¿Cuáles son los desafíos más difíciles que enfrentará SpaceX para llevar astronautas a Marte alrededor de 2025?

Dado que no ha habido respuestas en más de una semana, aventuraré una respuesta parcial .

Por supuesto, hay varios desafíos. Entre ellos sin ningún orden en particular:

• Selección y entrenamiento de la tripulación.

  Reunir, evaluar y capacitar a la tripulación sería el primer desafío. Necesitan capacitarse juntos en réplicas precisas de los sistemas que se utilizarán en el futuro . Solo como comparación: astronautas para el tren ISS durante casi dos años. Los astronautas del Apolo se entrenaron durante al menos cinco años.

• Lugar de aterrizaje

  La selección del lugar de aterrizaje es un proceso difícil. Consulte, por ejemplo, un resumen del tercer taller sobre el lugar de aterrizaje de Marte 2020 realizado en Monrovia, CA, del 8 al 10 de febrero de 2017 para obtener un ejemplo de la NASA. Y eso es solo para rovers, no un sitio que permita el relanzamiento de una gran nave espacial.

• Trajes espaciales confiables para EVA y caminatas por Marte

  ¿Qué tipo de traje espacial van a usar? El que están construyendo ahora es el traje espacial "interior" para usar dentro de la nave espacial.

• Polvo, percloratos tóxicos

  En las misiones lunares, el regolito causó algunos problemas. Se adhirió a los trajes, ingresó al espacio habitable y causó mucho desgaste. Ver el artículo de Air and Space Más fuerte que la suciedad; Los exploradores lunares tendrán que luchar contra un enemigo insidioso: el polvo. para más. También se sabe que el regolito marciano contiene una cantidad sustancial de perclorato , una combinación tóxica y desagradable de cloro y oxígeno. El artículo de Space.com Toxic Mars: Astronauts Must Deal with Perchlorate on the Red Planet cubre esto muy bien, con una buena descripción general de los desafíos.

Endiabladamente peligroso

Los altos niveles de perclorato encontrados en Marte serían tóxicos para los humanos, dijo Smith.

“Cualquiera que esté diciendo que quiere ir a vivir a la superficie de Marte mejor que piense en la interacción del perclorato con el cuerpo humano”, advirtió. "Al medio por ciento, eso es una cantidad enorme. Las cantidades muy pequeñas se consideran tóxicas. Así que será mejor que tengas un plan para lidiar con los venenos en la superficie".

El valor de medio por ciento se menciona en el resumen del artículo de 2013 Perclorato en Marte: un peligro químico y un recurso para los humanos , mientras que un valor más bajo pero significativo de 0,6 g/kg se encuentra en el resumen del artículo de 2017 The relación nitrato/(per)clorato en Marte en un lugar diferente.

Las soluciones propuestas incluyen dejar los trajes EVA anclados en el exterior de la nave espacial/hábitat , aunque no está claro qué tan práctico podría ser, otra propuesta es un lavado de agua en la esclusa de aire.

• estación de servicio

  Si bien, en teoría, el proceso de Sabatier funcionará, primero tienen que investigarlo y desarrollarlo para una implementación práctica y confiable en Marte, porque actualmente nadie sabe cómo hacerlo realmente. Un aspecto que a menudo se pasa por alto en este sentido es que necesitará equipos de minería para llevar los reactivos a un estado adecuado para su procesamiento. La NASA tiene un proyecto de investigación sobre eso. Véase, por ejemplo, el resumen de SBIR Utilización de recursos in situ - Procesamiento químico de gas/atmósfera de Marte :

Las tecnologías de punta (SOA) para estos procesos ISRU no existen o son demasiado complejas, pesadas, ineficientes o consumen demasiada energía.

El Grupo de Análisis del Programa de Exploración de Marte parece ser una buena fuente de lectura adicional. Debería haber un análisis de riesgo para una misión a Marte allí, pero no pude localizarlo.

Como un aparte; Buzz Aldrin cree que el plan de SpaceX es inviable . Puede encontrar más información sobre esto en la página de introducción del curso de la Universidad de Purdue Proyecto Aldrin-Purdue, Misión a Marte . La página también enlaza con el video Project Aldrin-Purdue, Mission to Mars, muy bien producido, que incluye la discusión de Aldrin.

Espero haber podido al menos proporcionar un punto de partida y alentar a más personas a responder. Este es un tema muy interesante y en desarrollo y debería haber un lugar para recopilar información actual.

Si bien la respuesta de Mike está muy bien investigada y escrita. No estoy de acuerdo con sus desafíos (aunque no estoy de acuerdo con sus conclusiones).

En mi opinión, los mayores desafíos que SpaceX deberá resolver son.

1. Protección térmica de reentrada y tomas de tierra. Todavía está trabajando para dominar la voltereta de aterrizaje sin perder flujo de combustible. Pero también tiene que demostrar que el reingreso orbital se puede hacer de manera segura y repetida sin que el estrés por calor excesivo degrade o destruya la nave estelar. Sin ambos, no tiene un sistema de lanzamiento totalmente reutilizable, y sin la reutilización completa, nunca puede tener la cadencia y los bajos costos para respaldar los viajes interplanetarios baratos.

2. Reabastecimiento de combustible en el espacio Nunca se ha hecho en la escala que necesitan con los combustibles que utilizarán. Si no pueden dominar el reabastecimiento de combustible en el espacio, Starship nunca podrá llevar a nadie más allá de la órbita terrestre baja.

3. Sistemas de soporte vital a largo plazo Crew Dragon demuestra que puede crear un sistema de soporte vital seguro para los viajes espaciales. Pero tienen que demostrar que pueden crear un sistema que dure años sin fallar y que sea fácil de mantener y reparar cuando se encuentre a millones de kilómetros de la Tierra.

Estos tres primeros deberían ser problemas solucionables, la pregunta es si podrán resolverse para 2025 y eso parece muy especulativo. Los números 1 y 2 deben resolverse para el Sistema de aterrizaje humano que SpaceX proporcionará a la NASA para aterrizar en la luna. Espero que dominen los aterrizajes este año (2021) y comiencen a probar los reingresos orbitales a finales de año o en 2022. Eso les da dos años para dominar el reabastecimiento de combustible para las expediciones lunares en 2024.

Creo que el verdadero desafío para aterrizar humanos en 2025 es la necesidad de misiones de preparación/prueba.

4) Misiones de preparación para Marte Encontrar el lugar de aterrizaje correcto no es un problema real, hay muchos candidatos excelentes. Pero SpaceX necesitará enviar Robotic Starships para probar el aterrizaje en ellos, asegurarse de que no estén llenos de rocas o que sean demasiado irregulares. Pero la mecánica orbital (la posición relativa de Marte y la Tierra en un momento dado) significa que solo podemos viajar eficientemente a Marte cada dos años. Esto significa que SpaceX necesita lanzar misiones tripuladas a fines de 2024 para llegar a Marte en 2025, lo que requiere lanzar misiones robóticas a mediados de 2022. Eso parece una orden muy alta.

Pero más allá de probar los sitios de aterrizaje, el plan de SpaceX es aterrizar una buena cantidad de Cargo Starships repletas de suministros y equipos antes de enviar a sus primeros astronautas. Los Cargo Starships también requerirían su lanzamiento en 2022 para apoyar un aterrizaje humano en 2025, lo que requeriría combinar misiones de prueba/carga en los mismos lanzamientos. Eso es súper arriesgado, si los primeros sitios tienen malas características y hacen que muchos de los primeros no aterricen con éxito, no habrá suficientes suministros y equipos para enviar humanos de manera segura en 2025.

En cuanto a otros desafíos que la gente pueda pensar, estas son las razones por las que no los califico como de alto riesgo.

5. Radiación Los estudios de la NASA han estimado que un viaje de ida y vuelta de dos años a Marte solo produce un 4% más de riesgo de cáncer de por vida. Siempre que Starship tenga un refugio solar para tormentas para la tripulación a fin de evitar los períodos de radiación más peligrosos, el riesgo debería ser mínimo.

6. Regolito El riesgo de Regolito en la luna es que es un polvo afilado como una navaja porque nunca ha tenido ninguna meteorización ambiental. Eso no es cierto para Marte, su riesgo son los percloratos en el suelo y, como la radiación, este es un riesgo exagerado. No está en un nivel que sea directamente venenoso, pero si los astronautas rastrean continuamente el polvo de perclorato en sus hábitats, eventualmente sufrirán problemas de tiroides. La solución simple es el agua, que deja caer el perclorato en una solución segura. Rocíe a los astronautas antes de regresar a través de la esclusa de aire y rocíe los trajes nuevamente antes de guardarlos en armarios sellados.

Marte está plagado de agua en todas las latitudes. Si las herramientas con las que se envían resultan inadecuadas para extraer agua o derretir hielo, seguramente tendrán decenas, si no cientos, de toneladas de agua destilada en las naves estelares de carga en caché para cubrir las pérdidas fuera de los sistemas de soporte vital.

7. Capacitación de la tripulación Las naves estelares estarán altamente automatizadas, la capacitación principal debe ser sobre las herramientas y el equipo que se utilizará en Marte. Apolo necesitaba años de entrenamiento porque por primera vez iban a aterrizar en la superficie de otro mundo en un módulo de aterrizaje diminuto con muy poco margen de error. Cada riesgo potencial tenía que ser entrenado y tener una lista de verificación. A diferencia de Apollo, las misiones de Starship estarán equipadas con una gran cantidad de redundancias, suministros y equipos para hacer frente a situaciones imprevistas.

8. Generación de combustible in situ Una vez más, las Cargo Starships almacenadas en caché tendrán muchos equipos y herramientas para producir metano y LOX para los viajes de regreso. Si no funcionan, están a solo dos años de otra ronda de Cargo Starships con más suministros y herramientas y equipos actualizados diseñados directamente para resolver cualquier problema que obstaculice los primeros intentos. En última instancia, si el problema no se puede resolver, la solución es enviar Starship Tankers para reabastecerse de combustible en el mismo Marte. Este plan solo será un problema si hace que SpaceX tenga dificultades para reclutar personal calificado para las misiones, y no anticipo que eso sea cierto.

No pude entender las objeciones de Buzz Aldrin, aparte de que las estimaciones de costos de Elon están dirigidas a décadas de distancia cuando la cadencia de lanzamiento sea de al menos cientos por sínodo, y es posible que Crew Starships tenga 100 pasajeros en expediciones a Marte. También son altamente aspiracionales y no son necesarios para permitir las primeras misiones de exploración tripuladas.

Los lanzamientos de Starship deberían costar aproximadamente $ 20 millones cada uno cuando sean completamente reutilizables (basado en los costos parcialmente reutilizables de Falcon 9), lo que significaría que cada Starship enviado a Marte cuesta $ 160 millones para lanzamientos (suponiendo 7 lanzamientos de petroleros). La fabricación de un Falcon 9 completo cuesta menos de 60 millones de dólares , mientras que las Cargo Starships de tamaño similar (con 4 motores menos) deberían ser significativamente más baratas de construir con acero inoxidable. Crew Starships será más caro con sus sofisticados sistemas de soporte vital, pero SpaceX solo debería enviar un puñado por Sínodo al principio.

Conclusión: Estos primeros cuatro desafíos son problemas solucionables, la pregunta es si se podrán resolver para el 2025 y eso parece imposible. Espero que SpaceX domine los aterrizajes en 2021 y comience a probar las reentradas orbitales a finales de año o en 2022. Eso les da dos años para dominar el reabastecimiento de combustible para las expediciones lunares en 2024. Pero las primeras expediciones no pueden ser tripuladas. Entonces, el verdadero desafío para aterrizar humanos en 2025 es la necesidad de misiones de preparación del sitio/alijo de carga.

El resultado neto es que aterrizar humanos en 2025 parece imposible hoy. Creo que es mucho más factible aterrizar Starships robóticas en Marte para realizar pruebas en el sitio en 2025, aterrizar Cargo Starships en caché en 2027 y luego aterrizar humanos en 2029. Y cada una de estas fechas retrasará dos años si algo sale mal.