Elon Musk har aldrig varit en för att hålla sina långsiktiga planer för sig själv. Utöver utvecklingen av återanvändbara raketer, elbilar och revolutionerande solenergi, har han också varit ganska sprek om att etablera en koloni på Mars under sin livstid. Målet här är ingenting mindre än att säkerställa människors ras överlevnad genom att skapa en "backup-plats" och kräver en seriös planering och arkitektur.
Dessa och andra aspekter av Musks föreslagna uppdrag till Mars beskrevs i en uppsats med titeln "Making Humans a Multi-Planetetary Species", som publicerades i tidningen Juni 2017 av tidskriften Nytt utrymme. Uppsatsen är en sammanfattning av presentationen som han gjorde vid det 67: e årsmötet för den internationella astronautiska kongressen, som ägde rum 26–30 september 2016 i Guadalajara, Mexiko.
Uppsatsen producerades av Scott Hubbard, en konsultprofessor vid Stanford University och chefredaktör för NewSpace, och innehåller allt material och bilder från Musks ursprungliga presentation. Innehåller Musks tankar om hur koloniseringen av Mars skulle kunna åstadkommas under detta århundrade och vilka frågor som måste tas upp.
Dessa inkluderar kostnaderna för att skicka människor och nyttolaster till Mars, de tekniska detaljerna i raket och fordon som skulle göra resan, och möjliga kostnadsfördelningar och tidslinjer. Men naturligtvis tar han också upp de viktigaste filosofiska frågorna - "Varför gå?" och "Varför Mars?"
Att ta itu med den första frågan är en av de viktigaste aspekterna av rymdutforskningen. Kommer du ihåg John F. Kennedys ikoniska ”Vi väljer att gå till månen” talet? Långt ifrån att det bara var en avsiktsförklaring, var detta tal en motivering av Kennedy-administrationen för all den tid, energi och pengar som det åtog sig till Apollo-programmet. Som sådan betonade Kennedy tal framför allt varför målet var ett ädelt företag.
När man tittade på Mars slog Musk en liknande ton och betonade överlevnad och mänsklighetens behov av att expandera i rymden. Som han sade:
”Jag tror att det verkligen finns två grundläggande vägar. Historien kommer att delas upp i två riktningar. En väg är att vi stannar på jorden för evigt, och då kommer det att bli en eventuell utrotningshändelse. Jag har ingen omedelbar dommedagsprofeti, men så småningom, antyder historien, kommer det att finnas någon dommedagshändelse. Alternativet är att bli en rymdbärande civilisation och en mångplanetart, som jag hoppas att ni skulle komma överens om är rätt väg att gå. ”
När det gäller vad som gör Mars till det naturliga valet, var det lite mer en tuff försäljning. Visst har Mars många likheter med Jorden - varför den ofta kallas ”Jordens tvilling” - vilket gör det till ett lockande mål för vetenskaplig forskning. Men det har också några ganska starka skillnader som gör att långvariga vistelser på ytan verkar mindre än tilltalande. Så varför skulle det vara det naturliga valet?
Som Musk förklarar har närhet mycket att göra med det. Visst är Venus närmare Jorden, och kommer så nära 41 miljoner km (25.476.219 mi), jämfört med 56 miljoner km (3.4796.787 mi) med Mars. Men Venus fientliga miljö är väl dokumenterad och inkluderar en supertät atmosfär, temperaturer tillräckligt varma för att smälta bly och svavelsyraregn! Kviktsølv är för varmt och luftfritt, och jovianska månarna är mycket långt.
Detta ger oss bara två alternativ för den närmaste framtiden, vad gäller Musk. Den ena är månen, som troligen kommer att ha en permanent bosättning på den under de kommande åren. I själva verket, mellan ESA, NASA, Roscosmos och Chines National Space Administration, finns det ingen brist på planer för att bygga en månpost, som kommer att fungera som en efterföljare för ISS.
Men jämfört med Mars är den mindre resursrika, har ingen atmosfär och representerar en större övergång så långt som tyngdkraften (0,165) g jämfört med 0,376 g) och dagslängd (28 dagar kontra 24,5 timmar) är berörda. Här ligger den största anledningen att gå till Mars, vilket är det faktum att våra alternativ är begränsade och Mars är den mest jordliknande av alla kroppar som för närvarande är tillgängliga för oss.
Musk tar dessutom hänsyn till det faktum att kolonister skulle kunna starta den terraformande processen för att göra den ännu mer jordliknande över tiden. Som han säger (djärvt lagt till för betoning):
”Vi tror faktiskt att tidiga Mars liknade jorden. I själva verket, om vi kunde värma upp Mars, skulle vi återigen ha en tjock atmosfär och flytande hav. Mars är ungefär hälften så långt igen från solen som jorden är, så den har fortfarande anständigt solljus. Det är lite kallt, men vi kan värma det upp. Det har en mycket hjälpsam atmosfär, som, främst koldioxid med lite kväve och argon och några få andra spårämnen, gör att vi kan odla växter på Mars bara genom att komprimera atmosfären.
"Det skulle vara ganska roligt att vara på Mars eftersom du skulle ha en tyngdkraft som är ungefär 37% av jordens, så du skulle kunna lyfta tunga saker och binda dig runt. Dessutom är dagen anmärkningsvärt nära Jorden. Vi behöver bara ändra befolkningen eftersom vi för närvarande har sju miljarder människor på jorden och ingen på Mars. ”
Naturligtvis kan inget uppdrag förväntas ske utan det helt viktiga fordonet. För detta ändamål använde Musk det årliga IAC-mötet för att avslöja företagets planer för det interplanetära transportsystemet. En uppdaterad version av Mars Colonial Transporter (som Musk började prata om 2012), ITS kommer att bestå av två huvudkomponenter - en återanvändbar raketbooster och Interplanetary Spaceship.
Processen för att komma till Mars med dessa komponenter innebär några steg. Först startar raketförstärkaren och rymdskeppet tillsammans och rymdskeppet levereras i omloppsbana. Därefter, medan rymdskeppet antar en parkeringsbana, återgår boosteren till jorden för att laddas om med tankfartyget. Detta fordon har samma design som rymdskeppet, men innehåller drivmedelstankar istället för lastområden.
Tankfartyget lanseras sedan i bana med booster, där det kommer att rendezvous med rymdskeppet och tanka det för resan till Mars. Sammantaget kommer drivmedelstankfartyget att gå upp någonstans från tre till fem gånger för att fylla rymdskeppets tankar medan det är i omloppsbana. Musk uppskattar att väntetiden mellan rymdfarkostens lansering och återhämtningen av booster så småningom kan vara så låg som 20 minuter.
Denna process (om Musk får sin väg) skulle utvidgas till att omfatta flera rymdskepp som gör resan till och från Mars var 26: e månad (när Mars och Jorden är närmast varandra):
”Du skulle i slutändan ha upp till 1 000 eller fler rymdskepp som väntar i omloppsbana. Följaktligen skulle Mars Colonial flottan avgå en massa. Det är meningsfullt att ladda rymdskeppen i bana eftersom du har två år att göra det, och då kan du ofta använda booster och tankfartyg för att få riktigt tung återanvändning ur dessa. Med rymdskeppet får du mindre återanvändning eftersom du måste överväga hur länge det kommer att pågå - kanske 30 år, vilket kanske är 12–15 flygningar i rymdskeppet som mest. ”
När det gäller raketens struktur skulle den bestå av en avancerad yttre kolfiberomgivande omgivande bränsletankar, som skulle förlita sig på ett autogent trycksystem. Detta innebär att bränslet och syret förgasas genom värmeväxlare i motorn, som sedan skulle användas för att trycksätta tankarna. Detta är ett mycket enklare system än vad som för närvarande används för Falcon 9-raket.
Booster skulle använda 42 Raptor-motorer arrangerade i koncentriska ringar för att generera drivkraft. Med 21 motorer i den yttre ringen, 14 i den inre ringen och sju i ett centrumkluster, skulle boosteren ha ett uppskattat lyftkraft på 11 793 ton (13 000 ton) - 128 MegaNewtons - och ett vakuumkraft på 12 714 metriska ton (14 015 ton) eller 138 MN. Detta skulle göra det till det första rymdskeppet där raketens prestationsfält överstiger den fysiska storleken på raketen.
När det gäller rymdskeppet kräver konstruktionen en sektion under tryck högst upp med ett otryckssnitt under. Den trycksatta sektionen skulle rymma upp till 100 passagerare (trodde Musk hoppas att så småningom öka den kapaciteten till 200 personer per resa), medan allt bagage och gods som behövs för att bygga den Martiska kolonin skulle förvaras i det otryckliga avsnittet nedan.
När det gäller besättningsfacken själva visade Musk säker på hur tiden i dem inte skulle bli tråkig, eftersom transittiden är lång. ”Därför är besättningsutrymmet eller ockupationsfacket inrättat så att du kan göra noll-tyngdkraftsspel - du kan flyta runt,” sade han. ”Det kommer att finnas filmer, föreläsningssalar, stugor och en restaurang. Det blir riktigt roligt att gå. Du kommer att ha det kul! ”
Under båda dessa sektioner finns flytande syrebehållare, bränsletank och rymdskeppsmotorer. Motorerna, som skulle vara direkt fästa vid tryckkonen vid basen, skulle bestå av en yttre ring av tre havsnivåmotorer - som skulle generera 361 sekunder av specifik impuls (Isp) - och ett inre kluster av sex vakuummotorer som skulle generera 382s Isp.
Det yttre av rymdskeppet kommer också att vara utrustat med en värmeskärm, som kommer att bestå av samma material som SpaceX använder på sitt Dragon-rymdskepp. Detta är känt som en fenolimpregnerad kolablator (PICA), som SpaceX är på deras tredje version av. Totalt uppskattar Musk att det interplanetära rymdskeppet kommer att kunna transportera 450 ton last till Mars, beroende på hur många gånger tankfartyget kan fylla på fartyget.
Och beroende på Earth-Mars-mötet kan transittiden vara så lite som 80 dagar enväg (beräkna för en hastighet på 6 km / s). Men med tiden hoppas Musk minska det till bara 30 dagar, vilket skulle göra det möjligt att etablera en betydande befolkning på Mars på relativt kort tid. Som Musk antydde, det magiska antalet här i 1 miljon, vilket betyder antalet människor som det skulle ta för att upprätta en självbärande koloni på Mars.
Han medgav att detta skulle vara en stor utmaning och kunde så länge som ett sekel slutföra:
”Om du bara kan gå vartannat år och om du har 100 personer per fartyg är det 10 000 resor. Därför är minst 100 personer per resa rätt storleksordning och vi kan i slutändan utvidga besättningsavdelningen och i slutändan ta mer som 200 eller fler personer per flygning för att minska kostnaden per person. Emellertid är 10.000 flygningar en hel del flygningar, så i slutändan skulle du verkligen vilja i storleksordningen 1000 fartyg. Det skulle ta lite tid att bygga upp till 1 000 fartyg. Hur lång tid det skulle ta för att nå den miljon tröskelvärdet, från den punkt där det första fartyget går till Mars skulle antagligen vara någonstans mellan 20 och 50 sammanträde på Mars - så det skulle ta 40–100 år att uppnå ett fullständigt själv- upprätthålla civilisationen på Mars. ”
När ITS är redo att lanseras, kommer det att göra det från Launch Pad 39A vid Kennedy Space Center i Florida, som SpaceX för närvarande använder för att utföra Falcon 9-lanseringar från. Men naturligtvis är den mest skrämmande aspekten av någon koloniseringsinsats kostnad. För närvarande och med hjälp av nuvarande metoder är det helt enkelt inte överkomligt att skicka 1 miljon människor till Mars.
Med hjälp av Apollo-era-metoder som en beröringssten indikerade Musk att kostnaden för att gå till Mars skulle vara cirka 10 miljarder dollar per person - vilket härrör från det faktum att själva programmet kostade mellan 100 och 200 miljarder dollar (justera för inflation) och resulterade i 12 astronauter som sätter foten på månen. Naturligtvis är detta alltför högt för att skapa en självhushållande koloni med en befolkning på 1 miljon.
Som ett resultat hävdade Musk att kostnaden för att transportera människor till Mars måste minskas med hela 5 miljoner procent! Musks önskan att sänka kostnaderna för rymdlanseringar är välkänd, och det är just anledningen till att han grundade SpaceX och började utveckla återanvändbar teknologi. Men kostnaderna måste sänkas till den punkt där en biljett till Mars skulle kosta ungefär samma som ett medianhus - dvs 200 000 dollar - innan några resor till Mars skulle kunna hända.
Hur detta kan göras beskrivs flera strategier, av vilka många av musk och rymdbyråer som NASA redan aktivt bedriver. De inkluderar full återanvändbarhet, där alla steg i en raket och dess lastmodul (inte bara det första steget) måste vara återvinningsbara och återanvändbara. Tankning i Orbit är ett andra medel, vilket skulle innebära att rymdskeppet inte skulle behöva bära allt bränsle de behöver med sig från jorden.
Dessutom måste det finnas alternativet för drivmedelsproduktion på Mars, där rymdskeppet kan tanka på Mars för att åka tillbaka. Detta koncept har utforskats tidigare för mån- och marsuppdrag. Och i Mars 'fall skulle närvaron av atmosfärisk och fryst CO², och vatten i både jorden och de polära iskapslarna, innebära att metan, syre och vätebränsle alla kunde tillverkas.
Slutligen är det frågan om vilken drivmedel som är bäst. Som det nu finns finns det grundläggande val när det kommer till fotogen (raketbränsle), väte och metan. Alla dessa har vissa fördelar och kan tillverkas in situ på Mars. Men baserat på en kostnads-fördelningsfördelning hävdar Musk att metan skulle vara det mest kostnadseffektiva drivmedlet.
Som alltid tog Musk upp frågan om tidslinjer och nästa steg. Detta bestod av en översikt av SpaceX: s resultat under det senaste halvt decenniet, följt av en översikt över vad han hoppas se sitt företag göra under de kommande åren och decennierna.
Dessa inkluderar utvecklingen av det första interplanetära rymdskeppet på ungefär fyra år, som kommer att följas av suborbitala testflyg. Han antydde till och med hur rymdskeppet kunde ha kommersiella tillämpningar, som används för snabb transport av gods runt om i världen. När det gäller utvecklingen av boosteren, indikerade han att detta skulle vara en relativt enkel process eftersom det helt enkelt innebär att skala upp den befintliga Falcon 9-boosteren.
Utöver det uppskattade han att (förutsatt att allt går bra) en tioårig tidsram skulle räcka för att sätta ihop alla komponenterna så att det skulle fungera för att föra folk till Mars. Sist, men inte minst, gav han några glimt av vad som kunde åstadkommas med ITS bortom Mars. Som namnet antyder hoppas Musk att utföra uppdrag till en annan destination i solsystemet en dag.
Med tanke på möjligheterna för bränsleproduktion på plats (tack vare överflödet med isis), nämnades månarna från både Jupiter och Saturn som möjlig destination. Men bortom månar som Europa, Enceladus och Titan (som alla nämndes) anges även destinationer i det transneptuniska området i solsystemet som en möjlighet.
Med tanke på att Pluto också har ett överflöd av vattenis på ytan, hävdade Musk att ett tankställe skulle kunna byggas här för att serva uppdrag till Kuiper Belt och Oort Cloud. "Jag skulle inte rekommendera detta för interstellära resor," medgav han, "men detta grundläggande system - förutsatt att vi har tankstationer på vägen - betyder full tillgång till hela det större solsystemet."
Publiceringen av detta dokument, många månader efter att Musk presenterade detaljerna i sin plan vid det årliga IAC-mötet, har naturligtvis skapat både godkännande och skepsis. Även om det finns de som skulle ifrågasätta Musks tidslinjer och hans förmåga att leverera de förslag som finns inuti, ser andra det som ett avgörande steg i uppfyllandet av Musks långvariga önskan att se Mars-koloniseringen ske under detta århundrade.
För Scott Hubbard tjänar det som ett värdefullt bidrag till rymdutforskningens historia, något som kommande generationer kommer att kunna komma åt så att de kan kartlägga Mars-utforskningens historia - på samma sätt som NASA-arkivmaterial används för att studera historien av månlandningen. Som han påpekade:
”Enligt min uppfattning ger publicering av denna artikel inte bara en möjlighet för rymdfarande samhället att läsa SpaceX-visionen i tryck med alla diagram i sammanhang, utan fungerar också som en värdefull arkivreferens för framtida studier och planering. Mitt mål är att göra New Space till forum för publicering av nya utforskningskoncept - särskilt de som antyder en entreprenörsväg för människor som reser till djupa rymden. ”
Elon Musk är inte främling för att tänka stort och drömma stort. Och även om många av hans förslag i det förflutna inte skedde i den tidsram han ursprungligen specificerade, kan ingen tvivla på att han har levererat hittills. Det kommer att bli mycket spännande att se om han kan ta företaget han grundade för 15 år sedan för att främja utforskningen av Mars och använda det istället för att leda en koloniseringsinsats!
Uppdatering: Musk tweetade sitt tack till Hubbard för publiceringen och har visat att det är några "stora förändringar i planen som kommer snart."
Och se till att kolla in den här videon av Musks fulla tal vid IAC: s 67: e årsmöte, med tillstånd av SpaceX:
