SpaceX планирует основать марсианскую колонию численностью в миллион жителей к 2050 году. Эта перспектива кажется невероятной: до настоящего момента остается всего три десятилетия, а до первого полета на Марс еще предстоит преодолеть значительный срок. Некоторые ученые, в том числе российские, рассматривают планы Маска как «фантазию» и «пропаганду». Однако создание колонии такого масштаба на Красной планете вполне осуществимо. Попробуем разобраться, почему это вызывает такое затруднение для понимания у остального мира.
Освоение космоса сопряжено с огромными трудностями, и значительные успехи доступны лишь наиболее талантливым специалистам. Немецкие инженеры под руководством штурмбаннфюрера СС Вернера фон Брауна осуществили первый запуск ракеты в космос в 1944 году, а спустя четверть века ракета, созданная тем же конструктором, доставила людей на Луну. Советский Союз первым осуществил орбитальный запуск в 1957 году, однако так и не организовал высадку людей на Луну.
После ухода Вернера фон Брауна космическая программа США столкнулась с серьезными проблемами: разработка шаттла американскими инженерами привела к 14 жертвам космических полетов, что в 3,5 раза превышает потери всех остальных стран, работающих в этой области. Кроме того, стоимость программы оказалась значительно выше, чем затраты на лунную программу, несмотря на то, что шаттлы осуществляли полеты только на близкие околоземные орбиты. В конечном итоге от использования шаттлов отказались, и в настоящее время американские астронавты добираются до космоса на российских кораблях, являющихся потомками аппаратов, созданных еще при Королеве, сопернике фон Брауна.
Создание марсианской колонии с населением в миллион человек – это задача, значительно превосходящая по масштабу высадку на Луну. По оценкам Илона Маска, для ее реализации потребуется ежегодный вывод в космос около 100 миллионов тонн грузов. За всю историю существования космических полетов осуществлено менее пяти тысяч запусков, а за последние пятьдесят лет в космос доставлено значительно меньше 50 тысяч тонн.
Илон Маск планирует осуществлять запуски, объем которых во много раз превышает общее число запусков, совершенных человечеством за всю историю освоения космоса. Это порождает ряд вопросов. Достижимо ли это с технической точки зрения? Кто понесет финансовое бремя? Возможно ли безопасно доставить миллион людей на Марс и создать там независимую колонию? И, наконец, главный вопрос: станет ли это реальностью?
Способна ли частная компания ежегодно отправлять объекты в космос в большем объеме, чем все космические державы за пятидесятилетний период?
В настоящее время все космические компании, за исключением SpaceX, используют для запусков одноразовые ракеты, способные доставлять на орбиту грузы, эквивалентные объему обычной фуры. За время эксплуатации было запущено сто ракет «Протон», что позволило вывести на орбиту около двух тысяч тонн. Falcon 9 повторно применяет первую ступень (составляющую 70% стоимости ракеты) в среднем три-четыре раза. Благодаря этому подход к запуску стал более эффективным: изготовление и использование 50 первых ступеней позволило вывести на орбиту тот же объем груза – примерно две тысячи тонн.
Но Falcon уже скоро отметит десятилетие, и для SpaceX это достаточно зрелая технология. В прошлом году компания впервые подняла в воздух демонстрационную версию Starship, ракеты и корабля (вторая ступень ракеты одновременно является кораблем), изготовленную из нержавеющей стали. В ней используется метановый ракетный двигатель, который ранее не применялся в полетах (советские прототипы метановых двигателей ограничивались лишь наземными испытаниями). СH4 вполне можно получать на Марсе, что решает вопрос о том, откуда брать топливо для обратных полетов на Землю.
Обе ступени ракеты Starship разрабатываются как многоразовые. В отличие от первой ступени Falcon 9, они рассчитаны на выполнение более ста полетов до проведения планового технического обслуживания. Планируемый срок службы обеих ступеней аналогичен сроку службы авиалайнеров – до 20 лет, при частоте полетов три раза в день.
В принципе, это возможно реализовать. Однако керосиновый ракетный двигатель Falcon 9 накладывает ограничения на возможность многократного использования из-за образования большого количества сажи в процессе горения керосина. В то время как метан не образует сажи, что позволит двигателям Starship быть более пригодными для повторного использования.
Ограничением для Falcon являлось то, что повторно использовался только первый ступень ракеты. Ракеты, созданные Илоном Маском, совершают посадку в вертикальном положении, расходуя топливо на этот процесс. Если бы удалось спасать и второй ступень (~25% стоимости ракеты), то обе ступени потребовали бы такого количества топлива, что масса груза, доставляемого в космос, оказалась бы недостаточной.
Starship устраняет необходимость в отдельной второй ступени благодаря уникальной схеме торможения, не имеющей аналогов в истории освоения космоса. Вторая ступень Starship при входе в атмосферу будет ориентирована днищем к потоку воздуха и использовать его для замедления, а не возвращаться на Землю вертикально. Такой подход позволяет существенно сократить расход топлива, необходимого для торможения.
Новый корпус изготавливается из стандартной нержавеющей стали, которую сваривают (это более простой процесс, чем использование заклепок). На килограмм продукции новинка значительно экономичнее ракет, созданных из алюминиевых сплавов. Кроме того, ее производство не требует чистых сборочных цехов, обходящихся в миллиарды долларов, как у конкурентов, а вполне возможно осуществлять в обычных ангарах. Таким образом, стоимость Starship приблизительно сравняется с ценой обычной ракеты, хотя на первом этапе она сможет выводить в космос до 100 тонн полезной нагрузки, а на заключительном, финальном этапе – до 150 тонн.
Использование недорогих материалов и возможность многократного применения позволяют существенно снизить стоимость одного полета Starship – приблизительно до двух миллионов долларов (что обусловлено делением стоимости системы, составляющей несколько сотен миллионов долларов, на сотню полетов до проведения ремонта). Такая цена – два миллиона долларов за 100 тонн груза – эквивалентна двум триллионам долларов за 100 миллионов тонн. Именно такой объем, 100 миллионов тонн в год, по оценкам Маска, необходим для оперативного создания крупной колонии на Марсе.
Технически это не является чем-то невозможным. Безусловно, Starship включает в себя множество инновационных решений, таких как полнопоточный метановый ракетный двигатель Raptor и торможение в атмосфере с использованием нижней части аппарата. Ранее подобные подходы не применялись и даже не рассматривались: обе концепции были разработаны исключительно в SpaceX. Однако, двигатель Raptor уже успешно испытан и доказал свою работоспособность в реальных условиях, а торможение с использованием нижней части аппарата физически осуществимо благодаря маневровым двигателям, позволяющим выполнять подобные действия в земной атмосфере.
Реализация плана SpaceX по производству тысячи Starship за десятилетие представляется возможной. Анализ темпов разработки прототипов указывает на то, что применение сварки вместо клепки значительно повышает скорость строительства. Даже организация меньшего размера способна выпускать около ста подобных кораблей ежегодно. Возникают сомнения относительно экономической целесообразности такого производства.
Два триллиона в год? Выходец из Африки сошел с ума?
Нил Деграсс Тайсон, американский астрофизик, уже высказался на эту тему: он настроен скептически. Только правительства, считает он, могут вкладывать огромные средства для достижения коммерчески невыгодных целей (а Марс не выглядит коммерчески выгодным). Колумб, говорит Тайсон, плавал на госденьги, а не на частные инвестиции.
Мы не являемся астрономами, но знаем, что Колумб жил в период золотого стандарта, характеризующегося ограниченным денежным предложением. В XXI веке Соединенные Штаты запустили новую эру, когда стало возможным выпуск долларов в объеме триллиона в год (официальные данные Федеральная резервная система США стремится к поддержанию инфляции ниже, чем в России, где денежная эмиссия отсутствует. Это обуславливает крайне низкую стоимость капитала на Западе: в текущих монетарных условиях даже Христофор Колумб смог бы найти инвесторов, поскольку избыток денежных средств привел к тому, что они не знают, куда вкладывать средства. Таким образом, привлечь два триллиона долларов на полеты к Марсу вполне осуществимо.
Остается более важный вопрос: в чем цель? Да, на Марсе имеется более полутора сотен миллионов квадратных километров суши, что сопоставимо с площадью Земли, однако он характеризуется низкими температурами и отсутствием пригодной для дыхания атмосферы. Рассмотрим нашу планету: в России насчитывается 17 миллионов квадратных километров, но 11 миллионов из них составляют вечная мерзлота, поэтому там проживает всего три миллиона человек, и то благодаря редким и ценным ресурсам. На Красной планете отсутствуют ресурсы, которые было бы целесообразно транспортировать сюда. Какая экономическая выгода заключается во вложении в ее освоение нескольких триллионов ежегодно?
Как ни странно, смысл есть. Еще в 1993 году было показано, что Марс вполне можно терраформировать уже на существующем технологическом уровне. Дело в том, что чувствительность его климата к нагреву крайне высока: достаточно поднять среднюю температуру этой планеты на четыре градуса, чтобы растаял СО2 из полярных шапок и грунта, после чего давление там резко вырастет, а средняя планетарная температура поднимется до земного уровня (+15 °C).
Повысить температуру на четыре градуса вполне осуществимо, затратив относительно небольшие ресурсы: на Марсе в грунте содержится значительное количество соединений серы и фтора, а элегаз (SF6), являющийся инертным газом, обладает парниковым эффектом, в 34 900 раз мощнее Существуют также другие соединения, обладающие схожими свойствами, которые могут быть произведены на Марсе.
Согласно научной публикации 1993 года, выполненной сотрудниками NASA, применение данной методики потенциально позволит превратить Марс из нынешнего замерзшего состояния в более теплый и умеренно влажный, способный поддерживать жизнь, в течение нескольких десятилетий. Важно осознавать, что это не подразумевает возможность немедленного дыхания людей на Марсе после начала терраформирования – необходимо время для накопления кислорода в окружающей среде.
Лабораторные исследования показывают, что земные организмы способны к фотосинтезу в условиях, характерных для экваториальной зоны Марса, даже при небольшом количестве воды, поскольку на поверхности этой планеты существуют потоки жидкой соленой воды. В более теплых и влажных условиях они начнут в скором времени преобразовывать углекислый газ в кислород, постепенно делая атмосферу планеты пригодной для дыхания. Этот процесс займет столетия, в течение которых люди смогут находиться на Марсе только с кислородными аппаратами (хотя повышенное атмосферное давление позволит обойтись без скафандров).
Людям не требуется кислородный аппарат для передвижения по планете, однако это возможно только в пределах определенных территорий. Долины Маринер, занимающие десятки тысяч квадратных километров и достигающие глубины более десяти километров, могут быть укрыты куполами из аэрогеля. Такая конструкция обеспечит защиту от ультрафиолетового излучения, позволит видимому свету проникать внутрь и будет эффективно удерживать тепло.
Согласно исследованию, проведенному в 2019 году, при наличии атмосферного купола толщиной всего 20 миллиметров на Марсе температура будет вполне земной. Даже умеренное количество растений способно обеспечить население забранных куполами долин кислородом. Кстати, земные растения в лабораторных условиях уже показали способность расти на грунте с марсианским составом.
В силу своей стоимости, недвижимость, охватывающая территорию в 144 миллиона квадратных километров, остается дорогостоящим активом, способным выдерживать годовые затраты в размере до двух триллионов (стоит учитывать, что в США, благодаря мерам количественного смягчения, денежные средства не испытывают острой нехватки). Тем не менее, проблема сохраняется. В истории Земли немногие были готовы инвестировать в проект, отдача от которого будет получена лишь спустя столетия. Нельзя с уверенностью утверждать, что Маску действительно удастся реализовать эту затею.
На какие же перспективы он тогда надеется? Изучение земной истории показывает, что государственные органы могут в течение столетий вкладывать значительные ресурсы без существенного результата, если они оказались в ситуации соперничества с другими государствами, стремящимися заполучить один и тот же стратегический актив в долгосрочной перспективе. Это особенно актуально для Соединенных Штатов, чья политическая структура препятствует эффективному планированию космической деятельности более чем на восемь лет.
В истории Земли наступило время, когда Испания, Португалия, Франция, Англия и другие страны на протяжении веков тратили колоссальные ресурсы на войны за колонии и их удержание. В конечном итоге это привело к экономическому кризису первых двух стран. Лондон и Париж получили контроль над обширными территориями. Однако на протяжении всего периода владения ими разрыв в ВВП Англии и Франции по сравнению с ВВП Германии, которая вошла в эпоху колониального раздела позднее, становился все более заметным.
Наиболее динамичный рост английских колоний (1890-е годы) пришелся на время, когда экономика страны без колоний (США) обогнала ее. Подобная ситуация наблюдалась и с Францией, и с Германией. В конечном счете, колонии не принесли долгосрочной и обоснованной выгоды никому из их владельцев.
Существует вероятность того, что освоение Марса спровоцирует соревнование за лидерство между странами Земли. В перспективе нескольких лет Starship начнет полеты, и тогда Вашингтону придется решить: либо самостоятельно участвовать в марсианской программе, либо позволить Китаю взять на себя финансирование.
Если Илону Маску получится разработать систему, способную доставлять 100 тонн груза в космос за два миллиона долларов, то есть за 20 долларов за килограмм, перспективы освоения Красной планеты значительно улучшатся. Китай обладает возможностью осуществлять масштабные вложения в будущее, которые окупятся в течение столетий, и неоднократно демонстрировал это. Объем его валового внутреннего продукта позволяет поддерживать такой проект, даже если правительство США не будет его финансировать.
Вероятно, власти Китая уже могли предвидеть такую возможность. Не является ли это объяснением того, что Tesla, еще одно предприятие Илона Маска, стала единственной иностранной компанией, которой разрешено владеть своим заводом в Китае на правах полной собственности?
Неужели люди, живущие на Марсе, не подвержены воздействию радиации?
Доктор
физико-математических наук Игорь
Митрофанов не так давно отметил,
наибольшей проблемой при освоении Марса является радиация. Это не излучение, которое присутствует на поверхности планеты, от которого можно защититься, разместившись под землей или укрывшись грунтом. Гораздо большую опасность представляет доза облучения, которую космонавты получат за несколько месяцев перелета к Марсу.
«На это нельзя согласиться, поскольку это будет являться нарушением, условно говоря, норм охраны труда. В связи с тем, что это не военная обстановка, отправлять людей на подобный риск никто не одобрит. В случае, если Маск решит направить людей в такую ситуацию, их родственники смогут обратиться к нему с иском в судебном порядке, — так считает ученый.
Перейдем от слов к конкретным данным. В NASA считают нормальным для астронавтов на МКС уровень радиации до 0,5 зиверта в год, что соответствует показателям «Роскосмоса». В ходе полета марсохода Curiosity к Марсу (180 дней) на его борту проводились измерения космического излучения. Полученные данные свидетельствуют о том, что астронавты, находящиеся на месте марсохода за полгода пути получили бы 0,33 зиверта. На поверхности Красной планеты также находится тот же марсоход зафиксировал 0,23 зиверта в год.
То есть среднегодовая доза облучения при полете к Марсу и нахождении там составляет приблизительно 0,45 зиверта в год, что на 10% меньше установленных нормативов как «Роскосмоса», так и NASA. Напомним: для достижения вероятности смерти в 50% необходимо пройти всего несколько часов получить 4-5 зиверт. В случае хронического облучения, а не разового, человек способен перенести даже весьма высокие дозы: Альберт Стивенс, на котором проводился подобный эксперимент в США, прожил 21 год, получая по 3 зиверта в год (в общей сложности 63 зиверта). Врачам так и не удалось найти у него признаков проблем со здоровьем: он умер в 79 лет.
Общее количество радиации, которое NASA считает допустимым для мужчин, — от 1,5 зиверта (в возрасте до 25 лет), до 2,5 — для 35-летних, 3,25 — для 45-летних и 4,0 зиверта для 55 лет. То есть даже нереалистично молодой астронавт может провести на Марсе пару лет уже в рамках существующих нормативов, а 35-летний без проблем со стороны радиации может работать там четыре года. Все это — не упоминая того факта, что реальный колонист на четвертой планете будет треть времени проводить там, куда радиация не дотянется.
Становится понятной причина, по которой Игорь Митрофанов использовал лишь общие фразы и воздержался от предоставления точных данных: подобное поведение не повлечет за собой ответственности.
Почему утверждения о радиационной опасности регулярно возникают в высказываниях тех, кто скептически относится к идее марсианской колонизации? Чтобы понять это, необходимо учитывать текущее состояние мировой космической отрасли. Какие последствия наступят после начала эксплуатации Starship? Более полусотни тысяч сотрудников «Роскосмоса» столкнутся с ощутимым психологическим дискомфортом. Оказывается, компания, существующая менее двух десятилетий, с персоналом в двадцать раз меньше и даже с меньшим объемом финансирования, чем у «Роскосмоса», смогла разработать технологию, позволяющую доставлять грузы на орбиту значительно дешевле, чем российские ракеты.
В сложившейся ситуации тем, кто работает в «Роскосмосе», остается лишь демонстрировать, что планы SpaceX не имеют под собой оснований и являются ошибочными. Подобное поведение наблюдалось ранее, когда российские эксперты высказывали сомнения в способности компании Маска осуществить посадку первой ступени Falcon на Землю.
Мы еще не раз будем наблюдать это: первый полет Starship, облет Луны и полет к Марсу — все эти события разворачиваются на фоне отсутствия у России аналогов новой ракеты-носителя. Вероятно, отечественные ученые и инженеры будут критиковать SpaceX в публицистических высказываниях.
Аналогичная ситуация сложится и у NASA: успех программы Starship поставит агентство в крайне невыгодное положение. Разрабатываемая ими многоразовая ракета SLS, предназначенная для однократных запусков, обойдется в полтора миллиарда долларов за один рейс — это в десятки, а порой и в сотни раз превышает стоимость Starship. В настоящее время представители NASA заявляют, что планы Маска кажутся излишне амбициозными. Также отмечается, что радиационный фон на пути к Марсу высок, что делает полет опасным — однако специалисты агентства никогда не приводят конкретные данные об уровне этой радиации.
В NASA работают специалисты, которые, возможно, не в полной мере осведомлены о текущих тенденциях в сфере науки, поскольку научные исследования, основанные на данных, полученных с марсохода, принадлежащего NASA, теперь доступны широкому кругу лиц. Поэтому примитивная попытка убедить людей в том, что «полет на Марс невозможен», неэффективна и таковой останется. Отношение к SpaceX западным и российским космическим ведомствам демонстрирует единство позиций. Таким образом, позиция Митрофанова представляется вполне логичной и понятной.
Марсианская колония станет реальностью, несмотря на то, что мы не ожидаем увидеть миллион жителей к 2050 году
Разработка Starship, запланированный к первому полету в космос в этом году, потребует значительных затрат и усилий. Однако опыт работы над Falcon, благодаря которому SpaceX зарекомендовала себя как наиболее динамично развивающаяся технологическая компания на космическом рынке, позволяет утверждать, что это достижимо. К середине 2020-х годов Starship будет готов к полетам, и к 2030 году люди вполне могут впервые отправиться к Марсу.
Мы испытываем серьезные сомнения относительно создания колонии численностью в миллион человек на Марсе к 2050 году. Для начала процесса терраформирования потребуется значительно меньшее количество людей, в то время как содержание крупного поселения повлечет за собой существенные финансовые издержки. Однако, вероятно, там проживет несколько тысяч человек. Наше восприятие этой перспективы как невыполнимой связано с тем, что современные технологии космических полетов технологически примитивны по сравнению с тем, что потребуется. Так же, как корабли Колумба были недостаточно эффективны для освоения Нового Света, сегодняшние ракеты не подходят для колонизации Марса.
Нельзя забывать, что между постройкой каравелл и появлением крупных океанских судов прошло совсем немного времени.