مارس دايركت

في 20 يوليو 1989، أعلن الرئيس الأمريكي جورج بوش الأب عن خطط لما عُرف لاحقًا بمبادرة استكشاف الفضاء (SEI). وفي خطاب ألقاه على درج المتحف الوطني للطيران والفضاء، وصف خططًا طويلة الأجل ستتوج بإرسال مهمة مأهولة إلى سطح المريخ. ^{[ 2 ]}

بحلول ديسمبر 1990، خلصت دراسة لتقدير تكلفة المشروع إلى أن إجمالي الإنفاق طويل الأجل سيبلغ حوالي 450 مليار دولار موزعة على مدى 20 إلى 30 عامًا. ^{[ 3 ]} أثارت "دراسة التسعين يومًا"، كما عُرفت لاحقًا (وأيضًا "تقرير التسعين يومًا" من قِبل أشخاص مثل زوبرين)، رد فعل عدائي من الكونغرس تجاه معهد هندسة النظم (SEI) نظرًا لأنه كان سيتطلب أكبر إنفاق حكومي منفرد منذ الحرب العالمية الثانية . ^{[ 4 ]} في غضون عام، رُفضت جميع طلبات التمويل الخاصة بمعهد هندسة النظم.

تولى دان غولدين منصب مدير وكالة ناسا في الأول من أبريل عام 1992، متخلياً رسمياً عن خطط الاستكشاف البشري القريب المدى لما وراء مدار الأرض، مع التحول نحو استراتيجية "أسرع وأفضل وأرخص" للاستكشاف الروبوتي. ^{[ 5 ]}

أثناء عمله في شركة مارتن ماريتا لتصميم هياكل مهمات الفضاء بين الكواكب، لاحظ روبرت زوبرين خللاً جوهرياً في برنامج SEI. أدرك زوبرين أنه إذا كانت خطة ناسا هي الاستفادة الكاملة من أكبر عدد ممكن من التقنيات لدعم إرسال المهمة إلى المريخ، فإن ذلك سيصبح غير مقبول سياسياً. بكلماته الخاصة:

عكس الطريقة الصحيحة تماماً لممارسة الهندسة. ^{[ 4 ]}

تضمنت استراتيجية زوبرين البديلة لاستراتيجية مهمة "باتلستار غالاكتيكا" (التي أطلق عليها منتقدوها هذا الاسم نسبةً إلى مركبات الفضاء الكبيرة التي تعمل بالطاقة النووية والتي يُفترض أنها تُشبه مركبة الفضاء الخيالية التي تحمل الاسم نفسه ) إقامةً أطول على سطح المريخ، ومسار طيران أسرع على شكل مهمة من فئة الاقتران، واستخدام الموارد المحلية ، وإطلاق المركبة مباشرةً من سطح الأرض إلى المريخ بدلاً من تجميعها في المدار أو بواسطة حوض جاف فضائي . ^{[ 6 ]} بعد الحصول على موافقة الإدارة في ماريتا، بدأ فريقٌ من 12 شخصًا داخل الشركة في وضع تفاصيل المهمة. وبينما ركزوا بشكل أساسي على هياكل المهمات التقليدية، بدأ زوبرين بالتعاون مع زميله ديفيد بيكر [ ^{7 ] الذي} وضع استراتيجيةً بسيطةً للغاية، ومُختصرةً، وفعّالة. وأصبح هدفهم المتمثل في "استخدام الموارد المحلية، والسفر بأمتعة خفيفة، والعيش على موارد الأرض" السمة المميزة لمهمة مارس دايركت. ^{[ 4 ]}

كانت الرحلة الأولى لصاروخ آريس (لا يُخلط بينه وبين صاروخ برنامج كونستليشن المتوقف حاليًا والذي يحمل اسمًا مشابهًا ) ستنقل مركبة عودة أرضية غير مأهولة إلى المريخ بعد مرحلة تجوال تستغرق ستة أشهر، مزودة بمخزون من الهيدروجين ومصنع كيميائي ومفاعل نووي صغير. وبمجرد وصولها إلى المريخ، ستُستخدم سلسلة من التفاعلات الكيميائية ( تفاعل ساباتير المقترن بالتحليل الكهربائي ) لدمج كمية صغيرة من الهيدروجين (8 أطنان) تحملها مركبة العودة الأرضية مع ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي للمريخ، لإنتاج ما يصل إلى 112 طنًا من الميثان والأكسجين. وقد استُخدم هذا الإجراء الهندسي الكيميائي البسيط نسبيًا بانتظام في القرنين التاسع عشر والعشرين، ^{[ 8 ]} وكان من شأنه أن يضمن عدم الحاجة إلا إلى نقل 7% فقط من وقود العودة إلى سطح المريخ.

سيتطلب الأمر 96 طنًا من الميثان والأكسجين لإرسال مركبة العودة إلى الأرض في مسارها المحدد للعودة إلى الكوكب بعد انتهاء مهمتها على سطح المريخ؛ أما الكمية المتبقية فستكون متاحة لمركبات المريخ الجوالة. ومن المتوقع أن تستغرق عملية توليد الوقود حوالي عشرة أشهر.

بعد حوالي 26 شهرًا من إطلاق مركبة العودة إلى الأرض، ستُطلق مركبة ثانية، هي وحدة السكن المريخية ، في رحلة نقل منخفضة الطاقة تستغرق 6 أشهر إلى المريخ، حاملةً طاقمًا من أربعة رواد فضاء (الحد الأدنى المطلوب لتقسيم الفريق إلى قسمين دون ترك أي فرد بمفرده). ولن تُطلق وحدة السكن إلا بعد أن يُشير المصنع الآلي الموجود على متن مركبة العودة إلى الأرض إلى نجاح إنتاج المواد الكيميائية اللازمة للعمل على الكوكب والعودة إلى الأرض. وخلال الرحلة، سيتم توليد جاذبية اصطناعية عن طريق ربط وحدة السكن بالمرحلة العلوية المستهلكة من الصاروخ، وجعلهما يدوران حول محور مشترك. سيُوفر هذا الدوران بيئة عمل مريحة تبلغ 1g لرواد الفضاء، مما يُجنّبهم الآثار المُنهكة للتعرض طويل الأمد لانعدام الوزن . ^{[ 4 ]} 

تتضمن الخطة عدة عمليات إطلاق باستخدام معززات رفع ثقيلة بحجم مماثل لصاروخ ساتورن 5 المستخدم في مهمات أبولو ، والتي يُحتمل أن تكون مشتقة من مكونات مكوك الفضاء . يُطلق على هذا الصاروخ المقترح اسم "آريس"، والذي سيستخدم معززات الصواريخ الصلبة المتقدمة لمكوك الفضاء ، وخزان وقود خارجي مُعدّل، ومرحلة ثالثة جديدة تعمل بالأكسجين السائل/الهيدروجين السائل لحقن الحمولة في مدار المريخ . سيضع "آريس" حمولة 121 طنًا في  مدار دائري على ارتفاع 300 كيلومتر، ويدفع حمولة 47 طنًا باتجاه المريخ. ^{[ 9 ]}

مركبة العودة إلى الأرض مركبة ثنائية المراحل. تضم المرحلة العلوية أماكن إقامة الطاقم خلال رحلة عودتهم إلى الأرض من المريخ التي تستغرق ستة أشهر. أما المرحلة السفلية فتحتوي على محركات الصاروخ ووحدة إنتاج كيميائي صغيرة.

وحدة السكن المريخية مركبة تتكون من طابقين أو ثلاثة، توفر بيئة معيشية وعملية متكاملة لطاقم المريخ. فبالإضافة إلى غرف نوم فردية توفر قدراً من الخصوصية لكل فرد من أفراد الطاقم ومكاناً للأغراض الشخصية، تضم وحدة السكن المريخية منطقة معيشة مشتركة، ومطبخاً صغيراً، ومنطقة لممارسة الرياضة، ومرافق صحية مزودة بنظام تنقية مياه مغلق. يوفر الطابق السفلي من وحدة السكن المريخية مساحة العمل الرئيسية للطاقم: مناطق مختبرية صغيرة لإجراء أبحاث الجيولوجيا وعلوم الحياة؛ ومساحة تخزين للعينات، وغرف معادلة ضغط للوصول إلى سطح المريخ، ومنطقة لارتداء بدلات الفضاء حيث يستعد أفراد الطاقم للعمليات السطحية. أما الحماية من الإشعاع الضار أثناء التواجد في الفضاء وعلى سطح المريخ (مثل التوهجات الشمسية ) فتُوفرها "ملجأ عواصف" مخصص في قلب المركبة.

ستتضمن وحدة السكن المريخية أيضاً مركبة جوالة صغيرة مضغوطة تُخزن في الطابق السفلي ويتم تجميعها على سطح المريخ. تعمل هذه المركبة بمحرك يعمل بالميثان، وهي مصممة لزيادة مدى استكشاف رواد الفضاء لسطح المريخ إلى 320  كيلومتراً.

منذ اقتراحها لأول مرة كجزء من مشروع "مارس دايركت"، اعتمدت وكالة ناسا وحدة السكن المريخية كجزء من مهمتها المرجعية لتصميم المريخ، والتي تستخدم وحدتين من وحدات السكن المريخية؛ إحداهما تُرسل إلى المريخ بدون طاقم، لتوفير مختبر مخصص على سطحه، بالإضافة إلى قدرتها على حمل مركبة جوالة أكبر. أما الوحدة الثانية فتُرسل إلى المريخ مع الطاقم، ويُخصص داخلها بالكامل للمعيشة والتخزين.

ولإثبات جدوى وحدة الموئل المريخي، قامت جمعية المريخ بتنفيذ برنامج محطة أبحاث المريخ التناظرية (MARS)، والذي أنشأ عددًا من النماذج الأولية لوحدات الموئل المريخي حول العالم.

قام زوبرين وويفر بتطوير نسخة معدلة من مهمة "مارس دايركت"، أطلقوا عليها اسم "مارس سيمي دايركت"، استجابةً لبعض الانتقادات المحددة. ^{[ 13 ]} تتألف هذه المهمة من ثلاث مركبات فضائية، من بينها مركبة صعود إلى المريخ (MAV). تبقى مركبة استعادة الطاقة (ERV) في مدار المريخ خلال رحلة العودة، بينما تهبط مركبة الصعود غير المأهولة (MAV) وتُنتج الوقود اللازم للصعود إلى مدار المريخ. وقد استُخدم تصميم "مارس سيمي دايركت" كأساس لعدد من الدراسات، بما في ذلك دراسات ناسا المرجعية للتصميم.

عند إخضاعها لنفس تحليل التكلفة الذي تم إجراؤه في تقرير الـ 90 يومًا ، تم التنبؤ بأن تكلفة مشروع Mars Semi-Direct ستبلغ 55 مليار دولار على مدى 10 سنوات، وهو ما يمكن أن يتناسب مع ميزانية ناسا الحالية.

أصبح مشروع Mars Semi-Direct أساسًا لمهمة التصميم المرجعية 1.0 التابعة لناسا، ليحل محل مبادرة استكشاف الفضاء .

يدعو نموذج ناسا، المشار إليه باسم مهمة التصميم المرجعية ، في الإصدار 5.0 اعتبارًا من 1 سبتمبر 2012، إلى ترقية كبيرة في الأجهزة (ثلاث عمليات إطلاق على الأقل لكل مهمة، بدلاً من اثنتين)، ويرسل مركبة الاستجابة للطوارئ إلى المريخ وهي ممتلئة بالوقود، ويوقفها في مدار فوق الكوكب من أجل الالتقاء اللاحق مع مركبة الهبوط الآلية.

مع احتمال ظهور تقنية رفع الأحمال الثقيلة منخفضة التكلفة قريبًا ، اقترح زوبرين مهمة مأهولة إلى المريخ بتكلفة أقل بكثير باستخدام معدات طورتها شركة النقل الفضائي سبيس إكس . في هذه الخطة المبسطة، سيتم إرسال طاقم مكون من شخصين إلى المريخ عبر إطلاق صاروخ فالكون الثقيل مرة واحدة، حيث ستعمل مركبة دراغون الفضائية كموئل لهم خلال رحلتهم بين الكواكب. وسيتم توفير مساحة معيشة إضافية للرحلة باستخدام وحدات إضافية قابلة للنفخ عند الحاجة. أما مشاكل انعدام الوزن لفترات طويلة، فسيتم معالجتها بنفس طريقة خطة مارس دايركت الأساسية، حيث سيربط حبل بين موئل دراغون ومرحلة حقن المريخ العابر (TMI) للسماح بدوران المركبة.

قد تسمح خصائص الدرع الحراري لمركبة دراغون بالهبوط الآمن في حال توفر صواريخ هبوط ذات قوة كافية. وقد أظهرت الأبحاث في مركز أبحاث أميس التابع لناسا أن مركبة دراغون الآلية قادرة على الهبوط على سطح المريخ باستخدام الدفع الكامل. ^{[ 14 ]} وعلى سطح المريخ، سيكون لدى الطاقم مركبتان فضائيتان من طراز دراغون مزودتان بوحدات قابلة للنفخ كمساكن، ومركبتان لاستعادة الطاقة، ومركبتان للصعود إلى المريخ، و8 أطنان من الحمولة.

حافظت دراسات جمعية المريخ وجامعة ستانفورد على تصميم مهمة "مارس دايركت" الأصلية المكونة من مركبتين، لكنها زادت عدد أفراد الطاقم إلى ستة. كما استخدمت دراسة أخرى أجراها دونالد باركر ومعهد AIAA بعنوان " قوارب النظام الشمسي الطويلة" نظامًا مكونًا من مركبتين وطاقمًا من ستة أفراد، لكنها قسمته بين زوجين متطابقين من المركبات (يحتوي كل زوج على طاقم من ثلاثة أفراد، ولكنه قادر على حمل جميع أفراد الطاقم الستة في حالات الطوارئ)، بالإضافة إلى إضافة مساحة معيشة قابلة للنفخ ومأوى إشعاعي مائي إلى مركبة الاستجابة للطوارئ. ^{[ 15 ]}

طوّرت جمعية المريخ الأسترالية مهمتها المرجعية الخاصة بها، "مارس أوز" ، والمكونة من أربعة أفراد ، استنادًا إلى مهمة "مارس سيمي دايركت". تستخدم هذه الدراسة وحدات هبوط أفقية ذات شكل مخروطي مزدوج منحني، وتعتمد على الطاقة الشمسية والدفع الكيميائي طوال فترة المهمة ^{[ 16 ]،} بينما استخدمت مهمتا "مارس دايركت" و"DRMs" مفاعلات نووية لتوليد الطاقة على سطح المريخ، وفي حالة "DRMs" للدفع أيضًا. كما تختلف مهمة "مارس أوز" المرجعية في افتراضها، استنادًا إلى تجربة محطة الفضاء الدولية، عدم الحاجة إلى جاذبية الدوران.