Det är synd att Mars är en så intressant plats, eftersom det faktiskt är en av de svåraste platserna att besöka i solsystemet, speciellt om du vill ta med dig mycket bagage. Den planeten är en kyrkogård av uppdrag som inte riktigt lyckades.

När våra ambitioner växer, och vi funderar på att utforska Mars med människor – kanske till och med framtida kolonister – vi kommer att behöva lösa ett av de största problemen inom rymdutforskning:Att lyckas med att landa tunga laster på Mars yta är verkligen, riktigt svårt att göra.

Det finns en massa utmaningar med Mars, inklusive dess avsaknad av en skyddande magnetosfär och lägre yttyngdkraft. Men en av de största är dess tunna atmosfär av koldioxid. Om du stod på Mars yta utan rymddräkt, du skulle frysa ihjäl och kvävas av syrebrist. Men du skulle också uppleva mindre än 1 procent av atmosfärstrycket du har här på jorden.

Och det visar sig, denna tunna atmosfär gör det otroligt utmanande att få betydande nyttolaster säkert ner till ytan av den röda planeten. Faktiskt, endast 53 procent av uppdragen till Mars har faktiskt fungerat ordentligt. Så låt oss prata om hur uppdrag till Mars har fungerat tidigare, och jag ska visa dig vad problemet är.

Att landa på Mars är det värsta

Historiskt sett, uppdrag till Mars lanseras från jorden under flygfönstren som öppnas vartannat år eller så när jorden och Mars är närmare varandra. ExoMars flög 2016, InSight 2018, och Mars 2020 rover kommer att flyga in, väl, 2020.

Uppdragen följer en interplanetär överföringsbana utformad för att antingen nå dit snabbast, eller med minsta mängd bränsle.

När rymdfarkosten går in i Mars atmosfär, det går tiotusentals kilometer i timmen. På något sätt, den måste förlora all den hastigheten innan den landar försiktigt på den röda planetens yta.

Här på jorden, du kan använda den tjocka jordiska atmosfären för att sakta ner din nedstigning, blöder av din hastighet med en värmesköld. Rymdfärjans plattor designades för att absorbera värmen från återinträde, när orbitern på 77 ton gick från 28, 000 km/h till noll.

En liknande teknik kan användas på Venus eller Titan, som har tjocka atmosfärer.

Månen, utan någon atmosfär alls, är relativt enkel att landa på, också. Utan någon atmosfär, det finns inget behov av en värmesköld; du använder bara framdrivning för att sakta ner din omloppsbana och landa på ytan. Så länge du tar med tillräckligt med drivmedel, du kan sätta fast avsatsen.

Tillbaka till Mars, med en rymdfarkost som susar in i sin tunna atmosfär vid mer än 20, 000 kilometer i timmen.

Nyfikenhet är gränsen

Traditionellt, uppdrag har börjat sin nedstigning med ett aeroskal för att ta bort en del av rymdfarkostens hastighet. Det tyngsta uppdraget som någonsin skickats till Mars var Curiosity, som vägde 1 ton, eller 2, 200 pund.

När den kom in i Mars atmosfär, den gick 5,9 kilometer i sekunden, eller 22, 000 kilometer i timmen.

Curiosity hade det största aeroskal som någonsin skickats till Mars, mäter 4,5 meter i diameter. Detta enorma aeroskal lutades i en vinkel, låter rymdfarkosten manövrera när den träffade Mars tunna atmosfär, siktar på en specifik landningszon.

På cirka 131 kilometers höjd, rymdskeppet skulle börja avfyra thrusters för att justera banan när den närmade sig Mars yta.

Efter cirka 80 sekunders flygning genom atmosfären, temperaturen på värmeskölden steg till 2, 100 grader Celsius. För att förhindra smältning, värmeskölden gjordes med ett speciellt material som kallas fenolimpregnerad kolablator, eller PICA, samma material som SpaceX använder för sina Dragon Capsules.

När den väl hade saktat ner sin hastighet till lägre än Mach 2,2, rymdfarkosten placerade ut den största fallskärmen som någonsin byggts för ett uppdrag till Mars – 16 meter tvärs över. Denna fallskärm kan generera 29, 000 kilo dragkraft, saktar ner ännu mer.

Upphängningslinorna var gjorda av Technora och Kevlar, som i stort sett är de starkaste och mest värmebeständiga materialen vi känner till.

Sedan kastade den sin fallskärm och använde raketmotorer för att bromsa nedstigningen ännu mer. När det var tillräckligt nära, Curiosity satte ut en skykran som sänkte rovern försiktigt till ytan.

Det här är snabbversionen. Om du vill ha en omfattande översikt över vad Curiosity gick igenom när han landade på Mars, Jag rekommenderar starkt att du kollar in Emily Lakdawalla's Nyfikenhetens design och ingenjörskonst .

Att gå tyngre skalar inte

Vill du göra samma sak med tyngre nyttolaster? Jag är säker på att du föreställer dig större aeroshells, större fallskärmar, större skykranar. I teorin, SpaceX Starship kommer att skicka 100 ton kolonister och deras grejer till ytan av Mars.

Här är problemet. Metoderna för att bromsa i Mars-atmosfären skalar inte upp särskilt bra.

Först, låt oss börja med fallskärmar. För att vara ärlig, vid 1 ton, Nyfikenheten är ungefär så tung som du kan bli med en fallskärm. Något tyngre, och det finns helt enkelt inga material ingenjörer kan använda som kan hantera retardationsbelastningen.

För ett par månader sedan, NASA-ingenjörer firade det framgångsrika testet av Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment, eller ASPIRE. Detta är fallskärmen som kommer att användas för roveruppdraget Mars 2020.

De satte fallskärmen gjord av avancerade komposittyger som nylon, Technora och Kevlar, på en sondraket och sköt upp den till en höjd av 37 kilometer, efterlikna de förhållanden som rymdfarkosten kommer att uppleva när den anländer till Mars.

Fallskärmen utplacerade på en bråkdel av en sekund, och när det är helt uppblåst, erfaren 32, 000 kilo kraft. Om du var ombord vid den tidpunkten, du skulle uppleva 3,6 gånger så mycket kraft som att krascha in i en vägg i 100 km/h med säkerhetsbältet. Med andra ord, du skulle inte överleva.

Om rymdfarkosten var något tyngre, fallskärmen skulle behöva vara gjord av omöjliga komposittyger. Och glöm passagerarna.

NASA har prövat idéer för att landa nyttolaster så mycket som 3 ton på Mars. En idé kallas Low-Density Supersonic Decelerator, eller LDSD. Tanken är att använda en mycket större aerodynamisk retardator som skulle blåsa upp runt rymdfarkosten som en hoppborg när den kommer in i Mars gravitation.

2015, NASA testade faktiskt denna teknik, bära ett prototypfordon på en ballong till en höjd av 36 kilometer. Fordonet avfyrade sedan sin fasta raket, bär den till en höjd av 55 kilometer.

När det raket uppåt, den blåste upp sin Supersonic Inflatable Aerodynamiska Decelerator till en diameter av sex meter (eller 20 fot), vilket sedan saktade ner den till Mach 2.4. Tyvärr, dess fallskärm misslyckades att sätta in ordentligt, så den kraschade i Stilla havet.

Det är framsteg. Om de faktiskt kan räkna ut teknik och fysik, vi kunde en dag se tre ton tunga rymdfarkoster landa på Mars yta. Tre hela ton.

Mer framdrivning, Mindre last

Nästa idé att skala upp en Mars-landning är att använda mer framdrivning. I teorin, du kan bara bära mer bränsle, avfyra dina raketer när du anländer till Mars, och ta bort all den hastigheten. Problemet, självklart, är att ju mer massa du måste bära för att bromsa, desto mindre massa kan du faktiskt landa på Mars yta.

SpaceX Starship förväntas använda en framdrivande landning för att få ner 100 ton till Mars yta. Eftersom det tar en mer direkt, snabbare väg, Starship kommer att träffa Mars-atmosfären snabbare än 8,5 km/s och sedan använda aerodynamiska krafter för att bromsa inträdet.

Det behöver inte gå så snabbt, självklart. Rymdskeppet kunde använda aerobromsning, passerar genom den övre atmosfären flera gånger för att blöda ut hastigheten. Faktiskt, det här är metoden som orbitala rymdfarkoster som går till Mars använder.

Men då skulle passagerare ombord behöva tillbringa veckor för att rymdfarkosten ska sakta ner och gå i omloppsbana runt Mars, och sedan gå ner genom atmosfären.

Enligt Elon Musk, hans förtjusande unintuitiva strategi för att hantera all värme är att bygga rymdfarkosten av rostfritt stål, och då kommer små hål i skalet att släppa ut metanbränsle för att hålla vindsidan av rymdfarkosten sval.

När den väl tappar tillräckligt med hastighet, det kommer att vända, avfyra sina Raptor-motorer och landa försiktigt på Mars yta.

Sikta mot marken, Dra upp i sista minuten

Varje kilo bränsle som rymdfarkosten använder för att bromsa sin nedstigning till Mars yta är ett kilo last som den inte kan bära upp till ytan. Jag är inte säker på att det finns någon hållbar strategi som lätt kommer att landa tunga laster på Mars yta. Smartare människor än jag tror att det är ganska omöjligt utan att använda enorma mängder drivmedel.

Som sagt, Elon Musk tror att det finns ett sätt. Och innan vi bortser från hans idéer, låt oss se dubbla sidoboosters från Falcon Heavy-raketen landa perfekt tillsammans. Och var inte uppmärksam på vad som hände med den centrala boostern.

En ny studie från Aerospace Department vid University of Illinois i Urbana-Champaign föreslår att uppdrag till Mars kan dra fördel av den tjockare atmosfären som är närmare Mars yta.

I deras artikel med titeln "Alternativ för ingångsbana för fordon med hög ballistisk koefficient på Mars, "Forskarna föreslår att rymdfarkoster som flyger till Mars inte behöver ha så bråttom för att bli av med sin hastighet.

När rymdfarkosten skriker genom atmosfären, det kommer fortfarande att kunna generera mycket aerodynamiskt lyft, som skulle kunna användas för att styra den genom atmosfären.

De körde beräkningarna och fann att den idealiska vinkeln var att peka rymdfarkosten rakt ner och dyka mot ytan. Sedan, i sista möjliga ögonblick, dra upp med den aerodynamiska hissen för att flyga i sidled genom den tjockaste delen av atmosfären.

Detta ökar luftmotståndet och låter dig bli av med den största mängden hastighet innan du sätter på dina nedstigningsmotorer och slutför din motordrivna landning.

Det låter, um, roligt.

Om mänskligheten ska bygga en livskraftig framtid på Mars yta, vi kommer att behöva lösa det här problemet. Vi kommer att behöva utveckla en rad tekniker och tekniker som gör landning på Mars mer pålitlig och säker. Jag misstänker att det kommer att bli mycket mycket mer utmanande än vad folk förväntar sig, men jag ser fram emot de idéer som kommer att testas under de kommande åren.