Marte Directo

El 20 de julio de 1989, el presidente estadounidense George H. W. Bush anunció los planes para lo que se conocería como la Iniciativa de Exploración Espacial (SEI). En un discurso pronunciado en las escalinatas del Museo Nacional del Aire y el Espacio, describió planes a largo plazo que culminarían en una misión tripulada a la superficie de Marte. ^{[ 2 ]}

En diciembre de 1990, un estudio para estimar el costo del proyecto determinó que el gasto a largo plazo ascendería a aproximadamente 450 mil millones de dólares distribuidos en 20 a 30 años. ^{[ 3 ]} El "Estudio de 90 días", como se le conoció (también "Informe de 90 días" por personas como Zubrin), provocó una reacción hostil del Congreso hacia SEI, dado que habría requerido el mayor gasto gubernamental individual desde la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 4 ]} En el plazo de un año, todas las solicitudes de financiación para SEI habían sido denegadas.

Dan Goldin se convirtió en administrador de la NASA el 1 de abril de 1992, abandonando oficialmente los planes para la exploración humana a corto plazo más allá de la órbita terrestre con el cambio hacia una estrategia "más rápida, mejor y más barata" para la exploración robótica. ^{[ 5 ]}

Mientras trabajaba en Martin Marietta diseñando arquitecturas para misiones interplanetarias, Robert Zubrin percibió una falla fundamental en el programa SEI. Zubrin comprendió que si el plan de la NASA era utilizar al máximo la mayor cantidad de tecnologías posibles para apoyar el envío de la misión a Marte, se volvería políticamente insostenible. En sus propias palabras:

Exactamente lo contrario de la forma correcta de hacer ingeniería. ^{[ 4 ]}

La alternativa de Zubrin a esta estrategia de misión "Battlestar Galactica" (denominada así por sus detractores debido a las grandes naves espaciales de propulsión nuclear que supuestamente se parecían a la nave espacial de ciencia ficción del mismo nombre ) implicaba una estancia más prolongada en la superficie, una trayectoria de vuelo más rápida en forma de una misión de conjunción, la utilización de recursos in situ y el lanzamiento de naves directamente desde la superficie de la Tierra a Marte en lugar de ser ensambladas en órbita o en un dique seco espacial . ^{[ 6 ]} Tras recibir la aprobación de la dirección en Marietta, un equipo de 12 personas dentro de la empresa comenzó a trabajar en los detalles de la misión. Si bien se centraron principalmente en arquitecturas de misión más tradicionales, Zubrin comenzó a colaborar con la estrategia extremadamente simple, minimalista y robusta de su colega David Baker . ^{[ 7 ]} Su objetivo de "utilizar recursos locales, viajar ligeros y vivir de la tierra" se convirtió en el sello distintivo de Mars Direct. ^{[ 4 ]}

El primer vuelo del cohete Ares (que no debe confundirse con el cohete del mismo nombre del ahora extinto programa Constellation ) llevaría un Vehículo de Retorno a la Tierra no tripulado a Marte después de una fase de crucero de 6 meses, con un suministro de hidrógeno, una planta química y un pequeño reactor nuclear . Una vez allí, se utilizaría una serie de reacciones químicas (la reacción de Sabatier acoplada con electrólisis ) para combinar una pequeña cantidad de hidrógeno (8 toneladas) transportada por el Vehículo de Retorno a la Tierra con el dióxido de carbono de la atmósfera marciana para crear hasta 112 toneladas de metano y oxígeno. Este procedimiento de ingeniería química relativamente simple se utilizó regularmente en los siglos XIX y XX, ^{[ 8 ]} y aseguraría que solo el 7% del propulsor de retorno necesitaría ser transportado a la superficie de Marte.

Se necesitarían 96 toneladas de metano y oxígeno para enviar el Vehículo de Retorno a la Tierra en una trayectoria de regreso a casa al finalizar su estancia en la superficie; el resto estaría disponible para los rovers de Marte. Se estima que el proceso de generación de combustible requerirá aproximadamente diez meses para completarse.

Unos 26 meses después del lanzamiento original del Vehículo de Retorno a la Tierra (ERV), se lanzaría un segundo vehículo, la Unidad de Hábitat de Marte , en una trayectoria de transferencia de baja energía de 6 meses de duración hacia Marte, y transportaría una tripulación de cuatro astronautas (el número mínimo requerido para que el equipo pueda dividirse en dos sin dejar a nadie solo). La Unidad de Hábitat no se lanzaría hasta que la fábrica automatizada a bordo del ERV hubiera indicado la producción exitosa de los productos químicos necesarios para operar en el planeta y el viaje de regreso a la Tierra. Durante el viaje, se generaría gravedad artificial uniendo la Unidad de Hábitat a la etapa superior agotada del propulsor y haciéndolas girar alrededor de un eje común. Esta rotación produciría un entorno de trabajo cómodo de 1 g para los astronautas, liberándolos de los efectos debilitantes de la exposición prolongada a la ingravidez . ^{[ 4 ]} 

El plan contempla varios lanzamientos utilizando cohetes de carga pesada de tamaño similar al Saturno V empleado en las misiones Apolo , que potencialmente se derivarían de componentes del Transbordador Espacial . Este cohete propuesto se denomina "Ares" y utilizaría los propulsores de cohete sólido avanzados del Transbordador Espacial , un tanque externo modificado del Transbordador y una nueva tercera etapa de oxígeno líquido/hidrógeno líquido para la inyección de la carga útil en Marte . Ares colocaría 121 toneladas en una  órbita circular de 300 km y lanzaría 47 toneladas hacia Marte. ^{[ 9 ]}

El Vehículo de Retorno a la Tierra es un vehículo de dos etapas. La etapa superior alberga los alojamientos para la tripulación durante su viaje de regreso a la Tierra desde Marte, que durará seis meses. La etapa inferior contiene los motores de cohete del vehículo y una pequeña planta de producción química.

La Unidad de Hábitat de Marte es un vehículo de dos o tres cubiertas que proporciona un entorno integral de vida y trabajo para una tripulación en Marte. Además de los camarotes individuales que ofrecen cierta privacidad a cada miembro de la tripulación y un lugar para sus efectos personales, la Unidad de Hábitat de Marte incluye una zona común, una pequeña cocina, un área de ejercicios e instalaciones de higiene con purificación de agua de ciclo cerrado. La cubierta inferior de la Unidad de Hábitat de Marte proporciona el espacio de trabajo principal para la tripulación: pequeños laboratorios para realizar investigaciones geológicas y de ciencias biológicas; espacio de almacenamiento para muestras, esclusas de aire para acceder a la superficie de Marte y un área de preparación donde los miembros de la tripulación se preparan para las operaciones en la superficie. La protección contra la radiación nociva en el espacio y en la superficie de Marte (por ejemplo, la de las erupciones solares ) estaría garantizada por un refugio antitormentas específico en el núcleo del vehículo.

La Unidad de Hábitat para Marte también incluiría un pequeño vehículo explorador presurizado que se almacenaría en la cubierta inferior y se ensamblaría en la superficie de Marte. Impulsado por un motor de metano, está diseñado para extender el alcance de exploración de la superficie marciana hasta los 320  km.

Desde su primera propuesta como parte de Mars Direct, la Unidad de Hábitat de Marte ha sido adoptada por la NASA como parte de su Misión de Referencia de Diseño de Marte, que utiliza dos Unidades de Hábitat de Marte: una de ellas viaja a Marte sin tripulación, proporcionando un laboratorio especializado en Marte, junto con la capacidad de transportar un vehículo explorador de mayor tamaño. La segunda Unidad de Hábitat de Marte viaja a Marte con la tripulación, y su interior está completamente destinado a vivienda y almacenamiento.

Para demostrar la viabilidad de la Unidad de Hábitat de Marte, la Mars Society ha implementado el Programa de Estaciones de Investigación Análogas a Marte (MARS, por sus siglas en inglés), que ha establecido varios prototipos de Unidades de Hábitat de Marte en todo el mundo.

Zubrin y Weaver desarrollaron una versión modificada de Mars Direct, denominada Mars Semi-Direct, en respuesta a algunas críticas específicas. ^{[ 13 ]} Esta misión consta de tres naves espaciales e incluye un «Vehículo de Ascenso a Marte» (MAV). El ERV permanece en órbita marciana para el viaje de regreso, mientras que el MAV, no tripulado, aterriza y fabrica los propulsores necesarios para el ascenso de vuelta a la órbita de Marte. La arquitectura de Mars Semi-Direct se ha utilizado como base para varios estudios, incluidas las Misiones de Referencia de Diseño de la NASA.

Al someterse al mismo análisis de costes que el informe de 90 días , se predijo que la misión Mars Semi-Direct costaría 55.000 millones de dólares en 10 años, lo que encajaría en el presupuesto actual de la NASA.

La misión Mars Semi-Direct se convirtió en la base de la Misión de Referencia de Diseño 1.0 de la NASA, reemplazando a la Iniciativa de Exploración Espacial .

El modelo de la NASA, conocido como Misión de Referencia de Diseño , en su versión 5.0 a fecha de 1 de septiembre de 2012, exige una mejora significativa del hardware (al menos tres lanzamientos por misión, en lugar de dos) y envía el ERV a Marte completamente cargado de combustible, colocándolo en órbita sobre el planeta para su posterior encuentro con el MAV.

Ante la inminente llegada de la capacidad de lanzamiento pesado a bajo coste , Zubrin ha propuesto una misión tripulada a Marte con un coste mucho menor, utilizando hardware desarrollado por la empresa de transporte espacial SpaceX . En este plan simplificado, una tripulación de dos personas sería enviada a Marte mediante un único lanzamiento del Falcon Heavy , con la nave espacial Dragon como hábitat para el viaje interplanetario. Se podría disponer de espacio habitable adicional para el viaje mediante módulos inflables adicionales, si fuera necesario. Los problemas asociados a la ingravidez prolongada se abordarían de la misma manera que en el plan original Mars Direct, con un cable entre el hábitat Dragon y la etapa TMI (Trans-Mars Injection) que permitiría la rotación de la nave.

Las características del escudo térmico de la Dragon podrían permitir un descenso seguro si se dispusiera de cohetes de aterrizaje con la potencia suficiente. Investigaciones realizadas en el Centro de Investigación Ames de la NASA han demostrado que una Dragon robótica sería capaz de realizar un aterrizaje totalmente propulsado en la superficie marciana. ^{[ 14 ]} En la superficie, la tripulación tendría a su disposición dos naves espaciales Dragon con módulos inflables como hábitats, dos vehículos de recuperación de emergencia (ERV), dos vehículos de ascenso a Marte y 8 toneladas de carga.

Los estudios de la Mars Society y Stanford mantienen el perfil de misión original de dos vehículos de Mars Direct, pero aumentan el tamaño de la tripulación a seis. Un estudio de Donald Barker y AIAA llamado Solar System Longboats también utiliza un sistema de dos vehículos y una tripulación de seis, pero la divide entre dos pares de vehículos idénticos (cada uno con una tripulación de tres, pero capaces de transportar a los seis en caso de emergencia), además de agregar un espacio habitable inflable y un refugio contra la radiación a base de agua al ERV. ^{[ 15 ]}

La Mars Society Australia desarrolló su propia misión de referencia Mars Oz para cuatro personas , basada en Mars Semi-Direct. Este estudio utiliza módulos bicónicos curvados de aterrizaje horizontal y se basa en energía solar y propulsión química en todo momento, ^{[ 16 ]} mientras que Mars Direct y los DRM utilizaron reactores nucleares para la energía en superficie y, en el caso de los DRM, también para la propulsión. La misión de referencia Mars Oz también se diferencia en que asume, basándose en la experiencia de la estación espacial, que no se requerirá gravedad de rotación.