Для работы химических двигателей, необходимых для полета на Марс, потребуется — что может показаться неожиданным — транспортировка ядерного реактора. Речь идет о разработке реактора, которого на данный момент нет у Соединенных Штатов, и создание которого представляется наиболее простым для «Росатома». В ближайшее время достижение договоренностей между Москвой и Вашингтоном в этом вопросе маловероятно. Таким образом, процесс колонизации Марса будет напоминать аттракцион «американские горки» — с чередованием взлетов и падений, а также с общей непредсказуемостью дальнейшего развития событий. Naked Science попытался проанализировать детали этой истории.
Энергозатраты, связанные с космическими перелётами, обычно характеризуются величиной «дельта V», которая представляет собой изменение скорости, необходимое для перемещения из одной точки пространства в другую. Для выхода с орбиты Земли требуется «дельта V» в диапазоне от 9,3 до 10 километров в секунду, а для достижения Марса после этого – ещё 4,1 километра в секунду. При более детальном анализе общая «дельта V» превышает 14 километров в секунду. Это значительно больше, чем примерно 11 километров в секунду, которые требуются для полёта к Луне. Важно отметить, что для возвращения с Марса потребуется приложить эти 14+ километров в секунду дважды.
Полеты к Луне или к карликовой планете Церера, расположенной в Поясе астероидов, будут существенно отличаться от посадки на Марс, поскольку энергетические затраты в этих случаях сопоставимы. Добраться до Луны или Цереры с запасом топлива, взятым на Земле, и даже вернуться обратно – вполне возможно. С Марса же такой возможности не будет: тот, кто совершит посадку на эту планету, не сможет взлететь с топливом, полученным еще на Земле. Для посадки на Марс требуется слишком большая «дельта V»: точных расчетов пока нет, но, судя по всему, она потребляет все (или почти все) топливо. Следовательно, горючее и окислитель придется (и Илон Маск первый признает это) потребуется время для извлечения ресурсов на Красной планете, что, вероятно, повлечет за собой необходимость создания базы.
Даже если бы обратный путь с Марса на Землю был возможен без дозаправки, строителям марсианской базы все равно пришлось бы столкнуться с проблемой: Марс и Земля оказываются примерно на одной линии, проходящей через Солнце, лишь раз в два года. Даже при использовании Starship полет туда займет четыре месяца, а менее мощные средства доставки потребуют полгода. Таким образом, когда земной корабль достигнет поверхности другой планеты, возвращение станет невозможным: Земля оторвется на значительное расстояние, и придется ждать следующего сближения с Марсом — не менее 22 месяцев. Поэтому строительство базы представляется неизбежным. Но это подразумевает сотни тонн строительных материалов, которые земной корабль просто не сможет доставить. Что же делать?
А где у вас тут на Марсе стройматериалы продают?
Как правило, предполагается, что заселение четвертой планеты, вероятно, астронавтами (поскольку, возможно, именно они станут первыми и последующими поселенцами), будет осуществляться в защищенных убежищах, расположенных под толстым слоем грунта. Это объясняется высоким уровнем радиации: согласно данным, полученным марсоходом «Кьюриосити», ее уровень там 0,23 зиверта в год. На Земле она составляет всего уровень в 0,0032 зиверта в год на 72 раза ниже. Защита от ионизирующего излучения представляется обоснованной, учитывая его потенциальную опасность, не так ли?
Шон О’Киф, бывший глава NASA, так и говорит: «У нас недостаточно средств радиационной защиты для обеспечения безопасности людей в этом месте. Из-за нее туда невозможно добраться, не говоря уже о возвращении».
Для размещения базы в грунте требуются готовые герметичные конструкции, которые затем можно будет засыпать местным грунтом. Идея «напечатать» стенки из марсианского реголита с помощью 3D-принтера, звучавшая неоднократно, пока выглядит скорее как фантазия, чем как осуществимый план. Даже металлические стенки могут незначительно пропускать газы. Стены, изготовленные из грунта, даже после термической обработки, неизбежно будут слишком хрупкими. А дефицит кислорода и азота на Марсе делает риск их потери неприемлемым.
Для организации производства метана и кислорода в условиях Марса потребуется не менее шести человек. Двое из них будут осуществлять посменную доставку водяного льда, являющегося обильным ресурсом на планете, из которого необходимо извлекать кислород и водород – ключевые компоненты для синтеза метана. Еще двое будут контролировать работу химического оборудования, используемого для переработки водяного льда на базе. Двое других будут обеспечивать поддержку первых двух групп и выполнять работы по обслуживанию базы. Первоначальное присутствие большого количества людей нежелательно, поскольку это потребует значительных запасов продовольствия, скафандров и сопутствующего оборудования.
Для шести человек база потребует площади, сопоставимой с размерами Международной космической станции. Масса МКС превышает 400 тонн. Получение электроэнергии для марсианской базы представляет собой более сложную задачу, поскольку на орбите Марса солнечная активность в три раза ниже, чем на околоземной. Для обеспечения необходимого количества энергии потребуется больше ресурсов, что может привести к увеличению массы базы свыше 400 тонн.
Максимальная полезная нагрузка Starship составляет 100 тонн, в отдельных случаях – до 150 тонн. Одновременно этот корабль не сможет транспортировать и герметичные модули для базы, рассчитанной на шесть человек, и самих этих шести астронавтов.
Возможно, создание базы данных будет осуществлено с помощью автоматизированных систем?
Возникает альтернативное решение, которое ранее часто встречалось в научно-фантастической литературе, а теперь и в научно-популярных публикациях. Нельзя ли отправить на Марс с первым Starship роботов, способных возвести базу из доступных ресурсов? В крайнем случае, просто перевернув Starship с помощью, например, домкрата, и присыпав его грунтом для защиты от радиации?
К сожалению, эта концепция предполагает, что большинство людей на Земле плохо осведомлены о фактическом уровне развития робототехнических решений, доступных им. Если мы будем слепо доверять публикациям в СМИ, то можно будет поверить, что у нас уже есть роботы, которые активно исследуют другие планеты, например, «Кьюриосити». На нашей планете уже функционируют беспилотные автомобили. А роботы, применяемые в строительстве, промышленности и даже при сборе яблок, в скором времени могут привести к сокращению рабочих мест для людей.
Наши роботы, в первую очередь, не обладают интеллектом. Это ограничивает их возможности до выполнения заранее запрограммированных последовательностей действий, которые нередко приводят к ошибкам в условиях постоянно меняющейся обстановки. Кроме того, система передвижения роботов значительно уступает человеческой. Обученный человек способен преодолевать сложные участки без продовольствия, используя собственные ноги 300 километров без остановки, а роботов, которые на такое способны, точно нет. Человек может карабкаться по горным склонам на километры, залезать на деревья и много чего еще. Роботов, которые в силах сотворить что-то подобное на нашем уровне, не существует. Степеней свободы у их манипуляторов намного меньше, чем у нас.
Действительно, до сих пор у нас нет серийных роботов-пылесосов, способных подниматься по лестнице. И тем более, они не умеют самостоятельно очищать себя. В противном случае, при отсутствии ухода со стороны владельца, они быстро выходят из строя. Ситуация еще более сложная для роботов, работающих на других планетах. «Кьюриосити» в роботизированном режиме может проехать всего сотню метров, а затем приостанавливается и ожидает ежедневного получения инструкций с Земли.
Он делает это не из-за отсутствия других задач у операторов, а потому, что даже при столь консервативной рабочей схеме марсоходы на Земле регулярно застревают в дюнах, из которых не могут выбраться. Порой это приводит не только к потере времени, а к их гибели. Сотрудник Института космических исследований РАН Алексей Малахов, участвовавший в проекте «Кьюриосити говорит прямо: появление полностью роботизированных марсоходов, способных функционировать без ежедневного управления с Земли из-за ограничений в скорости связи, маловероятно и не произойдет, пока аналогичные системы не станут успешно работать на Земле. Скорее всего, к моменту их создания наступит другая эпоха.
Следует отказаться от идеи строительства на Марсе с использованием автоматизированных систем. Ежедневные сеансы связи и преодоление всего лишь 100 метров за раз делают этот подход нецелесообразным со скоростью улитки — как у марсохода «Кьюриосити», оказалось недостаточным для проведения бульдозерно-экскаваторных работ на другой планете. Ярким примером этого служит тот факт, что за пять десятилетий исследований Марса максимальная глубина, достигнутая нашими роботами при его разработке, не превысила 45 сантиметров.
Людям не составит труда засыпать грунтом отдельные модули. Опыт лунных миссий показывает, что даже в громоздком скафандре и с использованием примитивного инструмента человек способен добыть значительно больше и быстрее, чем любой созданный нами автоматизированный космический аппарат. Тем не менее, база должна быть построена первой экспедицией землян, а не эффективными роботами, которые пока существуют лишь в фантастических произведениях.
Вопрос о возможности использования беспилотного Starship, совершившего посадку до пилотируемой миссии, в качестве базы требует рассмотрения ряда факторов. Теоретически, Starship можно уложить на бок, чтобы использовать его обшивку как опору. Однако, засыпать грунтом цилиндрический аппарат высотой девять метров и длиной в десятки метров для нескольких человек – задача весьма сложная. Кроме того, на Марсе присутствует значительное гравитационное притяжение, и при укладывании корабля на бок он, скорее всего, будет поврежден: либо из-за разгерметизации от удара, либо из-за длительной деформации на неровностях поверхности.
Западные СМИ утверждают, что Starship может спровоцировать моральный кризис?
Возникла типичная дилемма: для возвращения людей с Марса на Землю необходима база, однако доставить её к Красной планете невозможно из-за ограничений по полезной нагрузке космического корабля. Каким образом можно разрешить эту проблему?
Наиболее простой — и, пожалуй, единственный осуществимый — вариант предложил ведущий разработчик Starship, Илон Маск. По его мнению, астронавтам на Марсе не требуется радиационная защита. Следовательно, не нужна и наземная база: вполне достаточно проживания на борту подготовленного Starship. При этом, герметичный объем корабля превышает тысячу кубометров, что сопоставимо с объемом МКС.
Его точка зрения является одним из факторов, объясняющих, почему западные СМИ, известные своей политкорректностью называет его корабль «более моральной катастрофой, чем ярким шагом в освоении космоса». Астробиолог Саманта Рольф ( Samantha Rolfe) из Хартфордширского университета Великобритания так и пишет: «Выражаю сомнение в том, насколько справедливо и оправданно требовать от космонавтов подвергать себя воздействию опасных уровней радиации, что может привести к серьезным проблемам со здоровьем или даже летальному исходу».
Однако астробиолог, подобно главе NASA, упомянутой ранее, ошибается, а Маск прав. Защита от радиации для первой экспедиции на Марс на самом деле не требуется. Чтобы разобраться в этом, необходимо не сравнивать уровень радиации в марсианской экспедиции с земным, а определить, какой именно уровень радиации представляет опасность для Homo sapiens.
Согласно оценкам NASA и «Роскосмоса», допустимый уровень радиационного воздействия составляет», равен 0,5 зиверта в год (а суммарный на всю карьеру астронавта — до 4,0 зиверта). Маск заявляет о возможности доставки людей на Марс за четыре месяца, однако, учитывая консервативный подход, предполагаем, что этот срок составит не менее шести месяцев. Марсоход «Кьюриосити», не имевший радиационной защиты, преодолел это расстояние за полгода и зарегистрировал 0,33 зиверта. Дополнительный год пребывания на Марсе с дозой радиации в 0,23 зиверта и обратный путь в сумме дают 0,89 зиверта за два года, что значительно ниже общепринятого стандарта в 0,5 зиверта в год.
Необходимо внести уточнение: данные, представленные NASA и «Роскосмосом», являются оценочными и базируются на довольно сомнительной линейной беспороговой гипотезе. В научной литературе о ней прямо пишут так: «преднамеренно сверхконсервативная основа для стандартов радиационной защиты». Сверхконсервативная она потому, что делает пока ничем не доказанное предположение, что дозы радиации, не вызывающие лучевой болезни и иных подлежащих обнаружению симптомов, все равно как-то наносят вред здоровью — например, повышают риск рака.
Несмотря на опасения, подтвердить их не удалось: исследования показывают обратное, а низкие дозы радиации, не превышающие установленный предел, не оказывают негативного влияния на организм.
Фактически, установленный порог в 0,5 зиверта в год является чрезмерно осторожной величиной. Достоверно известен случай, когда человек получал по три зиверта в год многие годы подряд, но никакого вреда для здоровья от этого так и не было.
Да, существуют научные исследования, в которых в заключении утверждается: «Космические лучи негативно влияют на когнитивные функции грызунов». Однако при детальном изучении содержания этих работ можно обнаружить, что выясняется: грызунов облучали дозой в 0,3 Грей с использованием ядер атомов титана-48. Однако стоит отметить, что лишь незначительная доля космических лучей формируется из ядер настолько тяжелых (и, следовательно, глубоко проникающих) атомов. Преобладающими ядрами в составе космических лучей являются ядра атомов водорода и гелия (в десятки раз легче ядер титана), а также, в редких случаях, ядра атомов углерода (значительно легче ядер титана). Легкие ядра атомов активно замедляются в покровных тканях живых организмов и практически не достигают мозга. Таким образом, подобные исследования не вполне соответствуют действительности: они подвергают грызунов воздействию облучения, отличного от космического.
Для оценки степени неточности необходимо напомнить, что ядра атомов, таких как титан, приводятся к дозе в зивертах, умножая в 20 раз. В упрощенном понимании, биологический эквивалент 0,3 грей, указанный в статье о воздействии космических лучей на здоровье, составляет приблизительно шесть зиверт. Это соответствует дозе, равной семи последовательных экспедициям на Марс. Только несчастным грызунам эта доза была получена не за 14 лет, как это было бы у реальных путешественников на Марс, а за считаные минуты. Будто мыши попали под близкий ядерный удар. Шесть зиверт, полученных за минуты, для большинства людей оказались смертельными закончатся летальным исходом.
На этом фоне намного честнее выглядит работа российских ученых в Neuroscience, в рамках исследования крысы линии Вистар были подвергнуты воздействию радиации в течение 860 дней, что имитирует типичную двухлетнюю миссию на Марс. Примечательно, что животных облучали не только ядрами титана, которые в космосе встречаются в крайне малых количествах, а реалистичным комплексом космических лучей — состоящим из более легких частиц, характерных для природной среды.
Несмотря на это, однозначно определить вред от радиации не удалось, так как зафиксировать его в ходе эксперимента не представилось возможным. Вместо этого радиационное воздействие улучшило когнитивные возможности крыс в сравнении с контрольной группой. Хотя механизм этого улучшения неизвестен, авторы честно отмечают, что о положительном воздействии, в том числе антидепрессивном, таких доз радиации стало известно значительно раньше.
Несмотря на это, многие эксперты в области космонавтики утверждают, что полёты человека на Марс невозможны из-за воздействия радиации. Возможно, на это влияет тот факт, что ни NASA, ни «Роскосмос» не планируют собственные марсианские миссии, а попытки представить планы SpaceX как рискованные – распространенный способ оправдать отсутствие собственных действий перед государством и налогоплательщиками.
Как обеспечить выживание за пределами Земли в течение двух лет: вопросы дыхания и потребления воды?
Решение о создании базы на четвертой планете принято. Без нее там люди не смогут существовать вполне защищены по стандартам NASA, поэтому в первой экспедиции точно не следует обваливать их жилища грунтом. Означает ли это, что выживание будет легким?
К сожалению, это невозможно. Причин тому две. Прежде всего, обеспечить выживание в космосе в течение двух лет без поддержки с Земли — задача крайне сложная. Действительно, экипажи МКС функционируют в подобных условиях уже два десятилетия. Однако на станцию регулярно доставляют воду и продовольствие. А как быть марсианским поселенцам?
Водяного льда на Красной планете, как недавно установили российские ученые из Института космических исследований РАН, даже у экватора как минимум сотни миллионов тонн. Получаемые при разложении воды кислород и водород понадобятся первой экспедиции туда, чтобы наработать метан и кислород для Starship.
Производство топлива для Starship требует значительных усилий, однако даже небольшие отходы с топливного стола содержат достаточно воды и кислорода (который также является продуктом производства топлива), чтобы обеспечить экспедицию кислородом на несколько лет. Это связано с тем, что для дыхания требуется всего около килограмма кислорода в день, а воды – всего пара литров.
Марсианская еда: советский опыт
За два года шесть человек потреблят около четырех тонн продовольствия — такое количество легко поместится в Starship. Однако, стоит учитывать перспективы: будущие миссии потребуют больше участников, а для них понадобится значительно больше еды. Поэтому необходимо уже сейчас продумать возможности самообеспечения.
В 1972 году в Институте биофизики РАН (Красноярск) построили герметичное помещение на 315 кубометров (14х9 на 2,5 метра) со стенами из нержавеющей стали. Интересно, что это примерно треть внутреннего объема Starship — тоже, кстати, построенного из нержавейки. В помещение заселили троих условных «космонавтов», поставили четыре отсека с микроводорослями и оранжереями. Водоросли поглощали выдыхаемый людьми СО2 и выделяли кислород, а оранжереи поставляли карликовую пшеницу (чтобы занимала меньше места), сою, салат, чуфу (источник растительного масла), картошку, редис, морковку, свеклу, капусту, огурцы и прочие укроп с луком.
Для выращивания растений требовалось небольшое пространство: выяснилось, что пшеницу в оранжерее можно собирать до шести раз в год. Каждому из трех «бионавтов» полагалось по 300 граммов хлеба и 400 граммов овощей, выращенных ими, ежедневно. 80% потребляемой ими пищи обеспечивалось непосредственно из оранжерей, а лишь 20% приходилось на консервированные продукты животного происхождения. Эксперимент назывался «БИОС-3» и продолжался полгода (короткий популярный фильм о нем можно увидеть здесь). Его можно было продлить, но…
«Стало очевидно, что дальнейшая работа над проектом нецелесообразна: замкнутая система жизнеобеспечения, разработанная в «БИОСе», функционирует идеально. Конвейер, искусственно созданный для производства воды, кислорода и пищи, не испытывает сбоев».
Данный проверенный метод значительно превосходит печально известный американский эксперимент «Биосфера-2», когда под куполом пытались воссоздать полноценную экосистему, возникли проблемы: бактерии и тараканы начали неконтролируемо размножаться, и эта биота начала активно конкурировать за кислород с человеком, что затрудняло дыхание внутри. Избежать подобного развития событий оказалось несложно, так как экосистема «БИОС-3» была относительно простой и, следовательно, легко контролируемой. Неудивительно, что Илон Маск изучал советские разработки в области космонавтики, поскольку он, безусловно, знаком с результатами проекта «БИОС-3» и, вероятно, применяет их при создании условий на Марсе.
Последний штрих: энергетическая ловушка
Для марсианской миссии база потребуется уже в первом полете. Придется использовать сам космический корабль, чтобы создать ее. На борту необходимо будет установить фитотроны, аналогичные тем, что есть в «БИОС-3», где будут выращиваться пшеница и укроп. Реактор Сабатье будет использоваться для удаления углекислого газа, а кислород – для получения из воды, которая на Марсе присутствует в достаточном количестве.
Тем не менее, это не означает, что все трудности решены и жизнь экипажа станет безоблачной. Ежедневно ему предстоит перевозить на транспортных платформах около тонны льда, добываемого из верхних слоев грунта, где он прикрыт лишь тонким слоем реголита. Эти куски придется растапливать в ваннах внутри Starship, а потом разлагать электролизом. Затем реактор Сабатье сделает из водорода, кислорода и углекислого газа местной атмосферы метан + кислород для двигателей Raptor.
И тут начинаются настоящие проблемы. Как показал бывший сотрудник NASA Роберт Зубрин в научной работе еще 2012 года, одна тонна метан-кислородного топлива процессом Сабатье получается при затрате 17 тысяч киловатт-часов. В эти 17 тысяч киловатт-часов на тонну топлива не входят энергозатраты на получение водорода и кислорода, без которого реакция Сабатье не пойдет. Килограмм водорода требует минимум 40 киловатт-часов, а для заправки Starship его нужны многие десятки тонн. Да и кислорода потребуется сильно больше 800 тонн. Чтобы успеть наработать 1200 тонн топлива за год, Starship понадобится, во-первых, более 20 миллионов киловатт-часов на реакцию Сабатье, а, во-вторых, около четырех миллионов киловатт-часов на добычу (и хранение при очень низких температурах) кислорода и водорода.
Согласно расчетам Зубрина, вес необходимого химического реактора составляет 50 килограммов на килограмм производимого топлива в сутки. Для годовой наработки 1200 тонн топлива Starship потребуется установка, способная производить не менее трех тонн топлива в сутки, что подразумевает вес до 100-150 тонн. Возможно, оборудование для химического реактора Сабатье можно доставить с помощью беспилотного Starship заранее, вблизи места посадки пилотируемого корабля. Несмотря на сложности, реактор поместится в полезную нагрузку беспилотного Starship».
Где же взять порядка 25 миллионов киловатт-часов, необходимых для наработки топлива? Даже самые современные фотоэлементы, изготовленные на основе арсенида галлия, способны генерировать лишь около 500 киловатт-часов на квадратный метр в год, даже на экваторе Марса. Очевидно, доставка с собой более 50 тысяч квадратных метров солнечных батарей, без которых невозможно получение требуемого объема энергии, представляется крайне сложной задачей. Ведь они обладают значительным весом. Помимо этого, их необходимо будет установить на поверхности (что добавляет вес стоек и крепежа), соединить между собой (плюс вес кабелей), а также регулярно очищать от пыли, что потребует привлечения дополнительного персонала, нуждающегося в обеспечении всем необходимым).
Доставка реактора мощностью в несколько мегаватт на четвертую планету окажется гораздо более простой задачей. В связи с этим потребуется отправить еще один пустой Starship (с атомным грузом). При этом реактора будет достаточно для обеспечения процесса Сабатье по производству метана (при круглосуточной работе), для электролиза воды с получением водорода и кислорода, а также для удовлетворения всех остальных потребностей экспедиции.
У SpaceX отсутствует лицензия на работу с ядерными технологиями, что, согласно законодательству США, исключает возможность разработки атомных реакторов. В NASA даже в проектах не предусмотрено использование реакторов с электрической мощностью в мегаватты. Подобные разработки существуют в проектах «Роскосмоса», однако текущее состояние отношений между нашими странами делает получение реактора из России маловероятным для Вашингтона.
Существует ли решение этой проблемы? На данный момент это лишь теоретическая возможность. Рассматривается вариант отправки на орбиту Марса — а возможно, и на его поверхность — около двенадцати кораблей Starship, каждый из которых доставит на планету по 100 тонн топлива. Однако для возвращения людей потребуется безотказная посадка более десяти космических аппаратов. Причем посадка должна осуществляться в непосредственной близости друг от друга, что сопряжено с определенными рисками. Размещение посадочных площадок на большем удалении друг от друга исключается, поскольку перекачка жидкого кислорода и метана на значительные расстояния на другой планете является крайне рискованной и ресурсозатратной операцией.
Даже в случае успеха SpaceX, проект обойдется недешево. Если один из кораблей пострадает в аварии, возвращение экипажа может быть невозможным. Конечно, колонисты смогут просуществовать на поверхности Марса в течение многих лет, используя растительную пищу из фитотронов и добывая воду из местных ресурсов. Однако, с точки зрения публичной оценки, подобный сценарий выглядит неблагоприятным. Полеты на Марс не должны быть односторонним билетом.
Из этого следует весьма неожиданный вывод: либо SpaceX потребуется разработать собственный атомный реактор, способный генерировать энергию в диапазоне нескольких мегаватт, либо, с учётом существующей напряжённости в отношениях между Россией и США, первая высадка на Марс обернётся непредсказуемым и экстраординарным событием.