Uppdragsplanerare vid NASA och ESA:s Operations Center (ESOC) har ägnat månader åt att diskutera för- och nackdelar med olika omloppsbanor, och har nu beslutat om vägen till Lunar Gateway.

Som den internationella rymdstationen, Gateway kommer att vara en permanent och föränderlig mänsklig utpost. Men istället för att cirkla runt vår planet, den kommer att kretsa runt månen, fungerar som en bas för astronauter och robotar som utforskar månens yta.

Som ett bergsskydd, det kommer också att ge skydd och en plats att fylla på med förnödenheter för astronauter på väg till mer avlägsna destinationer, samt tillhandahålla en plats för kommunikation och ett laboratorium för vetenskaplig forskning.

Uppdragsanalysteam på ESOC fortsätter att arbeta nära med internationella partners för att förstå hur detta val av omloppsbana påverkar viktiga aspekter av uppdraget – inklusive landning, möte med framtida rymdfarkoster och beredskapsscenarier som behövs för att hålla människor och infrastruktur säker.

Änglagloribanan

Porten, det har nyligen beslutats, kommer att följa en nästan rätlinjig halobana, eller NRHO.

Istället för att kretsa runt månen i en låg månbana som Apollo, Gateway kommer att följa en mycket "excentrisk" väg. Vid är närmast, den kommer att passera 3000 km från månens yta och längst bort, 70 000 km. Banan kommer faktiskt att rotera tillsammans med månen, och sett från jorden kommer det att se ut lite som en mångloria.

Banor som denna är möjliga på grund av samspelet mellan jordens och månens gravitationskrafter. När de två stora kropparna dansar genom rymden, ett mindre föremål kan "fångas" i en mängd olika stabila eller nästan stabila positioner i förhållande till de kretsande massorna, även känd som libration eller Lagrange-punkter.

Sådana platser är perfekta för att planera långsiktiga uppdrag, och i viss mån diktera utformningen av rymdfarkosten, vad den kan bära till och från omloppsbana, och hur mycket energi den behöver för att få – och stanna – där.

Reser på NRHO-stigen, ett varv av Gateway i dess bana om månen skulle ta ungefär sju dagar. Denna period valdes för att begränsa antalet förmörkelser, när porten skulle höljas av jordens eller månens skugga.

"Att hitta en månbana för porten är ingen trivial sak." säger Markus Landgraf, Arkitekturanalytiker som arbetar med ESA:s Human and Robotic Exploration-aktiviteter.

"Om du vill stanna där i flera år, den nära rätlinjiga halobanan är något instabil och föremål i denna omloppsbana har en tendens att driva iväg."

För att hålla gatewayen på plats, regelbundna små stationshållningsmanövrar kommer att krävas.

Ta scenen

Så varför denna bana? Den grundläggande begränsande faktorn när man flyttar delar från jorden, till en potentiell månbas och månens yta, är energi.

"I mänskliga rymdfärder flyger vi inte en enda, monolitiska rymdskepp, " förklarar Florian Renk, uppdragsanalytiker i ESOC:s Flight Dynamics Division.

"Istället flyger vi bitar och bitar, sätta ihop delar i rymden och snart på månens yta. Vissa delar lämnar vi bakom oss, vissa tar vi tillbaka – strukturerna utvecklas för alltid."

För att undkomma jordens gravitationskraft krävs en enorm mängd energi. För att sedan landa på månen och inte skynda rakt förbi den, vi måste sakta ner genom att förlora samma energi. Vi kan spara en del av denna energi genom att lämna delar av rymdfarkosten i omloppsbana, tar bara det vi behöver till månens yta.

En permanent bas i denna omloppsbana runt månen kommer att fungera som en mellanstation, varifrån delar kan lämnas kvar, plockas upp och monteras. Efter lyftet, endast en måttlig manöver kommer att behövas för att bromsa en besökande rymdfarkost för att möta Gateway.

Månlandaren kommer då att transportera människor, robotar och infrastruktur ner till ytan när Gatewayen är närmast månen, vilket händer ungefär var sjunde dag. Likaså, ett transferfönster till porten öppnar ungefär var sjunde dag för returresan från månens yta.

Fram till månen

Under 2020-talet, Gatewayen kommer att monteras och drivas i närheten av månen, där den kommer att röra sig mellan olika banor och möjliggöra de mest avlägsna mänskliga rymduppdrag som någonsin försökts.

Det kommer att erbjuda en plattform för vetenskaplig upptäckt i rymden och bygga ovärderlig erfarenhet för utmaningarna med framtida mänskliga uppdrag till Mars.

"Flight dynamics expertis här på ESOC är unik i Europa, " tillägger Rolf Densing, ESA:s verksamhetschef.

"Våra analytiker och flygdynamikexperter ger stöd till ett komplett utbud av uppdrag, inklusive några av de mest komplexa och spännande som Lunar Gateway. Vi kan inte vänta på att se denna ambitiösa internationella strävan förverkligas."