöffnet alle 2,14 Jahre (synodische Periode)
Reisezeit 0,71 Jahre
Delta V Niedrige Erdumlaufbahn zu niedriger Marsumlaufbahn: 5,7 km/s

Mars als Startplanet und Jupiter als Ziel eingeben:
Startfenster: Alle 2,23 Jahre Reisezeit 3,1 Jahre
Delta V Low Mars Orbit to Jupiter Capture Orbit: 4,4 km/s

Die Jupiter-Einfangbahn hat eine Periapsis 300 km über Jupiters Wolkenobergrenzen und eine Apoapsis etwa 4,8 Millionen Kilometer.

Die Übereinstimmung der Umlaufbahn mit einem Mond würde mehr dauern. Die Höhe der größeren Jupitermonde kann in den Zellen J27 bis J30 gefunden werden. Zum Beispiel erhöht die Einstellung von Jupiters Zielumlaufbahn auf Europas Höhe Delta V auf mehr als 10 km/s. Dies berücksichtigt nicht die Schwerkraft Europas.

Aufgrund von Jupiters starkem Magnetfeld leiden Jupiters Monde unter einer sehr harten Strahlungsumgebung.

Vorbehalt: Meine Tabelle geht von kreisförmigen, koplanaren Umlaufbahnen aus. Genauigkeit ist also nur ein Anhaltspunkt.

TL;DR Der Weg vom Mars zu den Jupitermonden ist viel schwieriger als der Weg von der Erde zum Mars.

Unter Verwendung der hervorragenden Tabelle von @HopDavid erhalten wir ein Delta-V von etwa 6,9 km/s für eine 3-Jahres-Mission von der hochelliptischen Marsumlaufbahn nach Callisto, dem einzigen der großen Monde, bei dem das Strahlungsniveau für Menschen überlebensfähig ist . Dazu kommen etwa 2,4 km/s für die Landung auf Callisto (ohne Atmosphäre)

Angenommen, Elon Musks Träume werden wahr und alle Komponenten seiner Mars-Missionsarchitektur werden wahr, wie könnte eine Jupiter-Mission etwa ein Jahrzehnt später aussehen, wenn sie so durchgeführt wird?

Die Delta-V-Fähigkeit eines vollgetankten Raumschiffs wird hier diskutiert und beträgt etwa 9,4 km/s ohne Nutzlast, also nicht ganz genug für unsere Zwecke, aber nahe dran. Ich sehe ein paar Lösungsansätze:

1. Verwenden Sie eine sehr hohe$I_{sp}$Hilfsantriebssystem mit niedrigem Schub, wie z. B. ein Ionenantrieb, in geeigneten Phasen der Mission. Dies macht es ziemlich hoffnungslos, die Flugbahnen zu berechnen, und vorhandene Schub-/Massenverhältnisse haben so schlechte, dass nicht klar ist, wie viel sie helfen könnten, aber die Technologie kann sich weiterentwickeln
2. Inszenierung (eine Art von): Starten Sie einen Starship-Tanker neben dem bemannten Fahrzeug und verwenden Sie nach dem anfänglichen Schub vom Mars den verbleibenden Treibstoff, um das bemannte Fahrzeug wieder aufzufüllen und den Abnehmer zu verlassen. Ich habe keine Zahlen zur Hand, aber dieser Ansatz muss funktionieren, wenn Sie bereit sind, genügend Tanker (die Sie bereits zum Mars transportiert und dann in einer elliptischen Umlaufbahn betankt haben) wegzuwerfen. Das wird teuer. Möglicherweise können Sie die Tanker um Jupiter herumschleifen und sie viele Jahre später zur Erde oder zum Mars zurückbringen.

Unser nächstes Problem besteht darin, die Crew drei Jahre lang am Leben zu erhalten. Wir werden einen Kernreaktor brauchen (Solarenergie wird zu diesem Zeitpunkt etwas schwach), aber sobald wir einen haben, haben wir viel Not, damit wir Wasser recyceln und ein Gewächshaus anzünden können, um etwas Nahrung anzubauen und die Luft zu reinigen . Wir können CO2 auch wieder zu Sauerstoff recyceln, wenn wir ihm genug Energie zuwenden. Für all dies ist die Wissenschaft klar, aber die Technologie wird einige Arbeit erfordern. Es handelt sich jedoch mehr oder weniger um dieselben Technologien, die wir zum Leben auf dem Mars benötigen. Trotzdem werden wir eine beträchtliche Menge an Vorräten benötigen, um unvermeidliche Verluste auszugleichen.

Wir brauchen also vielleicht noch mehr Fahrzeuge, die voller Vorräte neben uns herfliegen.

Wenn wir ankommen, brauchen wir eine gewisse Infrastruktur, die im Voraus eingerichtet wurde. Wie bei den meisten Plänen für Marsmissionen werden wir also vermutlich einige Jahre früher eine robotische Vorläufermission entsandt haben, um unsere Basis und die Treibstoffproduktion aufzubauen. Das könnte möglicherweise mit einem langsamen Ionenantriebsschlepper gesendet werden, anstatt noch mehr Raumschiffe zu verbrauchen. Die Roboter müssten sowohl Wassereis als auch Kohlendioxideis finden und abbauen, um Grundmaterialien für eine menschliche Basis und für den Rücktransport von Treibstoff herzustellen. Ammoniakeis, falls vorhanden, wäre eine praktische Stickstoffquelle. Dies ist sicherlich eine Herausforderung für die Robotik, aber auch hier könnte die Besiedlung des Mars die Entwicklung des Roboter-Eisabbaus ziemlich stark vorantreiben.

Irgendwann wollen wir nach Hause zurückkehren. Zurück zur Kalkulationstabelle stellen wir fest, dass wir 4,9 km/s benötigen, um von Callistos Umlaufbahn zu einer Flugbahn zur Erde zu gelangen (eine Reise von 2,7 Jahren). Mit den zusätzlichen 2,4 km/s, um Callisto zu entkommen, sind wir innerhalb der Fähigkeiten unseres (jetzt ziemlich betagten) Raumschiffs, obwohl der Wiedereintritt auf der Erde schwierig sein wird (etwa 14 km/s), aber wir haben keine große Menge an Nutzlast, also brauchen wir vielleicht noch ein weiteres Raumschiff (oder vielleicht ein Treibstofflager im Callisto-Orbit), um unser Essen usw. für die Rückreise zu transportieren (das wir unter Lichtern auf Callisto angebaut haben).

Während wir dort waren, ist unser Raumschiff kein schlechtes Fahrzeug zum Erkunden (vorausgesetzt, wir tragen es nicht ab). Es kann starten, beträchtliche Manöver im Jupiter-Raum durchführen und immer noch Treibstoff für eine motorisierte Landung zurück auf Callisto haben. Besuche der anderen großen Monde müssten wegen der Strahlung unbemannt (oder vielleicht sehr schnell) sein.

Das Fazit fällt also durchaus positiv aus. Technologien, von denen wir erwarten könnten, dass sie innerhalb eines Jahrzehnts oder so entwickelt werden, könnten ein paar zähe (und geduldige) Entdecker dazu bringen, einen Brückenkopf auf Callisto zu errichten. Es wäre teuer (das Wegwerfen mehrerer wiederverwendbarer Trägerraketen), aber es gibt keine offensichtlich unmöglichen Probleme.