Zanim choćby jeden astronauta postawi stopę na Księżycu w ramach obecnego planu Artemis NASA, architektura misji zakłada co najmniej 15 osobnych startów rakiet – i to wyłącznie po to, by zatankować lądownik księżycowy czekający na orbicie. Ta liczba rzadko pojawia się w skrócie z transmisji startu, ale mówi więcej o tym, jak trudna naprawdę jest ta podróż powrotna, niż jakiekolwiek ujęcie startującej rakiety.
Artemis to kampania NASA mająca ponownie wysłać astronautów na Księżyc, zamykając lukę trwającą od 1972 roku, przy czym agencja planuje, by w skład załogi weszła pierwsza kobieta, która postawi stopę na powierzchni Księżyca. Powrót tam, ponad pięć dekad później, okazał się o wiele większą inżynierską układanką, niż były kiedykolwiek oryginalne lądowania na Księżycu.
Elementy tej układanki obejmują nową rakietę, kapsułę mającą już za sobą godziny lotu oraz niewielką stację kosmiczną zbudowaną tak, by większość swojego istnienia spędzać bez nikogo na pokładzie. Razem tłumaczą one, dlaczego "powrót na Księżyc" to znacznie bardziej skomplikowane zdanie, niż się wydaje.
Pięćdziesiąt lat co do dnia
Kiedy kapsuła Artemis I w końcu wodowała, data nie była przypadkowa: wodowała dokładnie 50 lat co do dnia po misji Apollo 17, ostatniej, która wysłała załogę na powierzchnię Księżyca. NASA nie musiała jednak sięgać aż tak daleko wstecz po sprzęt sprawdzony w locie. Orion, kapsuła stanowiąca serce Artemis, odbyła lot w kosmos już wcześniej – w grudniu 2014 roku, na innej rakiecie, wyłącznie po to, by sprawdzić, czy jej osłona termiczna przetrwa powrót z głębokiego kosmosu.
Ta różnica między kapsułą mającą przewagę czasową a rakietą, której do gotowości brakowało jeszcze lat, pokazuje, skąd naprawdę brała się większość opóźnień w programie Artemis. Orion był technologią w dużej mierze sprawdzoną; pojazd, który miał go nieść, taki nie był.
Rakieta, właz ratunkowy i kapsuła z doświadczeniem
Rakieta, która ostatecznie wyniosła Oriona ze stanowiska startowego, to Space Launch System, a jej pierwszy stopień opiera się na sprzęcie, któremu NASA już ufała: czterech silnikach RS-25, tej samej rodzinie silników, która przez trzy dekady napędzała flotę wahadłowców.
Na papierze SLS to najpotężniejsza rakieta, jaką kiedykolwiek dopuszczono do przewozu załogi ludzkiej – przy starcie generuje 39 meganiutonów ciągu, więcej niż jakikolwiek inny załogowy pojazd nośny w historii. Sam ciąg to jednak nie wszystko. Jeśli uwzględnić, ile masy rakieta może faktycznie wysłać w stronę Księżyca, SLS dostarcza na trajektorii księżycowej około 27 ton metrycznych – zaledwie połowę tego, co mógł unieść Saturn V z epoki Apollo z ładunkiem 48,6 tony metrycznej. Większy silnik nie oznacza automatycznie większego ładunku.
Zanim ta moc zostanie wykorzystana w locie załogowym, NASA testuje najpierw plan ucieczki. Test Ascent Abort-2 zaprojektowano wokół jednego konkretnego najgorszego scenariusza: czy system ratunkowy Oriona jest w stanie oddalić kapsułę wraz z załogą od SLS, gdyby coś zawiodło w momencie wznoszenia, kiedy statek kosmiczny doświadcza największych obciążeń aerodynamicznych.
Stacja kosmiczna zbudowana, by latać pusta
Gdy Orion dotrze do przestrzeni okołoksiężycowej, plan zakłada dokowanie do Gateway – stacji, która ma stać się pierwszym międzynarodowym posterunkiem zbudowanym kiedykolwiek na orbicie wokół Księżyca.
Gateway będzie skromna jak na standardy orbitalnego posterunku – ma około 20 metrów długości, wobec około 50 metrów Międzynarodowej Stacji Kosmicznej – mimo to zaprojektowano ją tak, by załoga mogła przebywać na jej pokładzie przez okresy do trzech miesięcy.
Przez większość czasu nikogo tam jednak nie będzie. Własna trasa Gateway wokół Księżyca umieszcza ją około 1 000 razy dalej od Ziemi niż stację na niskiej orbicie okołoziemskiej, a posterunek jest projektowany tak, by móc działać bez obsługi przez długie okresy, w tym samodzielnie dbać o własne utrzymanie za pomocą systemów robotycznych, czekając na przybycie kolejnej załogi.
Sześciodniowa pętla, a nie okrąg
Gateway nie będzie też po prostu okrążać Księżyca. Jej planowana orbita halo to wydłużona, sześcioipółdniowa elipsa, która zbliża się na odległość zaledwie 7000 km od powierzchni Księżyca, po czym oddala się z powrotem na około 70 000 km w głęboki kosmos.
Ten nietypowy kształt rozwiązuje realny problem: większości rakiet po prostu brakuje mocy, by polecieć prosto z Ziemi na powierzchnię Księżyca i z powrotem w jednej podróży. Gateway ma zamiast tego działać jako punkt przesiadkowy – najpierw dotrzeć do stacji, a potem wykonać osobny, mniejszy skok w dół na powierzchnię i z powrotem.
Pierwsze dwa moduły, które mają utworzyć stację, to moduł zasilania i napędu NASA oraz moduł mieszkalny o nazwie HALO, który ma też nieść przekaźnik komunikacyjny o nazwie Lunar Link oraz parę europejskich instrumentów zbudowanych do monitorowania promieniowania.
Dlaczego jedno lądowanie na Księżycu wymaga 15 startów
Wspomniana na wstępie liczba piętnastu startów wynika ze sposobu, w jaki obecny lądownik księżycowy uzupełnia paliwo. Zamiast startować już w pełni zatankowany, lądownik zaprojektowano tak, by uzupełniać paliwo po dotarciu na orbitę, co oznacza, że osobna rakieta-tankowiec musi wielokrotnie startować, dokować się i przekazywać paliwo, zanim jakakolwiek załoga wejdzie na pokład. Co najmniej 15 z tych startów jest potrzebnych tylko po to, by zatankować lądownik na potrzeby jednej załogowej próby lądowania, przez co samo zejście na powierzchnię wygląda niemal prosto w porównaniu z tym wszystkim, co musi się wydarzyć wcześniej na orbicie.
Partnerzy i ceny
Nic z tego nie jest tanie i nic z tego nie powstaje dzięki samej tylko NASA. Szacuje się, że programy związane z Artemis będą kosztować około 93 miliardów dolarów w latach budżetowych od 2012 do 2025, przy czym każdy z pierwszych startów Artemis wyceniono na około 4,1 miliarda dolarów.
Aby rozłożyć zarówno koszty, jak i obciążenie pracą, NASA podpisała niewiążące Porozumienia Artemis, które określają zasady pokojowej współpracy w kosmosie; wśród sygnatariuszy są Kanada i Japonia, a łącznie uczestniczy w nich co najmniej 18 innych krajów. Załoga Artemis II bezpośrednio odzwierciedla to partnerstwo, lecąc razem jako jeden z jak dotąd najbardziej widocznych międzynarodowych efektów programu.
Czego dwadzieścia lat na ISS nauczyło NASA
Duża część pewności stojącej za Artemis wywodzi się z dużo bliższego laboratorium. NASA zaznacza, że podróż na Księżyc obejmuje mniej więcej 1 000 razy większy dystans niż podróż na stację na niskiej orbicie okołoziemskiej – skok, który sprawia, że każdy margines w podtrzymywaniu życia i nawigacji staje się znacznie mniej wybaczający.
To doświadczenie to nie tylko wzrost pewności siebie – bezpośrednio przekształciło ono plany dotyczące sprzętu. Niemal 20 lat nieprzerwanej pracy systemów podtrzymywania życia na pokładzie stacji kosmicznej pozwoliło inżynierom przeprojektować systemy planowane dla przyszłych misji na Marsa, uzyskując 36% redukcję masy – wagę, którą w innym wypadku trzeba by wysyłać w kosmos przy ogromnych kosztach.