Po letech studií, zkoušek a průzkumů v rámci přípravy na začátek mise Mars Sample Return (MSR) v roce 2026 udělala NASA významný pokrok. Stanovila, že pro doposud nerealizovaný odlet vzorků z povrchu Marsu použije nosnou raketu s tuhými pohonnými látkami. Tato malá raketa nese označení MAV (Mars Ascent Vehicle) a bude hrát klíčovou roli při misi MSR, kterou společně připravují agentury NASA a ESA. Prvním článkem tohoto řetězce misí bude americké vozítko Perseverance, které má Zemi opustit v polovině letních prázdnin. Perseverance nasbírá jádrové vzorky marsovských hornin a uloží je do trubiček, které v budoucnu vyzvedne jiný rover, jehož start přijde nejdříve v roce 2026.

Na rok 2026 jsou plánovány dva starty od Země k Marsu – NASA a ESA sem pošlou stacionární přistávací plošinu SLR (Sample Retrieval Lander), která ponese i raketu MAV, mobilního robota pro sběr vzorků zanechaných roverem Perseverance a orbiter ERO (Earth Return Orbiter), který se postará o dopravu cenného vzorku na Zemi. Americký lander SRL zamíří do oblasti, která je nedaleko odložených vzorků a po přistání z jeho útrob vyjede evropský sběrný rover, který bude mít za úkol sebrat trubičky se vzorky a dopravit je zpět k landeru SRL. Trubičky pak budou roboticky uloženy do nákladového modulu na vrcholu rakety MAV, která s nimi následně odstartuje a doručí je na oběžnou dráhu Marsu.

Evropská sonda ERO (Earth Return Orbiter) vybavená americkým systémem pro zachycení a uložení vzorků z Marsu se na oběžné dráze setká s pouzdrem se vzorky a uloží jej do návratové schránky, ve které bude zabráněno případné kontaminaci. Sonda pak opustí oběžnou dráhu Marsu a zamíří k Zemi – návratové pouzdro vstoupí do atmosféry Země a nebržděně dopadne do pouště v Utahu v roce 2031.

„Aktivně pracujeme na první obousměrné cestě k jiné planetě,“ říká Jim Watzin, ředitel programu průzkumu Marsu v NASA. Projekt má odhadované náklady ve výši 7 miliard amerických dolarů, skládá se z několika misí a je opravdu ambiciózní, ale podle zástupců NASA je také uskutečnitelný. „Když se podíváte na základní bloky té architektury, tak všechny jsou aspoň z většiny hodně podobné věcem, které jsme už dělali, případně jde o jejich rozšíření,“ uvedl Watzin v rozhovoru pro web Spaceflight Now, kde dodal: „Ochrana vzorků a jejich utěsnění, to je oblast zcela nová.“

Vědci chtějí ochránit vzorky nejen od kontaminace pozemskými mikroorganismy a organickým materiálem. Zaměřují se také na to, aby materiál dovezený z Marsu nijak neohrozil pozemský ekosystém, což je princip označovaný jako zpětná planetární ochrana. „Problém zkoumáme v rámci vývoje konceptů již pět let a jsem si vcelku jistý, že jsme tomu přišli na kloub,“ říká Watzin a dodává: „Snažíme se celý systém udržet co možná nejjednodušší, což v žádném případě není snadné, neboť se jedná o komplexní úkol. Zkrátka se snažíme celou věc zbytečně nekomplikovat.“

Jedním z dosud nevyzkoušených prvků, které program MSR vyžaduje, je raketa, která by zajistila dopravu vzorků z povrchu Marsu na jeho oběžnou dráhu. Podle předběžně daných limitů návrhu by nosič MAV neměl být vyšší než 2,8 metru a širší než 57 centimetrů. Jeho celková vzletová hmotnost nesmí překročit 400 kg. Marsovská gravitace je jen 38 % té pozemské, takže rakety pro start z rudé planety mohou být mnohem menší než ty pozemské. Navíc MAV má mít za úkol dopravit na oběžnou dráhu náklad vážící mezi 14 a 16 kilogramy.

Požadavky se vrší na sebe a sílí snaha udělat koncept MAV co možná nejmenší, ale aby byl stále schopen splnit na něj kladené požadavky. Odborníci z Marshallova střediska v Huntsville (stát Alabama) došli k rozhodnutí, že dvoustupňový nosič na tuhé pohonné látky je tou nejlepší volbou pro raketu MAV. NASA dříve zvažovala použití jednostupňového hybridního pohonného systému, který by využíval tuhé palivo na bázi vosku v kombinaci s kapalným okysličovadlem. To podle Watzina dávalo smysl, protože inženýři měli obavy z jevu označovaného jako „cold soak“, který se projevuje při dlouhodobém vystavení zrn motorů na tuhé pohonné látky nízkým teplotám. NASA pracovala se dvěma dodavateli hybridních pohonných systémů, kteří provedli i testovací zážehy, ale zástupci agentury se v minulých měsících rozhodli jít výše zmíněnou cestou dvoustupňového nosiče na tuhé pohonné látky.

Zástupci agentury vybrali jako lokalitu odběru vzorků kráter Jezero, což je dávno vyschlá říční delta. Sem má v únoru 2021 přistát rover Perseverance a logicky sem budou muset přistát i Sample Retrieval Lander s MAV. „Když jsme vybrali kráter Jezero pro misi Mars 2020, tak se teplotní režim, který musela technika snášet, dostal do výrazně vyšších teplot – šlo o desítky stupňů Celsia,“ uvedl Watzin v rozhovoru pro web Spaceflight Now a dodal: „To nás přimělo znovu jednat o možnosti využít motory na tuhé pohonné látky.“

Výsledky z pozemních zkoušek také ukázaly, že jednostupňový hybridní pohonný systém nebyl dostatečně připraven pro použití na MAV. „Testovací technologický program hybridního pohonu odhalil skutečnost, že je k dokončení potřeba nějaký čas navíc, aby bylo možné provést opakovaný zážeh k dosažení oběžné dráhy. Stejně tak bylo potřeba hodně času i na vypracování strategie k poskytnutí správné úrovně okysličení, nebo správných zážehových charakteristik. Začalo to být stále více a více komplexní. Čím dál tím víc se ukazovalo, že ta technologie není tak vyspělá, jak jsme si mysleli. Naopak motory na tuhé pohonné látky jsou velmi dobře známou a zavedenou technologií, které dobře rozumíme. Původně očekávané výhody se tedy rozplynuly. Rozhodli jsme se jít cestou, kterou známe, a u které už nemusíme čelit velké výzvě díky novým informacím o teplotních limitech, kterým má technika čelit.“

Jak již bylo uvedeno výše, raketa MAV má odstartovat v polovině roku 2026 společně s landerem SRL a evropským sběrným vozítkem. Podle aktuálních plánů se nepočítá s tím, že by k zážehu rakety MAV došlo dříve než v polovině roku 2029, kdy začne fáze návratu na Zemi. Watzin uvedl, že podle NASA nepatří dlouhodobé čekání pohonných látek MAV mezi největší výzvy programu MSR: „Je tu hodně analogií s tím, co děláme tady na Zemi. Myslím, že je tu v určitém ohledu přímá analogie s armádními střelami. Ty se staví tak, aby mohly být skladovány roky, nebo i desítky let, než přijde jejich aktivování. My už tedy víme, jak bezpečně skladovat tyto motory. Dělalo se to už opravdu mnohokrát – ať už z hlediska obrany nebo vědeckého výzkumu. Všechny naše stroje dnes létají autonomně. U Marsu jsme také už dost dlouho na to, abychom znali jeho gravitaci. V tomhle nebude ta největší výzva.“

NASA si raketové motory pro MAV objedná u firmy Northrop Grumman, která zajišťuje dodávky těchto motorů pro armádní střely, ale i pro kosmické nosiče. „V Northrop Grumman získali díky jejich nedávným akvizicím velké možnosti v oblasti motorů na tuhé pohonné látky,“ uvedl Watzin a dodal: „A navíc oni – myšleno skupina, kterou oni teď vlastní – už pro nás dříve stavěli motory na tuhé pohonné látky i pro nízké teploty. Udělali jsme si průzkum trhu a hledali jsme ještě někoho s podobnými schopnostmi. Ukázalo se, že jsou jediní.“

V oznámení o zadávání veřejných zakázek, které bylo vydáno na začátku tohoto měsíce, NASA uvedla, že má v úmyslu udělit společnosti Northrop Grumman zakázku na dodávku 20 raketových motorů – 10 první stupeň a 10 druhý stupeň – pro MAV. Tato dodávka má obsahovat testovací exempláře, letové kusy i záložní motory, které by také splňovaly letové specifikace a mohly být v případě potřeby nasazeny.

NASA uvedla, že firma Northrop Grumman může využít data z programu Long Duration Exposure Facility (LDEF). Ten probíhal v 80. letech minulého století a byl zaměřen na dlouhodobou expozici pevných pohonných látek drsnému prostředí vesmíru po dobu téměř šesti let.  Firma Thiokol Propulsion, která je nyní po sérii podnikových akvizic součástí Northrop Grumman, vyvinula raketový motor na tuhé pohonné látky pro sondu Magellan, který se úspěšně aktivoval po více než 15 měsících ve vesmíru a umístil sondu na oběžnou dráhu kolem Venuše.

Agentura se dále domnívá, že patentované složení tuhých pohonných látek firmy Northrop Grumman může být použito na MAV. Návrh rozpočtu administrativy prezidenta Donalda Trumpa na rok 2021 by měl umožnit rozvoj amerického podílu na programu MSR, přičemž evropské státy již vloni souhlasily s hrazením prvních fází evropského podílu. Americký lander SRL, raketa MAV a evropský sběrný rover by měly v červenci roku 2026 odstartovat z mysu Canaveral na americké raketě. Tentýž rok by je měl následovat start sondy ERO, kterou z Francouzský Guyany vynese evropská raketa Ariane 64.

„Tohle jsou nejčasnější technicky i programově dosažitelná data k implementaci této architektury. Je to také první z pouze dvou příležitostí, které zajistí doručení před polovinou třicátých let,“ říká Watzin a dodává: „Druhá příležitost je v roce 2028.“ Sonda ERO má po příletu k Marsu použít své iontové motory, aby klesla na nižší oběžnou dráhu. Jakmile zde bude, měla by zajistit podporu komunikace s landerem SRL, který by měl na Marsu přistávat v polovině roku 2028.

Vypuštění druhého a třetího prvku programu MSR v roce 2026 také umožní inženýrům použít na landeru a sběrném roveru fotovoltaické panely. Je to tím, že kritické činnosti související s transportem vzorků by neměly proběhnout během zimy nebo období prachových bouří, uvedl Austin Nicholas, vedoucí inženýr mise Mars Sample Return z JPL.

Inženýři jsou stále otevření i myšlence použít i rover Perseverance, tedy pokud bude v roce 2029 stále v provozu, aby dopravil vzorky k MAV. To by představovalo záložní řešení pro případ, že by se sběrný rover dostal do jakýchkoliv problémů. „Jakmile budou dokončeny povrchové činnosti, dojde k zážehu MAV,“ říká Nicholas a dodává: „Start budou sledovat jak sběrný rover, tak i Perseverance, abychom mohli lépe porozumět tomu, jak celá akce proběhla.“ Když MAV uvolní balíček se vzorky na oběžné dráze, ERO se s ním setká a zachytí jej. Pak provede buďto sterilizaci jeho povrchu nebo jej uloží do ochranného pouzdra. Následně opustí Mars a vydá se k Zemi.

ERO uvolní návratové pouzdro chráněné tepelným štítem, které v roce 2031 dopadne do Utahu. Inženýři pro tuto fázi nepočítají s použitím padáků – místo toho se použije zesílené návratové pouzdro, které velkou rychlostí dopadne na povrch.

„Toto řešení bylo zvoleno, pro někoho možná paradoxně, z důvodu vyšší bezpečnosti. Vzorky z Marsu totiž spadají do nejvyšší (páté) třídy planetární ochrany a nesmí se tedy za žádných okolností dostat neřízeně do kontaktu s pozemským prostředím. Využití padáků na návratovém pouzdře by i při zdvojeném či jakkoli násobně zabezpečeném řešení nevedlo k 100% jistotě jejich správné funkce. Při jejich selhání by tak mohlo dojít k poškození přistávacího pouzdra a odhalení vezených vzorků. Také by padákový systém a jeho případné zálohování vedlo k výraznému nárustu hmotnosti přistávacího pouzdra a také jeho rozměrů. Jedním z řešení je konstruovat pouzdro tak, aby přečkalo přistání i při selhání padáku. Pokud je pouzdro takto vhodně navrženo, tak pak ale ve výsledku již žádný padákový systém nepotřebuje (naopak se ušetří hmotnost). Návratové pouzdro mise MSR je tedy v plánu realizovat tak, že se využijí deformovatelné konstrukční prvky, které zajistí přežití nákladu při přistání nepodporovaném padákovým systémem. Stejně tak se nepoužijí žádné přistávací motory apod., opět z důvodu jisté míry nespolehlivosti a také hmotnosti,“ uvedl Michal Václavík z České kosmické kanceláře.

NASA uvádí, že podle shozových zkoušek budou vzorky i po tvrdém vysokorychlostním dopadu v dobrém stavu. S tímto bezpadákovým scénářem počítali i inženýři, kteří navrhovali odběrné trubičky pro rover Perseverance. Inženýři a vědci jsou si vědomi možných rizik, která by mohly mimozemské vzorky představovat pro lidi i naše životní prostředí, takže pouzdro by bylo stavěné na to, aby přečkalo selhání padáku.

Rover Perseverance odstartuje se 43 trubičkami na vzorky. Pět z nich nebude naplněno vzorky z Marsu – pomohou vědcům při analýze určit, které molekuly pochází z Marsu a které jsou ještě ze Země. Půjde o první vzorky, které budou na Zemi dopraveny z jiné planety a cenný materiál bude rozeslán do laboratoří na pečlivou analýzu.

„Na pracovní skupině máme rozdělané dvě možnosti, jak by mohla mise MSR vypadat. Obě počítají s využitím ideálních odletových oken od Země a vyhnutí se sezónám regionálních a globálních prachových bouří na Marsu. První misí MSR je Mars 2020 Perseverance, která je společná pro oba scénáře. Scénář 1 počítá se startem SRL a ERO v roce 2026. I když Ero bude pro mise MSR potřeba později, je start ve stejném roce zárukou přenosové kapacity mezi Marsem a Zemí pro SRL. Není totiž jisté říct, že v dané době bude na oběžné dráze okolo Marsu nějaká sonda ESA nebo NASA, která by tyto služby mohla poskytovat také. Z důvodu jiných přeletových drah dorazí SRL k Marsu v polovině roku 2028 (aby došlo k vyhnutí se sezóně prachových bouří) a ERO ve 4. čtvrtletí 2027. V první polovině roku 2029 by byly s pomocí MAV dopraveny vzorky na nízkou oběžnou dráhu Marsu a následně zachyceny ERO. ERO by pak na přelomu let 2029/2030 pomalu zvyšovalo svoji oběžnou dráhu a v polovině roku 2030 se vydalo k zemi. Návrat vzorků by proběhl v roce 2031. Scénář 2 počítá se startem ERO v roce 2027 na heliocentrickou dráhu, odlet k Marsu na závěr roku 2028 a přílet k Marsu ve druhé polovině roku 2029. SRL by startoval v polovině roku 2028 a přiletěl k Marsu v polovině roku 2030 (opět aby se vyhnul bouřkové sezóně). Doprava vzorků na oběžnou dráhu by proběhla v první polovině roku 2031 a jejich návrat na Zemi v roce 2033,“ uvedl Michal Václavík.

Na otázku, zda pro program MSR uvažují o použití komerčních nosných prostředků, jako je třeba chystaná Starship od SpaceX, Watzin odpověděl, že se NASA v první řadě zaměřuje na prověřené technologie. „Věděli jsme, že bychom to chtěli udělat raději dříve než později, tudíž se nezdálo rozumné jít po cestě, kde bychom museli od začátku vyvíjet zcela nový systém doručení, když systémy, u kterých víme, že byly úspěšné, jsou vhodné pro realizaci mise,“ uvedl Watzin a dodal: „Pokud tyto schopnosti Starship dozrají a prokáží se, jsem si jist, že ji plně programově využijeme. Ale nezdálo se, že by to mělo smysl, protože zatím opravdu nevíme, jaké to bude, nebo kdy to bude ve stavu, aby se technologie stala základem této kampaně.“

Závěrem rozhovoru pro Spaceflight Now ještě uvedl, že jednou z největších výzev plánovačů mise je sladění rolí roveru Perseverance a prvků s plánovaným startem v roce 2026. „Části tohoto úkolu se dělají jednotlivě, ale nakonec se to všechno spojí do integrované kampaně na Marsu, která potrvá něco přes 13 měsíců,“ uvedl Watzin a dodal: „Myslím, že právě tohle je jedinečné. To je to místo, kde budeme mít spoustu výzev.“ Projekt na dopravu vzorků z Marsu na Zemi pomocí mnoha na sebe navazujících misí byl v roce 2011 označen za největší prioritu planetárního výzkumu. NASA na to reagovala zahájením vývoje mise Mars 2020, která byla nedávno přejmenována na vozítko Perseverance. Zbytek kampaně MSR byl volně definován až do roku 2017, kdy ESA a NASA začaly společně tvořit detailní plán celé akce.

Přeloženo z:
https://spaceflightnow.com/

Zdroje obrázků:
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/2020/04/PIA23496_hires.jpg
https://lh3.googleusercontent.com/…n4Gu9VpLtnK5XJyXjVn2VzQ=s2200
http://www.esa.int/…/Mars_Sample_Return_overview_infographic.jpg
https://mars.nasa.gov/…/44610_PIA23500_MSR_f_OS_deployment.png
https://www.researchgate.net/…/Schematic-of-a-Hybrid-Rocket-Engine.png
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/2020/04/mav_concept1-678×1117.jpg
https://pbs.twimg.com/media/Da8UYDyU8AAFDvy.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/Long_Duration_Exposure_Facility_after_deployment.jpg
https://www.esa.int/…/Earth_Return_Orbiter_over_Mars_pillars.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/pia23764-image2-16.jpg
https://www.esa.int/…/Mars_Sample_Return_Earth_Return_Orbiter_elements.jpg
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…OrbitingContainer-Concept-20200225.jpg