Zgodba iz vesolja

Na spletu se množijo kritike na račun programa Artemis. Nekateri avtorji trdijo, da je NASA izbrala preveč zapleten, drag in tvegan predlog vrnitve na Luno, ki se bo prej ali slej končal s polomijo. Dejstvo je, da se program sooča z zamudami, tehničnimi težavami, toda, ali je res obsojen na neuspeh?

Ti pomisleki niso povsem neutemeljeni. Navsezadnje so astronavti na Luni pristali že pred več kot petdesetimi leti. Zakaj NASA preprosto ne uporabi preverjenih rešitev iz programa Apollo? Zakaj je današnja pot na Luno videti bolj zapletena kot tista iz šestdesetih let prejšnjega stoletja? In kako je mogoče, da je navkljub sodobnim tehnologijam potrebno toliko časa in denarja za nekaj, kar je človeštvu uspelo že pred več kot petdesetimi leti?

Odgovori na ta vprašanja izhajajo iz dejstva, da so cilji programov Apollo in Artemis bistveno različni. Pri prvem je šlo za demonstracijo tehnološke in politične moči ZDA. S pristankom na Luni so ZDA ta cilj dosegle in kmalu zatem se je pregrešno drag program Apollo tudi predčasno zaključil. Cilji programa Artemis so veliko bolj dolgoročni – vzpostavitev trajnejše človeške prisotnosti na Luni ter obisk Marsa. Prav te razlike so vir številnih odločitev, ki se danes marsikomu zdijo nenavadne ali celo nesmiselne.

Namen tega prispevka ni polemizirati z avtorji kritičnih zapisov (mimogrede, povod za članek je bil tale prispevek) temveč pojasniti zakaj je vrnitev na Luno v 21. stoletju povsem drugačen izziv od tistega leta 1969.

Zasnova raket ter vesoljskih plovil

Različni končni cilji programov Apollo in Artemis se odražajo tudi v zasnovi raket in vesoljskih plovil namenjenih prevozu astronavtov do Lune. Čeprav je cilj obeh programov pristanek ljudi na Mesecu, pa so njune tehnične rešitve presenetljivo različne.

Srce programa Apollo je predstavljala mogočna raketa Saturn V. Ta se je na izstrelitveni ploščadi dvigala kar 111 metrov nad okolico, tehtala je 2970 ton in je lahko proti Luni ponesla do 44 ton koristnega tovora. Šlo je za tristopenjsko raketo z največjim potiskom 33.000 kilonewtonov (kN). Zadnja, tretja stopnja je dostavila vesoljsko plovilo z astronavti v nizkozemeljsko tirnico in jo nato usmerila proti Luni. To plovilo so sestavljali trije moduli – servisni, poveljniški ter lunarni oz. pristajalni.

Posadka treh astronavtov je pot do Lune preživela v poveljniškem modulu. Po utirjenju v okolico Lune sta se dva astronavta preselila v pristajalni modul, s katerim sta se spustila na Lunino površje. Ob njunem povratku se je od tega, že tako majhnega modula, ločila vzletna stopnja, ki se je nato v tirnici ponovno začasno spojila s poveljniško-servisnim modulom. Oba astronavta sta se potem preselila v poveljniški modul, ki je bil edini, ki je preživel vse do pristanka na našem planetu. Vsi ostali moduli in stopnje so bili zavrženi.

Astronavta sta se v lunarnem modulu stiskala v le 4,5 m³ velikem prostoru, kjer je bilo komaj dovolj prostora za njiju, nekaj opreme ter kamnitih vzorcev z Luninega površja. Zaradi njegove majhnosti, je bila dolžina bivanja astronavtov na Mesecu omejena na tri dni.

Potovanje astronavtov v okviru programa Artemis se bo po drugi strani začelo z iztrelitvijo rakete imenovane Space Launch System (SLS). Ta v mnogih pogledih zaostaja za Saturnom V: višino meri “le” 98 metrov, ob izstrelitvi tehta “le” 2610 ton ter proti Luni lahko ponese “le” 27 ton koristnega tovora. Gre za 2,5 stopenjsko raketo, kar dejansko pomeni, da jo sestavljata dve klasični stopnji ter dva boosterja. Motorji SLS-ja skupaj z boosterji ustvarijo maksimalen potisk 39.000 kN.

Glavni motorji SLS-ja so štirje modeli RS-25. Gre za taiste motorje, ki jih je uporabljal vesoljski čolniček. NASA se je odločila za njihovo uporabo zaradi dokazane zanesljivosti ter izjemne učinkovitosti. Šlo pa je tudi za politično odločitev, saj je ameriški kongres odobril izgradnjo SLS-ja pod pogojem, da NASA v čim večji meri uporabi tehnologije uporabljene za vesoljski čolniček. Tudi boosterji, ki jih uporablja SLS, so dejansko nadgrajena verzija čolničkovih boosterjev.

Ob izstrelitvi Artemis III se bodo najprej prižgali prva stopnja ter boosterji. Po osmih minutah bodo ti ugasnili in se nato ločili od druge stopnje, imenovane Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS). Ta bo najprej ponesla plovilo Orion v zelo eliptično parkirno tirnico okoli Zemlje in od tam izstrelila proti Luni. Ne pa tudi na Luno.

Raketa SLS namreč ne bo pristala na Mesecu. Preden bo proti njegovem površju poletel en sam astronavt, bo ključno vlogo pri pristanku odigrala zasebna korporacija SpaceX, kar pa sproža številne polemike.

Primerjava velikosti največjih ameriških raket: SLS, Starship ter Saturn V. Vir: impulso.space.

Vloga korporacije SpaceX

NASA je aprila 2021 izbrala podjetje SpaceX, da izdela tako imenovani pristajalni sistem za ljudi (Human Landing System, HLS), ki bo astronavte dejansko tudi ponesel na površje Meseca.

SpaceX za ta namen razvija raketo Starship. Ta je konceptualno podobna raketi SLS, vendar je veliko zmogljivejša. Sestavljata jo dve stopnji, pri čemer se prva imenuje Super Heavy, druga pa – Starship. Ob izstrelitvi je visoka 121 metrov, njena masa pa znaša med 5000 ter 5300 tonami. Sama druga stopnja Starship je dolga približno 50 metrov in ob izstrelitvi tehta do 1500 ton. Od tega na gorivo odpade približno 1200 ton. Obstajajo tri različice plovila Starship, skladišče, tanker ter HLS, vsaka od njih bo pri potovanju na Luno imela specifično vlogo.

Glede na načrte SpaceX-a se bo pred izstrelitvijo astronavtov moralo zgoditi naslednje:

Kot prva bo v nizkozemeljsko tirnico na višino med 300 in 400 kilometri izstreljena različica Starshipa imenovana “depot” oziroma skladišče, ki bo lahko shranjevala do 1200 ton goriva.
Sledile bodo izstrelitve druge različice Starshipa, imenovane tanker. Vsaka od teh bo skladišče oskrbela z med 100 in 150 tonami goriva, kar pomeni, da bo potrebnih med 8 in 12 uspešnih izstrelitev. Nekateri viri govorijo o 16 in vse do 20 izstrelitvah in sicer zaradi morebitnega uhajanja goriva, vendar uradnih številk o tem zaenkrat še ni.
Ko bo skladišče polno, bo proti njemu poletela še zadnja različica Starshipa, HLS. Ta bo prevzela vse gorivo in se nato podala na pot proti Luni.

HLS bo pričakala plovilo Orion v posebni tirnici imenovani Near Rectilinear Halo Orbit ( NHRO) tirnici okrog Lune. Ob srečanju se bosta obe plovili spojili in dva od astronavtov se bosta preselila v HLS. To ogromno plovilo bo nato dejansko tudi pristalo na Mesecu. Za primerjavo, lunarni modul programa Apollo je v višino meril borih sedem metrov, kar je sedemkrat manj od HLS-ja. Če so se Apollovi astronavti z lunarnega modula na površje Lune spustili po lestvi, pa je za HLS predvideno posebno, 20 do 30 metrov visoko dvigalo. Astronavta odprave Artemis bosta na površju Lune preživela teden dni, preden bosta na krovu HLS-ja poletela proti Orion-u. Obe plovili se bosta spojili še enkrat, astronavte pa bo proti Zemlji ponesel Orion.

Trije pristajalni moduli: Apollo, Blue Origin in Starship. Vir: NASA.

Ravno dejstvo, da bo za uspeh odprave potrebnih med 10 in 14 uspešnih izstrelitev ter med 9 in 13 prenosov goriva med plovili, je povezano z izjemnim tveganjem. Do sedaj še nihče ni poskusil pretočiti nekaj sto ton goriva med dvema ploviloma v vesolju. Realističnih ocen za verjetnost za uspeh vsakega posameznega transferja nista objavila niti NASA niti SpaceX. Toda, če poenostavljeno predpostavimo 99 odstotno zanesljivost, potem je verjetnost, da bodo uspešni vsi potrebni transferji, med 87 % ter 90 %.

Razlog, da je pretakanje goriva v vesolju tako tvegano je posledica dejstva, da bo HLS kot gorivo uporabljal tekoči metan ter tekoči kisik, ki morata biti shranjena pri temperaturah -161°C oziroma -183°C. Poleg uhajanja goriva obstaja tudi možnost resnih tehničnih okvar med postopkom pretakanja, v najslabšem primeru celo eksplozija. Tudi če se ta med celotnim procesom zgodi le enkrat, bi to pomenilo katastrofo ter neuspeh odprave. Eksplozije bi tudi ustvarile oblak razbitin, ki bi močno onesnažil nizkozemeljske tirnice.

Poudariti moramo, da obstaja tudi precejšnja nezanesljivost glede samih izstrelitev plovil Starship. Doslej SpaceX-u uspela le ena sama delno uspešna izstrelitev te rakete in sicer šele 22. maja letos.

Na prvi pogled se načrtovana zasnova zdi nepotrebno zapletena. Vendar moramo razumeti, da je HLS ogromen pristajalni modul za večkratno uporabo, ki za pristanek na Mesecu in ponovni vzlet potrebuje velike količine goriva. Oskrba v Zemljini tirnici je tako osrednji element celotnega koncepta. Če bo SpaceX-u uspelo razviti zanesljiv sistem orbitalnega pretakanja goriva, bi takšen pristop lahko bistveno zmanjšal stroške prihodnjih odprav ter omogočil dostavo precej večjih količin tovora na Lunino površje.

Starship je največja raketa, kar jih je bilo kdaj zgrajenih. Za primerjavo, Ariane 6, ponos Evropske vesoljske agencije, v višino meri le 62 metrov, ob izstrelitvi tehta 900 ton, v nizkozemeljsko tirnico pa lahko ponese manj kot 22 ton tovora. Kitajska Long March 5 je še manjša, 57 metrov visoka, 870 ton težka raketa, ki lahko v vesolje ponese 25 ton koristnega tovora. Zelo podobne lastnosti ima ruska Angara A5.V preteklosti je Sovjetska zveza sicer zgradila raketo N1, ki je bila le nekoliko manjša od Starshipa, ki pa ni nikoli uspešno poletela.

Čemu ogromen HLS

HLS je v orjaška plovilo, katerega zmogljivosti močno presegajo zahteve njegove prve naloge – pristanek dveh astronavtov na Luni ter njuno enotedensko bivanje na njenem površju. Razlog za velikosti leži v dolgoročnih načrtih, ki jih zanj predvidevata NASA in SpaceX.

Sčasoma naj bi bil HLS sposoben na Luno prepeljati štiri astronavte, ki bi tam lahko bivali tudi do enega meseca. Takšne odprave seveda zahtevajo bistveno več življenjskega prostora, zalog in opreme. NASA poleg tega načrtuje razvoj tovornih različic HLS-ja, namenjenih dostavi večjih bremen, kot so roverji, znanstvena oprema, energetski sistemi in bivalni moduli. Vse to bo nujno za izgradnjo in delovanje prihodnje lunarne baze.

NASA sicer ne stavi zgolj na eno rešitev. Od leta 2023 financira tudi razvoj drugega lunarnega pristajalnega sistema, imenovanega Blue Moon. Tega je predlagal konzorcij podjetij pod vodstvom Blue Origin-a, med pomembnejšimi partnerji pa sta Lockheed Martin in Boeing.

Blue Moon bo visok približno 15, širok pa sedem metrov. Čeprav je bistveno manjši od HLS-ja, je še vedno precej večji od lunarnega modula programa Apollo. Po načrtih naj bi lahko na njem dva astronavta bivala do enega meseca, prvič pa naj bi poletel med odpravo Artemis V leta 2029.

Tudi Blue Moon bo za pot na Luno potreboval oskrbo z gorivom v Zemljini tirnici. V vesolje ga bo predvidoma ponesla raketa New Glenn. Ker je Blue Moon precej manjši od HLS-ja, bo za njegovo oskrbo potrebnih bistveno manj izstrelitev, kar bi lahko povečalo verjetnost za uspeh odprave.

Near Rectilinear Halo Orbit (NHRO) je poseben tip tirnice okrog manjšega telesa v dvojnem sistemu, kot sta Luna in Zemlja. Za razliko od običajnih tirnic okoli enega samega nebesnega telesa NHRO ne leži v eni ravnini, temveč spada med tako imenovane halo tirnice, katerih oblika je posledica skupnega gravitacijskega vpliva Zemlje in Lune. Izraz rectilinear (premočrtna) se nanaša na dejstvo, da nekateri deli tirnice, gledani z Luninega površja, izgledajo kot ravne črte. Tirnica, po kateri bo krožil HLS, bo zelo podolgovata: v periluniju bo od Luninega površja oddaljena približno 3000 kilometrov, v apoluniju pa skoraj 70.000 kilometrov.Razlogov, zakaj je NASA izbrala to namesto nizkolunarnih tirnic je več. Takšna tirnica je zelo stabilna in omogoča dolgotrajno bivanje vesoljskih plovil ob razmeroma majhni porabi goriva. Poleg ima plovilo skoraj neprekinjen pogled na Zemljo, kar močno olajša telekomunikacije. NRHO poteka nad Luninim južnim tečajem, kjer bodo pristajale odprave programa Artemis.

Kraj pristanka

Glede na uradne cilje ameriške vesoljske agencije NASA, naj bi se astronavti po Luni ponovno sprehajali že prihodnje leto. Ta agencija je leta 2024 objavila seznam devetih območij na Luninem južnem tečaju, ki bi bila idealna za pristanek odprave Artemis III.

Devet izbranih območij pristanka odprav Artemis. Vir: NASA.

Razlogov, zakaj se NASA ogreva za Lunin južni tečaj, je več. Najpomembnejši med njimi je prisotnost vodnega ledu. Ta se nahaja v trajno zasenčenih udarnih kraterjih, kot so Cabeus, Haworth, Shoemaker in Faustini in bi lahko v prihodnosti predstavljal pomemben vir pitne vode, kisika in celo raketnega goriva.

Takšni pogoji so posledica posebne topografije južnega pola ter dejstva, da je nagib vrtilne osi Lune glede na ravnino njene orbite zelo majhen. Južni pol leži znotraj ogromne kotanje Aitken, enega največjih udarnih bazenov v Osončju. V njej najdemo najnižjo točko Luninega površja, ki leži približno devet kilometrov pod referenčno višino, medtem ko se ob robovih kotanje nahajajo nekateri najvišji vrhovi na Luni, ki segajo do 8.5 kilometrov visoko.

Prav na teh višjeležečih območjih najdemo kraje, ki so skoraj neprekinjeno obsijani s Soncem. To so tako imenovani vrhovi večne svetlobe, o katerih so znanstveniki prvič poročali leta 2000. Takrat so odkrili peščico grebenov v neposredni bližini južnega tečaja, ki so jih primerjali z majhnimi, le nekaj sto metrov dolgimi otoki svetlobe sredi morja večne teme. Pozneje so jim dodali še robove nekaterih kraterjev, kot sta Malapert ter Shackleton. Ti “otoki” so med enim Luninim letom osvetljeni do 95 % časa, zaradi česar so idealni za postavitev sončnih elektrarn. Območje Mons Malapert ima še eno pomembno prednost in sicer da je Zemlja tam praktično ves čas nad obzorjem, kar bo močno poenostavilo komunikacijo z našim planetom.

Referenčno površje Lune, ki ima po definiciji referenčna višina 0 na Luni definirana kot krogelna lupina katere središče sovpada z Luninim masnim središčem oziroma baricentrom in katere polmer je enak povprečnemu Mesečevemu polmeru ki znaša 1737,4 kilometrov.

Za primerjavo, posadke programa Apollo so pristajale v bližini Luninega ekvatorja. Tam sončni dan traja približno 14 zemeljskih dni, nato pa sledi prav toliko dolga noč. Ker so bile odprave Apollo kratkotrajne, so bile načrtovane tako, da so astronavti pristali kmalu po sončnem vzhodu in površje zapustili precej pred nastopom lunarne noči. S tem so se izognili ekstremno nizkim temperaturam in težavam, povezanim z dolgotrajnim zagotavljanjem energije. Poleg tega je bila Zemlja na teh območjih ves čas nad obzorjem, kar je omogočalo neposredno komunikacijo in televizijske prenose z Lunine površine.

Torej – kraji pristanka programa Apollo so bili izbrani predvsem zaradi varnejše in enostavnejše izvedbe odprave, medtem ko NASA pri programu Artemis išče območja, ki bi lahko nekoč omogočila trajnejšo človeško prisotnost na Luni.

Bomo na Luni že naslednje leto?

Glede izvedljivosti odprave Artemis III leta 2027 se seveda upravičeno porajajo dvomi. SpaceX mora dokazati več ključnih tehnologij:

da lahko zanesljivo izstreli raketo Starship,
da lahko v Zemljini tirnici izvede več zaporednih pretakanj goriva
ter da HLS lahko varno pristane na Luninem površju ter z njega tudi vzleti.

Zadnja naloga bo predstavljala še poseben izziv. HLS namreč meri približno 50 metrov v višino, v širino pa le devet. Takšna zasnova nima precedensa v zgodovini lunarnih pristankov, zaradi česar SpaceX čakajo obsežna testiranja.

Pogosto se pojavljajo primerjave s kitajskim lunarnim programom. Ta država razvija raketo Long March 10 in napoveduje pristanek tajkonavtov na Luni pred letom 2030. Vendar je tudi njihov program še vedno v razvojni fazi. Poleg rakete mora Kitajska razviti in preizkusiti še pristajalni modul ter celotno potrebno infrastrukturo.

Poleg tega bo po velikosti Long March 10 zaostajala tako za SLS-jem kot za Saturnom V. Konceptualno bo bližje slednjemu, saj gre za tristopenjsko raketo z majhno tretjo stopnjo v kateri se nahaja plovilo z astronavti. Tako bo Kitajske najverjetneje le ponovila dosežek programa Apollo.

Je pristop SpaceX-a zgrešen?

Vidimo, da bi NASA verjetno že lahko poslala astronavte na Luno če bi bil njen edini cilj ponoviti dosežek programa Apollo. Toda cilji programa Artemis so bistveno drugačni. Velik del današnjega »cirkusa« okoli Lune je dejansko v veliki meri namenjen preizkušanju tehnoloških rešitev, ki bi nekoč lahko omogočile mnogo ambicioznejše odprave na Mars.

Pri tem bodo NASA, SpaceX in drugi partnerji skoraj zagotovo doživeli še marsikateri neuspeh. Toda zgodovina raziskovanja vesolja je polna programov, ki uspeli šele po številnih spodrsljajih. V šestdesetih letih je NASA razvila program Ranger, katerega namen je bil fotografiranje Luninega površja od blizu. Od prvih devetih odprav jih je bilo kar šest neuspešnih. Neuspešni sta bili tudi dve odpravi programa Surveyor, težave pa niso zaobšle niti programa Apollo. Pozneje sta svet pretresli nesreči vesoljskih čolničkov Challenger in Columbia.

Navsezadnje bi lahko rekli, da je bil ves program vesoljskih čolničkov polomija, saj je NASA ameriškemu kongresu obljubila, da bo strošek posameznega poleta znašal med 10 in 20 milijoni USD, medtem ko se je v resnici ta številka povzpela do skoraj 800 milijonov USD.

Zdi se, da so pri tako kompleksnih projektih, kot je Artemis, neuspehi neizogiben del razvojnega procesa. To seveda ne pomeni, da bo program uspešen ali da so vse odločitve NASE in SpaceX-a pravilne. Pomeni pa, da sama zahtevnost projekta še ni dokaz, da je ta zgrešen. Alternativa je navsezadnje le ena: zadovoljiti se z dosedanjimi dosežki in se odpovedati poskusom, da bi nekoč stopili korak dlje.

Dodatna čtiva za najbolj radovedne

Artemis IV, NASA. (slika 1)
NASA Provides Update on Artemis III Moon Landing Regions, NASA. (slika 2)
Why artemis will focus on the lunar south polar region, NASA.
Peak of eternal light, Wikipedia.
NASA’s LRO: Lunar Ice Deposits are Widespread, NASA. (Slika 3)
Kruijff, M. (2000). The Peaks of Eternal Light on the Lunar South Pole: How they were found and what they look like, 4th International Conference on Exploration and Utilization of the Moon (ICEUM4), ESA/ESTEC, SP-462, September.
N. E. Petro and D. P. Moriarty III. Mons Malapert: a site in support of exploration of the lunar south pole and earth observations. Lunar Surface Science Workshop 2021 (LPI Contrib. No. 2241).
Basilevsky, A.T., Krasilnikov, S.S., Ivanov, M.A. et al. Potential Lunar Base on Mons Malapert: Topographic, Geologic and Trafficability Considerations. Sol Syst Res 53, 383–398 (2019). https://doi.org/10.1134/S0038094619050022
Apollo Lunar Module, Wikipedia.
Space Launch System, Wikipedia.
SpaceX Starship (spacecraft), Wikipedia.
Orbital Refueling of the Starship Architecture: Operational Mechanics, Feasibility Analysis, and Strategic Timeline, New Space Economy.
SpaceX Completes Mostly Successful Starship Rocket Flight, The New York Times.
Angara A5, Orbit Codex.
Human Landing Systems, NASA.
How SpaceX’s IPO ambitions ride on Starship’s path to Mars, Financial Times.
What’s actually new about NASA’s Artemis missions?, The Planetary Society.
Mars & Beyond, SpaceX.
Ranger program, Wikipedia.
Surveyor program, Wikipedia.
Space Shuttle, the World’s First Reusable Spacecraft, The Planetary Society.
China’s crewed lunar programme eyes astronaut landing by 2030, Reuters.
China’s lunar exploration program advances via successful tests of new rocket, spaceship, CHINA SCIO.
New Glenn, Blue Origin.