Текст книги "Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете"

Предисловие

Мы решили лететь на Луну. Мы решили лететь на Луну в этом десятилетии, а также сделать многое другое не потому, что это легко, но потому, что это трудно, потому, что эта цель поможет собраться и оценить наши силы и умения, потому, что этот вызов мы готовы принять и не готовы откладывать, здесь мы намерены добиться успеха… В некотором смысле это акт веры и предвидения, поскольку мы не знаем, чего мы достигнем… Но космос зовет, и мы собираемся покорить его.

Джон Ф. Кеннеди, 1962

Настало время, когда Америка должна поставить перед собой новую значимую цель в космосе. Недавние празднования двадцать пятой годовщины высадки «Аполлона» на Луну напомнили нам, чего мы однажды достигли как нация, и это достижение ставит новый вопрос: остаемся ли мы до сих пор нацией первопроходцев? Будем ли мы прикладывать все силы, чтобы продолжить движение в авангарде прогресса как люди будущего, или же мы позволим себе быть людьми прошлого, достижения которых увековечены в музеях? Будут ли наши потомки к моменту празднования пятидесятой годовщины чтить этот задел как первый шаг к тому рубежу который бы манил к новым горизонтам? Или они будут воспринимать его так же, как некий римлянин в VII веке мог бы разглядывать акведуки и другие величественные шедевры классической архитектуры, все еще заметные среди руин, восхищенно спрашивая себя: «Это действительно мы такое воздвигли?»

Без цели не может быть развития. Американская космическая программа, начавшаяся с блистательной миссии «Аполлон» и связанных с ней программ, следующие двадцать лет по большей части бесцельно буксовала. Чтобы наша космическая программа двигалась вперед, нам нужна первоочередная задача. На данный момент на эту роль могут претендовать только разведывательные работы и заселение Марса.

Марс – четвертая от Солнца планета, удаленная от него примерно в полтора раза больше, чем Земля, а значит, более холодная. Если дневная температура на Марсе иногда поднимается до 17 °C, то ночью столбик термометра падает до -90 °C. Сейчас жидкой воды на поверхности Марса нет,[5]5
  В 2011 году сообщили о возможных потоках воды на склонах марсианских кратеров. Подробнее см., например, http://astrochemistry.ru/marsbrines.html. – Прим. пер.


[Закрыть] так как средняя температура опускается ниже точки ее замерзания. Но так было не всегда. Фотографии высохших русел рек на поверхности Марса, полученные одной из орбитальных станций, показывают, что в далеком прошлом планета была более теплой и более влажной, чем сейчас. Это делает Марс первейшей в Солнечной системе целью для поисков внеземной жизни, не важно, существует ли она сейчас или существовала раньше. Продолжительность марсианских суток близка к земной – 24 часа 37 минут, угол наклона оси вращения Красной планеты составляет 24°, что почти равно аналогичному значению для Земли, и, таким образом, на Марсе есть четыре умеренно суровых времени года, чем-то напоминающих наши. Поскольку год на Марсе длится 669 местных суток (или 686 земных), каждое из времен года примерно вдвое длиннее аналогичного земного. На Марсе много места. Несмотря на то что диаметр Марса в два раза меньше, чем у Земли, отсутствие океанов на Красной планете означает, что полная площадь поверхности Марса равна площади всех континентов Земли, соединенных вместе. При самом «удачном» расположении Марс находится от Земли всего в 60 миллионах километров, при самом «неудачном» – в 400 миллионах километров. С использованием современных реактивных двигателей полет к Марсу в одну сторону занял бы около шести месяцев, то есть значительно больше, чем трехдневные полеты «Аполлонов» к Луне, но к путешествиям такой длительности человечеству не привыкать. В XIX веке переселенцы из Европы тратили примерно столько же времени, чтобы добраться до Австралии. И, как мы увидим, технологии, необходимые для такого путешествия, вполне доступны.

Когда эта книга готовилась к печати, ученые из НАСА объявили о поразительном открытии: найдено надежное косвенное свидетельство существования древней микробной жизни в образцах камней из Антарктики, которые когда-то откололись от Марса из-за падения метеоритов. В камнях обнаружены сложные органические молекулы, магнетит и другие типичные минеральные следы жизни бактерий, а также яйцевидные структуры, соответствующие по форме бактериям. В НАСА называют это свидетельство убедительным, но не окончательным. Если мы действительно обнаружили следы жизни, их могли оставить только самые скромные представители древней марсианской биосферы, самые интересные и сложные проявления которой до сих пор скрыты в залежах окаменелостей на Марсе. Однако, чтобы отыскать их, потребуется больше, чем камеры марсоходов и удаленное управление. Понадобятся человеческие руки и человеческие глаза, которые осмотрят всю Красную планету.

Почему именно Марс?

Выбор Марса как цели межпланетного путешествия – это вопрос не просто аэрокосмических достижений, а того, останемся ли мы обществом первооткрывателей. Марс благодаря своей уникальности среди тел Солнечной системы обладает всеми необходимыми ресурсами не только для поддержания жизни, но и для развития какой-нибудь технологической цивилизации. В отличие от сравнительно пустынной Луны на Марсе есть настоящие океаны, скрытые под почвой в виде вечной мерзлоты, также есть значительные количества углерода, азота, водорода и кислорода в форме соединений, легко доступных тем, кто достаточно находчив, чтобы их извлечь. Из этих четырех элементов можно получить не только еду и воду, но и пластик, дерево, бумагу, одежду и – самое важное – ракетное топливо. Далее, Марс испытал на себе те же вулканические и гидрологические процессы, которые привели к появлению разнообразных руд на Земле. Достоверно известно, что на Красной планете существуют химические элементы, важные для промышленности. Пока мы точно не знаем, существует ли жидкая вода на поверхности планеты, но есть все основания полагать, что источники геотермального нагрева способны поддерживать горячие жидкие водоемы под поверхностью Марса. Такие гидротермальные озера могут быть пристанищем для микробов, сохранившихся со времен существования древней марсианской жизни. Они также могут стать оазисами, которые дадут достаточное количество воды и геотермальной энергии будущим людям-первопроходцам. Марс с его двадцатичетырехчасовым суточным циклом и атмосферой достаточной толщины, чтобы защитить поверхность от солнечных вспышек, – единственная планета, кроме Земли, которая позволяет разбить огромные теплицы, освещенные естественным путем. Даже за тот короткий срок, что прошел с начала исследования Марса, стало известно, что он обладает необходимыми для жизни ресурсами, которые со временем можно будет вывозить в коммерческих целях. Дейтерий, тяжелый изотоп водорода, современная цена которого приближается к 10000 долларов за килограмм, на Марсе встречается в пять раз чаще, чем на Земле.

Марс может быть заселен. Для нашего и многих последующих поколений Марс станет новым миром.

Стать местными: быстрый путь на Марс

Если углубиться в историю, обычно оказывается, что те первые исследователи и колонисты, которые потрудились перенять навыки выживания и путешествий у туземных народов, преуспели там, где никто другой не смог. Что для чужака дикая местность, то для туземцев дом: неудивительно, что именно они лучше всех знают, как найти и использовать ресурсы родной земли.

На взгляд городского жителя, арктический пейзаж кажется пустынным, бедным ресурсами и непроходимым. Однако эскимосу он представляется богатым. Так, в XIX веке британский флот отправил дорогостоящие флотилии военных кораблей на паровой тяге для исследования канадской Арктики и поиска Северо-Западного прохода. Эти экспедиции, груженные углем и продовольствием, противостояли бы ледяным торосам многие годы до тех пор, пока нехватка запасов не вынудила бы их развернуться или даже привела бы к гибели всего экипажа.

Однако в то же время небольшие команды охотников, занятых пушным промыслом, свободно путешествовали по Арктике на собачьих упряжках. Переняв навыки местных жителей, они могли прокормить себя и стаи собак местной дичью и путешествовали налегке. При незначительных затратах они продвинулись в освоении местности куда дальше, чем военно-морской флот.

Из всего этого нужно извлечь урок для исследования космоса. Но марсиан все же не существует. А если бы они все-таки были, давайте зададим себе вопросы. Как бы они путешествовали? Стали бы они импортировать ракетное топливо с Земли? Как насчет их собственного кислорода? Откуда бы они брали воду и еду? Как бы они выживали? На это есть единственный ответ: когда ты на Марсе, поступай как поступил бы марсианин.

К Марсу на собачьей упряжке

Многие предложенные концепции пилотируемых миссий на Марс напоминали тяжелый поход Королевского флота в Арктику, описанный выше. Согласно этим планам необходимы огромные корабли, которые доставят к Марсу продовольствие и топливо, чтобы обеспечить всю миссию. Поскольку такие корабли слишком велики для единовременного запуска, требуется долговременное орбитальное хранилище сверххолодного (или криогенного) топлива. Следовательно, понадобятся большие орбитальные конструкции. Стоимость подобных проектов чрезмерно велика. Один такой план, известный как «90-дневный отчет», был разработан в 1989 году в ответ на предложение администрации президента Буша-старшего под названием «Инициатива исследования космоса» и оценивался в 450 миллиардов долларов. Сумма шокировала конгрессменов, и в результате программа Буша была обречена, а многие люди с тех пор не воспринимают планы полета человека на Марс всерьез.

Однако, как и в случае с покорением Арктики, есть другой способ подступиться к миссии на Марс – принцип собачьей упряжки, если угодно. Разумно используя ресурсы, доступные в окружающей среде, которую предстоит изучить, можно уменьшить материально-технические требования к запуску миссии до приемлемого уровня.

Это основной смысл проекта «Марс Директ», нового подхода к исследованию Марса, который я предложил в 1990 году, когда был в должности старшего инженера в компании «Мартин Мариетта Астронотикс» (Martin Marietta Astronautics) и работал над развитием усовершенствованных концепций межпланетных миссий. Этот план не предусматривает использование огромных межпланетных кораблей и поэтому не нуждается в орбитальных космических базах или доках. Вместо этого экипаж вместе со всем необходимым отправляют прямо на Марс в верхней части ракеты-носителя, которая доставляет его на орбиту Земли тем же самым способом, как это делалось на «Аполлонах» и всех других безымянных межпланетных зондах, запускавшихся прежде. Такая схема запуска миссии значительно упрощает и уменьшает количество необходимой аппаратуры и избавляет от нужды тратить десятилетия и сотни миллиардов долларов на разработку и строительство орбитальной инфраструктуры. Ключевая часть плана – возможность использовать в ходе миссии собственно марсианские ресурсы непосредственно на поверхности планеты для изготовления топлива, которое понадобится для возвращения на Землю, а также для того чтобы обеспечивать астронавтов продовольствием.

Не просто желанной, а достижимой Красную планету делают именно ее богатства.

Пилотируемая марсианская программа нужна не для того, чтобы построить огромные межпланетные лайнеры, а для того, чтобы доставить с поверхности Земли на поверхность Марса полезный груз, который обеспечит выживание небольшого экипажа астронавтов, а затем вернуть тот же или подобный полезный груз назад вместе с экипажем. Если мы будем обеспечены всем необходимым, мы воспользуемся всеми преимуществами местных ресурсов и упростим логистику миссии до приемлемого уровня. Такое задание нам вполне по силам и средствам. Путешествовать налегке и жить за счет доступных ресурсов – вот он, наш билет на Марс.

Развитие новой идеи

В этой книге будет описан план проекта «Марс Директ», включая его разработку и философию миссии, компоненты оборудования и общую структуру, резервные планы и возможности прерывания и, наконец, его эволюционный потенциал. В 1990 году, когда я и мой основной помощник по разработке проекта Дэвид Бейкер предложили первую версию плана, многие работники НАСА посчитали его слишком радикальным для того, чтобы относиться к нему серьезно. Однако некоторые его восприняли с энтузиазмом, и, потратив некоторое время на терпеливые объяснения и отсекание альтернативных вариантов, я преуспел и добился значительной поддержки. Стали активно подключаться к работе многие новые люди, и с их помощью решения по поводу концепции стали приниматься все быстрее. В 1992 году меня пригласил обсудить проект доктор Майкл Гриффин, бывший в то время заместителем руководителя по исследованиям НАСА, и немедленно решил оказать значительную поддержку. Гриффин тогда обсудил проект с будущим директором НАСА Дэниэлом Голдином, также ставшим сторонником проекта, и пошел дальше: обсуждал проект на нескольких встречах с общественностью, проведенных НАСА в 1992 и 1993 годах.

При поддержке Гриффина и Голдина я получил возможность вернуться в Космический центр имени Джонсона в НАСА и убедить группу, ответственную за разработку пилотируемых марсианских программ, хорошенько присмотреться к моему проекту. Она провела детальное исследование миссии «Сравнение дизайнов»,[6]6
  Design Reference Mission, программа НАСА по изучению проектов миссий, связанных с отправкой человека на Марс. – Прим. пер.


[Закрыть] созданной на базе проекта «Марс Директ», но примерно вдвое увеличила размер экспедиции по сравнению с тем, что предлагался в первоначальной концепции. Далее группа оценила стоимость программы по изучению Марса, основанной на расширенной версии «Марс Директ». Их оценка – 50 миллиардов долларов на разработку всей необходимой аппаратуры и отправку на Марс трех полноразмерных миссий. Та же группа пришла к выводу, программа НАСА «90-дневный отчет», воплощающая традиционный громоздкий подход, обойдется в 450 миллиардов долларов. По моему мнению, если отказаться от лишнего оборудования и уменьшить экипаж, стоимость миссии Космического центра имени Джонсона «Сравнение дизайнов» можно было бы сократить примерно до половины, то есть до 20–30 миллиардов долларов.

Также коллектив Космического центра имени Джонсона выдал компании «Мартин Мариетта» небольшую сумму денег, если точнее, 47 тысяч долларов, чтобы продемонстрировать, что мое предложение по преобразованию марсианской атмосферы в ракетное топливо сводится к простой технологии из химической инженерии. Для демонстрации за три месяца мы построили натурную установку, которая работала с эффективностью 94 %. Демонстрация получилась более чем убедительной, учитывая, что ни я, ведущий инженер проекта, ни кто-либо еще из команды фактически не был инженером-химиком по образованию. Если мы смогли построить такое устройство, то это не так уж и сложно.

Мы можем это сделать

20–30 миллиардов долларов – это немалые деньги, но сумма примерно того же порядка необходима на разовую большую закупку новой системы вооружения; эта сумма примерно сравнима с той, которую правительство США выдало Мексике однажды летом 1995 года. Если распределить эти деньги на двадцать лет, первые десять из которых уйдут на разработку оборудования, а следующие – на полет миссии, необходимая сумма составит от 8 до 12 % нынешнего бюджета НАСА. Это затраты, которые Америка легко может себе позволить ради того, чтобы открыть человеческой цивилизации путь в новый мир.

Разведывание Марса не требует новых чудодейственных технологий, орбитальных космических портов, двигателей на антивеществе или гигантских межпланетных лайнеров. Мы можем установить наш первый форпост на Марсе в течение десятилетия, используя зарекомендовавшие себя инженерные методы, разработанные и отточенные благодаря здравомыслию наших предшественников.

Как мы достигнем этого результата и для чего нам это нужно – вот две темы этой книги.

Об этой книге

Эта книга подводит итог многолетней технической работе над практическими планами по разведыванию Марса. Хотя нетрудно догадаться, что планы пилотируемых марсианских миссий опираются на техническую сторону дела в деталях, но от нее мало зависит принципиальная выполнимость. Это скорее вопрос стратегии, что очевидно любому, кто готов задуматься и владеет основной информацией.

К несчастью, такая информация в нужное время была труднодоступна для общественности. Существующая научно-популярная литература про пилотируемые полеты на Марс страдала туманностью или наивностью, тогда как техническая – сбивчивостью, невразумительностью и зачастую необъективностью. Для образованного читателя, не являющегося специалистом в технике и космонавтике, действительно не было книг удовлетворительного качества по обсуждаемой теме. Отчасти «Курс на Марс» – попытка исправить ситуацию.

В этой книге я попытался соблюсти баланс между техническими подробностями и повествованием. Довольно просто объявить о том, что дизайн одного проекта удачнее другого, но это слегка лицемерно, поскольку решающие аргументы кроются именно в технических подробностях. Некоторые главы в большей степени посвящены им, чем другие (глава 4, что описывает в деталях «Марс Директ», и глава 5, где объясняется, почему аргументы против пилотируемых марсианских программ – не более чем страшные сказки), однако все они будут понятны и новичкам, и знающим читателям. Если по какой-то причине вы перестанете понимать, для чего приведены какие-то из цифр, продолжайте читать – вы довольно быстро освоитесь.

Я – инженер, специализирующийся на космической технике, а раньше преподавал естественнонаучные дисциплины, поэтому я стараюсь излагать ясно и четко. Я (в противовес отдельным моим коллегам-ученым, которые предпочитают острить) придерживаюсь основного принципа, согласно которому Ясность не враг Истины, а ее первейший союзник. Кроме того, я глубоко убежден, что такие волнующие и жизненно важные для нашего будущего вещи, как освоение человечеством новой планеты, не должны быть достоянием технической элиты, но должны быть открыты для рассмотрения каждому желающему. Поэтому к написанию этой книги я привлек в качестве соавтора моего давнего друга Ричарда Вагнера, который как бывший редактор AdAstra, популярного журнала о космических исследованиях, издававшегося Национальным космическим обществом, накопил многолетний опыт по донесению научных аргументов до широкой публики. Я полагаю, с его помощью и помощью Митча Горовица, нашего могущественного редактора из The Free Press, «Курс на Марс» может с успехом растолковать широкой общественности настоящие проблемы и задачи исследования Марса астронавтами.

Поскольку в конечном счете на Марс мы полетим благодаря тому, что вы умеете понимать.

Глава 1
«Марс Директ»

Планета Марс – мир, от пейзажей которого захватывает дух: эффектные горы в три раза выше Эвереста, каньоны в три раза глубже и в пять раз длиннее, чем Большой Каньон в США, огромные ледяные поля и высохшие русла рек и ручьев, протянувшиеся на тысячи километров. Его неисследованная поверхность может скрывать невообразимые богатства и ресурсы для людей будущего, так же как и ответы на некоторые глубинные философские вопросы, тысячелетиями мучившие человечество. Более того, Марс однажды может стать домом для энергичной новой ветви нашей цивилизации, новым рубежом, колонизация и рост которого станут двигателем прогресса всего человечества. Но все, чем владеет Марс, навсегда останется за пределами нашего понимания до тех пор, пока люди не ступят на его суровую поверхность.

Кто-то сказал, что человеческий полет на Марс – авантюра для далекого будущего, задача для следующего поколения. Но у нас уже имеются все необходимые технологии для того, чтобы в течение десятилетия начать долгосрочную программу покорения Марса. Мы можем добраться до Красной планеты на относительно небольшом космическом корабле, запущенном прямо к ней ракетой-носителем, и пользуясь теми же технологиями, что помогли доставить астронавтов на Луну более сорока лет назад.

Как такое возможно? Глядя почти на любой план пилотируемой марсианской программы, будь он сделан в 1950-е или 1990-е годы, мы увидим огромные корабли, тянущие к Марсу продовольствие и топливо, необходимое для миссии. Размер космического корабля намекает на то, что загружать его надо на орбите Земли: составные части слишком громоздки, чтобы можно было запустить их с земной поверхности за один раз. Это означает, что на орбите должна размещаться параллельная вселенная с гигантскими кораблями, «сухими доками», ангарами, криогенными заправочными станциями, электростанциями, пунктами технического обслуживания и мастерской по сборке модулей для экипажа, чтобы обеспечить монтаж космических кораблей и хранение огромных объемов топлива. Именно из-за этого представления распространилось мнение, что миссия на Марс обойдется в сотни миллиардов долларов и будет опираться на технологии, которые недостижимы в ближайшие лет тридцать.

Все-таки высадка людей на Марс не требует ни волшебных новых технологий, ни значительных денежных затрат. Нам не нужно строить футуристические космические корабли, похожие на звездный крейсер «Галактика». Скорее всего, нам просто надо помнить о здравом смысле и использовать технологии, которые есть у нас под рукой сейчас, путешествовать налегке и жить за счет местных ресурсов точно так, как это делали в прошлом в большинстве земных разведывательных экспедиций. Жить за счет того, что дает местная природа, – то есть разумно использовать имеющиеся в округе ресурсы – это не только способ, который помог завоевать Запад; это способ, которым была покорена Земля и может быть покорен Марс. Традиционные проекты по освоению Марса непомерно масштабные и дорогостоящие, поскольку предполагают, что нам придется забрать с собой с Земли все необходимое для двух– или трехлетней миссии и возвращения домой. Но, если необходимые расходные материалы можно вместо этого производить на Марсе, ситуация кардинально меняется.

Начиная с весны 1990 года я возглавил группу инженеров и исследователей в компании «Мартин Мариетта Астронотикс» в Денвере для разработки плана по первой высадке на Марс. План назвали «Марс Директ», и он представляет собой самый быстрый, самый безопасный, наиболее практичный и наименее дорогой способ начать разведку и покорение Марса.

Название «Марс Директ» можно перевести как «Прямо к Марсу», то есть оно говорит само за себя. Проект отбрасывает необязательные, дорогие и затратные по времени этапы: не нужно собирать корабли на низкой околоземной орбите; не нужно перезаправлять их в космосе; не нужны ангары на увеличенной космической станции; не требуется длительная разработка лунных баз в качестве подготовки к разведыванию Марса. Отказ от всего этого позволит совершить высадку на Марс, возможно, на двадцать лет раньше, без раздутых административных затрат, от которых страдают долгосрочные программы правительства.

По грубой оценке, бюджет «Марс Директ» находится в пределах 30 миллиардов долларов, которые пойдут на разработку необходимого оборудования, а каждая отдельная миссия на Марс стоила бы 3 миллиарда долларов, если бы космические корабли и снаряжение находились бы в процессе производства. Несмотря на то что сумма действительно велика, ее можно распределить на десять лет, в таком случае она составит около 7 % объединенных военного и гражданского космических бюджетов. Более того, эти деньги могут продвинуть нашу экономику вперед точно так же, как 100 миллиардов долларов (если перевести на сегодняшние деньги), выделенные на науку и технологии программы «Аполлон» и вложенные при высоком темпе экономического роста в Америке в 1960-х годах.

С позиции житейской мудрости «Марс Директ» выглядит привлекательным из-за его простоты, но также он может показаться невыполнимым – масса горючего и продовольствия, необходимых для полета людей на Марс, слишком огромна для прямого запуска с Земли. Подобные рассуждения верны во всем, за исключением одного пункта: требуемые для полета на Марс топливо и продовольствие не нужно брать на Земле. Их можно «найти» на Марсе.

На сегодня план «Марс Директ» выглядит следующим образом.