Dziś następny post z cyklu „jakimś cudem dolecieliśmy w okolice Marsa i jak tu teraz wyhamować?”. Jak dotąd rozważaliśmy dwa sposoby – jeden z nich to wykorzystanie aerodynamicznych właściwości atmosfery Marsa (hamowanie osłoną termiczną i spadochronami) a drugi to hamowanie silnikami. Oba te rozwiązania mają wady i zalety – największym problemem Marsa jest jego rzadka atmosfera – jest jej na tyle mało że nie da się jej użyć do porządnego wyhamowania pojazdu a na tyle dużo że trzeba brać ją pod uwagę przy lądowaniu. Dlatego dotychczasowe idee lądowania na Marsie próbują połączyć te dwa rozwiązania – wstępne hamowanie z wykorzystaniem aerodynamicznego hamowania w atmosferze + końcowe za pomocą silników rakietowych. Problemem staje się wtedy takie zaprojektowanie pojazdu by z jednej strony był chroniony ablacyjną tarczą a z drugiej miał jak użyć tych silników. W czasie ostatniego lądowania marsjańskiego łazika (Curiosity) użyto trzech technik – wstępnego hamowania za pomocą tarczy ablacyjnej, następnie dalszego hamowania za pomocą spadochronów (w tym czasie pozbyto się tarczy odsłaniając silniki) i końcowego hamowania silnikami po pozbyciu się całości osłony termicznej. Pozbycie się osłony termicznej zmniejsza znacząco masę a co za tym idzie ilość paliwa niezbędną do końcowego hamowania; użycie spadochronu ułatwia pozbycie się osłony aerodynamicznej. Jednak w przypadku pojazdu który ma być wielokrotnego użycia, pozbywanie się czegoś po drodze nie wchodzi w rachubę. Dlatego myśli się o rozwiązaniach spełniających wiele ról – np. tarczy ablacyjnej która była by jednocześnie nogami do lądowania.
Jednak istnieje inne rozwiązanie hamowania w atmosferze, które choć jest nadal na etapie wstępnych testów, ma szanse zrewolucjonizować hamowanie statków kosmicznych przy planetach posiadających atmosferę. Tym rozwiązaniem jest właśnie „spadochron plazmowy”. Jego zasada działania troszkę przypomina prawdziwy spadochron, jednak zamiast kawałka tkaniny powodującego aerodynamiczne zawirowania atmosfery używana jest plazma.
Idea spadochronu plazmowego jest relatywnie prosta – we wnętrzu tego urządzenia produkowana jest niskotemperaturowa plazma za pomocą kombinacji cewek. Przy poruszaniu się z dużymi prędkościami przez atmosferę do tej plazmy wpadają atomy atmosfery i następuje wymiana ładunku. Wylatujące z dużą prędkością zjonizowane cząsteczki atmosfery powodują powstanie pola magnetycznego. A to oddziałuje na trzecią z cewek systemu produkującą własne pole magnetyczne o przeciwnym kierunku. W ten sposób następuje hamowanie.
Okazuje się że przy zastosowaniu tego rodzaju hamowania można się zupełnie pozbyć osłony termicznej dla pojazdu lądującego na Marsie. A to oznacza pozbycie się ponad 30 ton ładunku. Te 30 ton dolatujące na Marsa przekłada się na niecałe 200 ton które trzeba wystrzelić z Ziemi (zakładając wersję jaką planuje NASA; w wersji MIT to znacznie mniej, choć nadal sporo). A to dwa loty SLS’a = ze dwa miliardy $ oszczędności.
Drugą zaletą takiego rozwiązania jest podzielenie lądowania na Marsie na dwa etapy – w klasycznym rozwiązaniu jak już wejdziemy w atmosferę Marsa to nie ma odwrotu i trzeba lądować. W przypadku użycia plazmowego spadochronu pierwszym etapem jest wyhamowanie pojazdu przez wielokrotne przelecenie wokół Marsa (hamując trochę za każdym razem) aż do osiągnięcia prawie kołowej, niskiej orbity. I dopiero wtedy można podjąć decyzję o tym czy lądujemy, czy jednak wracamy na Ziemię (ilość paliwa niezbędna do lądowania na Marsie i do powrotu na Ziemię z niskiej orbity Marsa jest mniej-więcej taka sama).
Spadochron plazmowy niestety jest nadal na etapie wczesnych testów – prawdziwy test tego rozwiązania (wyhamowanie cube-sat’a z niskiej orbity Ziemi) planowany jest na 2017 rok. Do tego istnieje kilka dodatkowych problemów jakie należy rozwiązać – żeby hamowanie było efektywne, potrzebne są dość mocne pola magnetyczne. A to oznacza albo spore potrzeby energetyczne, albo użycie nadprzewodników (które nie za bardzo lubią silnych pól magnetycznych + trzeba je jakoś chronić przed plazmą).
Dodatkową zaletą użycia spadochronu plazmowego zamiast tradycyjnych technik lądowania na Marsie jest możliwość skrócenia czasu lotu. Obecne trajektorie są dobierane tak by znaleźć optimum pomiędzy ilością energii jaką trzeba użyć, czasem lotu oraz prędkością wejścia w atmosferę Marsa. Skuteczność spadochronu plazmowego rośnie wraz z prędkością – można znaleźć trajektorie które przy niewiele większym zużyciu energii znacząco skrócą czas przelotu na Marsa – nawet dwukrotnie.
Ciekawe jak użycie takiego sposobu hamowania wpływa na optymalny sposób dotarcia na Marsa policzony przez MIT? Wiele z parametrów się drastycznie zmienia – począwszy od masy którą trzeba dostarczyć w okolice Marsa a skończywszy na ilości paliwa jakie trzeba spalić niedaleko Ziemi.
