Czy bardzo słabe przyspieszenie może zmienić orbitę odległego obiektu transneptunowego tak, aby doprowadzić go do zderzenia z Marsem? Takie pytanie postawili naukowcy z Pracowni Dynamiki Układu Słonecznego i Planetologii Centrum Badań Kosmicznych PAN, analizując jeden z bardziej ambitnych i spekulatywnych problemów współczesnej planetologii: możliwość dostarczania na Marsa substancji lotnych.
Jednym z warunków terraformowania Marsa byłoby znaczące zwiększenie masy jego atmosfery, na przykład poprzez dostarczenie dużych ilości wody, dwutlenku węgla, amoniaku oraz innych związków uczestniczących w długoterminowej przebudowie środowiska Czerwonej Planety. Naturalnym rezerwuarem takich substancji są m.in. zewnętrzne obszary Układu Słonecznego, w tym Pas Kuipera.
W opublikowanej pracy badacze z CBK PAN nie projektowali konkretnej misji kosmicznej ani konkretnego systemu napędowego. Celem było zbadanie dolnej granicy energetycznej takiego procesu: jak dużą skumulowaną zmianę prędkości, czyli ΔV, należałoby nadać ciału o średnicy 1 km, aby zmienić jego orbitę i doprowadzić je do zderzenia z Marsem. Nie jest to zatem projekt technologiczny ani propozycja realizacji terraformowania Marsa poprzez zderzenia z obiektami transneptunowymi. Jest to studium granic energetycznych i dynamicznych problemu astrodynamicznego.
W modelu przyjęto bardzo słabe, ale stale działające przyspieszenie sterujące, tzw. słaby ciąg, o wartości 4 × 10⁻¹⁰ km/s², czyli zaledwie 0,0004 mm/s². Następnie przebadano trzy klasy trajektorii.
Wariant 1: spirala
W pierwszym, najbardziej intuicyjnym wariancie przyśpieszenie działało w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu obiektu. Dzięki temu ciało stopniowo traciło energię orbitalną, jego orbita stawała się coraz mniejsza i przesuwała się ku wewnętrznym obszarom Układu Słonecznego. Scenariusz ten okazał się bardzo nieefektywny. Samo zejście w okolice orbity Marsa – czyli zmiana półosi wielkiej z 45 AU do 1,5 AU, przy początkowym mimośrodzie e = 0,2 – wymagało ok. 22,8 km/s skumulowanej zmiany prędkości i trwało ok. 1805 lat. Co istotne, nie była to jeszcze trajektoria zderzeniowa, lecz jedynie dotarcie do odpowiedniego zakresu odległości od Słońca.
Wariant 2: optymalizacja kierunku słabego ciągu
Znacznie efektywniejsze okazało się podejście, w którym słaby ciąg wykorzystywano nie do prostego wytracania prędkości orbitalnej (hamowania obiektu), lecz do zmiany kształtu i ustawienia jego orbity. Celem nie było proste ściągnięcie obiektu ku Słońcu, ale takie ustawienie geometrii orbity, aby jej łuk spotkał się z Marsem we właściwym miejscu w przestrzeni i czasie.
Strategia ta okazała się skuteczna. Słabe przyspieszenie działa szczególnie efektywnie w pobliżu aphelium, gdzie nawet niewielka siła jest w stanie znacząco zmienić geometrię orbity. Dzięki temu uzyskano trajektorie zderzeniowe z Marsem przy ΔV rzędu 2,5 km/s skracając czas transferu do ok. 380 lat.
Wariant 3: słaby ciąg i asysta grawitacyjna przy Neptunie
Trzeci scenariusz łączył słaby ciąg z asystą grawitacyjną. W tym przypadku Neptun pełnił rolę naturalnej „zwrotnicy” – przelot w pobliżu planety zmieniał kierunek i wartość heliocentrycznej prędkości obiektu pomagając skierować go ku wewnętrznym obszarom Układu Słonecznego.
W najbardziej korzystnym przypadku ΔV spadło do ok. 2,19 km/s, przy czasie transferu wynoszącym ok. 540 lat.
W obu ostatnich wariantach skale czasowe są oczywiście bardzo odległe od typowych misji kosmicznych. Wyniki pokazują jednak, że odpowiednio dobrane sterowanie może znacząco zmniejszyć zarówno wymagane ΔV jak i czas transferu w porównaniu ze spiralnym hamowaniem obiektu.
Praca pokazuje także, że trajektoria korzystna energetycznie nie zawsze musi być fizycznie sensowna. W jednym z analizowanych przypadków po asyście przy Neptunie obiekt zderzał się z Marsem dopiero po przejściu przez peryhelium położone zaledwie 0,032 AU od Słońca, czyli w odległości mniejszej niż 5 mln km. Dla ciała bogatego w substancje lotne oznaczałoby to ekstremalne nagrzanie, intensywną sublimację i bardzo prawdopodobny rozpad przed dotarciem do Marsa.
Publikacja nie rozstrzyga kwestii wykonalności terraformowania Marsa za pomocą zderzeń z ciałami pochodzącymi z odległych obszarów Układu Słonecznego. Pokazuje natomiast, że w sensie czysto astrodynamicznym uzyskanie trajektorii zderzeniowej może wymagać dostarczenia znacznie mniejszej energii, niż sugerowałby prosty scenariusz spiralnego sprowadzania obiektu ku Słońcu. Autorzy podają również konkretne oszacowania skali czasowej takiego procesu, wpisując wyniki w szerszy kontekst koncepcji dostarczania na Marsa substancji lotnych, dyskutowanych wcześniej m.in. przez Christophera McKay’a i Roberta Zubrina.
Znaczenie pracy wykracza jednak poza sam problem terraformowania Marsa. Według wiedzy autorów jest to pierwsza praca w CBK PAN i jedna z pierwszych w Polsce publikacji, w których przekierowywanie małych ciał Układu Słonecznego potraktowano jako pełnoprawny problem astrodynamiczny: z analizą słabego ciągu, asyst grawitacyjnych, geometrii spotkania oraz warunków zderzenia z planetą. Są to metody wykorzystywane w projektowaniu trajektorii misji międzyplanetarnych. W tym sensie publikacja ta otwiera w CBK PAN nowy kierunek badań: astrodynamikę misji kosmicznych.
Artykuł “Energetic Feasibility of Redirecting Trans-Neptunian Objects onto Mars-Impacting Orbits: Continuous Thrust and Gravity Assist Trajectories” został opublikowany w prestiżowym czasopiśmie Icarus, i jest dostępny pod linkiem: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103526002307
Autorami pracy są dr Ryszard Gabryszewski, prof. dr hab. Leszek Czechowski oraz Arkadiusz Hess, student astronomii Uniwersytetu Warszawskiego.
