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

Август 2020 года

Новая многоступенчатая ракета, сформированная из зарекомендовавших себя блоков, отдыхает на стартовом столе на мысе Канаверал, от ее тонкой металлической обшивки в лучах восходящего солнца поднимается легкий пар. Конструкция напоминает одну из старых «Сатурн-5», ракету, которая мчала людей к берегам Моря Спокойствия. Грузоподъемность новой ракеты-носителя «Арес» примерно такая же, как у «Сатурна-5» в эпоху «Аполлонов», но внутри помещаются «рабочие лошадки» нескольких последних десятилетий, четыре главных двигателя и два боковых (твердотопливных) ускорителя от шаттла. Двигатели запускаются. Огонь и дым выписывают росчерк новой космической эры, пока «Арес» с грохотом несется в небо. Высоко над атмосферой Земли верхняя ступень «Ареса» отбрасывает отработавшие части, запускает свой единственный двигатель, работающий на горении водорода и кислорода, и толкает к Марсу 45-тонную полезную нагрузку, управляемую автоматикой, – возвращаемый на Землю аппарат.

Название возвращаемого на Землю аппарата говорит само за себя. Это устройство разработано для того, чтобы доставить экипаж астронавтов с поверхности Марса прямо в родные земные воды. Во время путешествия к Марсу ВЗА оснащен маленьким ядерным реактором, закрепленным на легкой тележке, автоматической химической лабораторией с набором компрессоров и несколькими научными роверами-марсоходами. Кабина экипажа ВЗА оснащена системой жизнеобеспечения, там есть еда и все необходимое для пребывания экипажа из четырех человек в течение восьми месяцев по дороге к Земле. Хоть на обратном пути на две стадии ускорения потребуется около 96 тонн двухкомпонентного метаново-кислородного топлива, ВЗА прибывает на Марс с абсолютно пустыми баками, имея в запасе всего 6 тонн жидкого водорода для производства горючего.

Февраль 2021 года

Двигаясь в космосе со средней скоростью примерно 27 километров в секунду, ВЗА долетает до Марса примерно за шесть месяцев. Во время снижения ВЗА использует специальную жесткую оболочку похожую на гриб, чтобы пробраться сквозь верхнюю часть тонкой марсианской атмосферы. Скорость аппарата резко падает, позволяя ему закрепиться на орбите. На ней корабль находится несколько дней для того, чтобы у сотрудников ЦУПа было время проверить все системы. Когда над выбранным местом высадки наступает ясное и почти безветренное утро и тени строго очерчены, аппарат наконец-то готов совершить посадку. Снова используя защитный чехол, ВЗА замедляется до дозвуковых скоростей, пока не раскроется парашют, который помогает совершить плавный спуск к поверхности Марса. В нескольких сотнях метров от поверхности парашют отстреливается, и зажигаются маленькие ракеты, чтобы касание было мягким.

Высадившись на рыжеватую марсианскую почву, ВЗА тут же принимается за дело, добывая топливо для обратной дороги из разреженного воздуха планеты. Дверь приземистого грузового отсека ВЗА отъезжает в сторону, и оттуда выкатывается тележка с маленьким ядерным реактором. Используя установленную на борту маленькую телевизионную камеру вместо глаз, сотрудники ЦУПа в Хьюстоне медленно уводят тележку на несколько сотен метров в сторону от места посадки. По мере движения тележки силовой кабель разматывается, сохраняя соединение химической установки ВЗА и маленького реактора. Когда тележка достигает подходящего места, лебедка поднимает реактор и опускает его в маленький кратер или другое естественное углубление в ландшафте. Реактор включается и начинает питать химическую лабораторию, выдавая 100 кВт. Теперь маленький химический завод начинает производить ракетное топливо, втягивая марсианский воздух несколькими насосами и запуская реакцию с водородом, который был доставлен с Земли на борту ВЗА. Марсианский воздух на 96 % состоит из двуокиси углерода (CO₂). Химическая лаборатория соединяет двуокись углерода с водородом (Н₂), производя метан (СН₄), который будет запасен для дальнейшего использования в качестве ракетного топлива, и воду (Н₂0). Реакция метанирования – это простой и прямой химический процесс, который применяется в промышленности с 1890-х годов. Пока реакция продолжается, мы избавлены от потенциальной проблемы хранения сверххолодного жидкого водорода на поверхности Марса. Химическая лаборатория продолжает работать, расщепляя полученную воду на составляющие ее водород и кислород. Кислород запасается для ракетного топлива, а водород заново попадает в химическую лабораторию для дальнейшего производства метана и воды. Дополнительный кислород производится еще одним способом: марсианский углекислый газ расщепляется на кислород, который потом запасается, и угарный газ, который выбрасывается как отходы. После шести месяцев работы химический заводик превратит начальный запас из 6 тонн жидкого водорода, привезенный с Земли, в 108 тонн метана и кислорода – этого достаточно для ВЗА – и дополнительные 12 тонн на поддержание аппаратов, работающих от двигателей на поверхности Марса. Используя марсианский воздух, самый легкодоступный ресурс Красной планеты, мы увеличили количество топлива, привезенного с Земли, в восемнадцать раз.

Эта цепочка химического синтеза может показаться кому-то довольно сложной, но в действительности это технология эпохи газового освещения, крайне простая по сравнению с любыми другими составляющими успешной космической миссии. Более того, миссия «Марс Директ» возможна именно благодаря концепции использования местных ресурсов. Если бы мы попытались взять с собой на Марс все нужное количество топлива, нам бы действительно понадобились массивные космические корабли, требующие многократных запусков и сборки на орбите. Стоимость миссии тут же достигла бы заоблачных высот. То обстоятельство, что местные ресурсы играют такую большую роль при подготовке миссии на Марс или к другому далекому миру не должно казаться удивительным. Представьте, чтобы случилось, если бы Льюис и Кларк решили нести с собой через Луизиану к Тихому океану все запасы еды, воды и фуража для путешествия. Для транспортировки продовольствия понадобились бы сотни повозок. Для этих повозок с продовольствием понадобились бы сотни лошадей и кучеров, которым в свою очередь понадобилось еще больше продовольствия. Такая логистическая катастрофа была бы не по карману Америке времен Томаса Джефферсона. Удивительно ли тогда, что без привлечения природных богатств Марса миссия может обойтись в 450 миллиардов долларов?

Сентябрь 2021 года

С момента запуска прошло тринадцать месяцев, полностью заправленный аппарат – ВЗА – ожидает на Марсе прибытия членов экипажа. Инженеры из Космического центра имени Джонсона НАСА следили за каждой стадией химического производственного процесса и, после того как подтвердили его успешное завершение, дали добро начать следующий этап программы «Марс Директ». ВЗА выпускает маленькие автоматические аппараты для исследования и фотографирования районов, находящихся в непосредственной близости от него. Экипаж первой человеческой экспедиции, обученный для выбора места посадки и жизненно заинтересованный в том, чтобы оно было удачным, принимает активное участие в разведывании местности, в которой находится ВЗА, с помощью этих удаленных аппаратов. После нескольких месяцев роботических исследований удается определить место посадки. Один из роботов ВЗА неторопливо движется по суровой марсианской почве и устанавливает в месте посадки транспондер (приемопередающее устройство), чтобы помочь экипажу совершить мягкую посадку.

Октябрь 2022 года

Ракета-носитель «Арес-3» с космическим аппаратом «Бигль», названным в честь экспедиционного судна, на котором Чарльз Дарвин совершил свое историческое путешествие, величественно возвышается над равнинной местностью мыса Канаверал. До открытия новой эры в человеческой истории остаются считаные мгновения. Всего несколько недель назад похожая ракета, «Арес-2», поднялась в небо над Флоридой. Идентичная первой ракете «Арес» и несущая аналогичный ВЗА, «Арес-2» все еще несется к Марсу, в то время как толпы народа собрались, чтобы посмотреть на запуск «Бигля», который доставит на Марс первых четырех людей.

Основная часть «Бигля» – жилой модуль, слегка напоминающий огромный барабан. Модуль имеет высоту примерно 5 метров и диаметр около 8 метров. Два этажа с габаритной высотой около 2,5 метров и площадью помещений около 100 квадратных метров – это довольно просторное и комфортное жилье для экипажа из четырех человек. «Хаб» (сокр. от англ. habitation module), как его все называют, имеет замкнутую систему обеспечения жизни, способную повторно использовать кислород и воду, натуральные продукты на три года и большой запас аварийных обезвоженных пайков, а также вездеход с герметичной кабиной и метаново-кислородным двигателем внутреннего сгорания (рис. 1.1.).

Четыре члена экипажа – это настоящие люди эпохи Возрождения. Они обучены нескольким смежным специальностям для выполнения своей основной задачи – всестороннего исследования нового мира. Хотя по сути это двое ученых, работающих в полевых условиях, и двое механиков. Биохимик и геолог составят компанию летчику, по совместительству опытному бортмеханику. Последний член экипажа, мастер на все руки, в первую очередь опять же бортмеханик, но он также может оказать медицинскую помощь и в общем разбирается в целях и особенностях проводимых научных исследований. Этот человек способен при необходимости взять на себя работу коллеги и выполняет еще одну функцию – является командиром миссии.

Рис. 1.1. Жилой модуль «Марс Директ» и возвращаемый на Землю аппарат внутри своих защитных аэродинамических тормозов

На борту «Бигля» четверо мужчин и женщин готовят себя к путешествию в другой мир, которое завершится на Земле примерно через два с половиной года – подобное количество времени уходило у исследователей столетия назад на то, чтобы обогнуть земной шар. В нескольких километрах от их маленького корабля более миллиона человек, собравшихся рядом с мысом Канаверал, с нетерпением ожидают старта. Двигатели нижней ступени ракеты зажигаются, извергая столбы пламени. Громкие радостные крики, каких страна не слышала десятки лет, охватывают толпу, когда «Арес-3» отрывается от стартового стола. Ракета ускоряется, поднимая верхнюю ступень и полезный груз в атмосферу. Верхняя ступень включает собственный двигатель и отделяется, придав жилому модулю необходимую скорость. Теперь четыре человека направляются к Марсу.

Пилот «хаба» направляет его подальше от отработавшей верхней ступени ракеты, вытравливая 330-метровый трос, к которому она прикреплена. Начинает работать небольшой двигатель, заставляя «хаб» и соединенную с ним тросом верхнюю ступень вращаться со скоростью 2 оборота в минуту. Таким образом достигается достаточная центробежная сила, для того чтобы обеспечить астронавтам на борту «хаба» искусственную гравитацию, соответствующую марсианской.

Апрель 2023 года

Через 180 дней полета жилой модуль прилетает на Марс. Аппарат опускает вниз трос с верхней ступенью и начинает замедляться в атмосфере. Экипаж собирается произвести жесткую посадку «Бигля» на выбранное место, используя ВЗА, которые запустили на Марс в 2020 году. Радиомаяк в ВЗА ракеты «Арес-1», детальные фотографии и карты места посадки, транспондер на посадочной площадке и отточенные навыки пилотирования фактически гарантируют точную посадку. В маловероятной ситуации, если «Бигль» промахнется, у экипажа остается три резервных варианта действий. Во-первых, у них на борту есть герметизированный вездеход, способный проехать в одну сторону почти 1000 километров. Пока экипаж находится в зоне досягаемости от места посадки, у них все еще есть возможность добраться до ВЗА по поверхности Марса. Если из-за каких-либо неблагоприятных обстоятельств «Бигль» промахнется больше чем на 1000 километров, следует использовать второй вариант. Это ВЗА, запущенный ракетой «Арес-2», который двигался по более медленной траектории, чем «Бигль», и прибудет на Марс вслед за людьми. Даже если экипаж посадит «хаб» не в том месте планеты, можно провести маневрирование и посадить этот второй ВЗА рядом с ним. И, наконец, третий вариант: экипаж прилетает на Марс с запасами продовольствия на три года – если события будут развиваться самым неприятным образом, четверка сможет это вынести и выжить на Марсе, пока в 2024 году к ним не будут отправлены дополнительное продовольствие и еще один ВЗА.

Впрочем, посадка – дело точное. Несмотря на то что члены экипажа детально изучили место посадки, видели его на снимках, снятых роверами и переданных на Землю, ничто не может подготовить человека к картине марсианского ландшафта, которая перед ним развернется. Почва цвета ржавчины, большие и маленькие хаотично рассыпанные острые камни. Небольшие холмы и дюны в некотором отдалении. Пейзажи напоминают пустыни юго-запада Америки, но под лососевого цвета небесами. Сразу после приземления предстоит сделать много всего, но люди не упускают возможность взглянуть на Красную планету, насладиться тем фактом, что за всю историю существования Земли и Марса никто еще не любовался этим видом вживую.

После того как «Бигль» успешно совершил посадку в намеченном месте, ВЗА «Ареса-2» садится примерно в 800 километрах от него, где начинает процесс производства и запасания топлива. И топливо, и ВЗА будут использованы второй экспедицией – она прибудет на это место в «хабе-2» в 2024 году, как и еще один ВЗА, который высадится в третьем по счету районе Марса. По мере продолжения работы отдельных миссий наконец-то появится сеть исследовательских баз, превращая огромные площади Марса в территории, освоенные людьми.

На поверхности Красной планеты экипаж «Бигля» проведет пятьсот дней. В отличие от традиционных планов, марсианских миссий, нуждающихся в «материнском» корабле на орбите Марса, с которого отправляются небольшие разведывательные партии, «Марс Директ» размещает весь экипаж на поверхности, где люди могут исследовать планету и учиться жить в новых условиях. Оставшиеся на орбите подвергались бы вредоносному влиянию космических лучей и нулевой гравитации. А теперь весь экипаж будет находиться под действием естественной силы тяжести, а также, благодаря марсианской атмосфере, под защитой от космических лучей и солнечной радиации, поэтому нет оснований быстро покидать Красную планету. На долю экипажа, который бы оставался на орбите, выпало бы мало дел и много космических лучей, что послужило бы значительным стимулом сократить продолжительность исследовательской программы на поверхности примерно до 30 дней. Это сделало бы миссию в целом исключительно неэффективной. В конце концов, при условии, что на полет в оба конца уходит где-то полтора года, тридцатидневная вахта на Марсе кажется довольно бессмысленной. Еще хуже то, что стремление быстрее вернуться домой вынудило бы нас вести корабли по более коротким траекториям, тратя гораздо больше топлива. Но и дополнительного запаса топлива недостаточно, чтобы вернуть космический аппарат прямо на Землю. Поскольку Земля и Марс постоянно движутся в пространстве друг относительно друга, плановые траектории по программе «быстрое возвращение» придется проложить мимо Венеры, чтобы ускориться за счет гравитационного маневра. Да и света от Солнца Венере достается вдвое больше, чем Земле.

Даже при значительной протяженности вахты на поверхности Марса каждый день членов экипажа будет заполнен исследованиями, которые сильно увеличат наши знания о Красной планете и проложат дорогу к геологической разведке в будущем и в конце концов к появлению построек и поселений людей. Появится геологическое описание Марса, которое начнет проливать свет на историю марсианского климата, объяснит, как тот перестал быть теплым и влажным, подскажет, как оживить Марс и, возможно, как спасти Землю. Геологические исследования также будут включать в себя поиск полезных ископаемых и других ресурсов. Прежде всего астронавты займутся поиском легкодоступных залежей водяного льда или, еще лучше, подземных геотермальных источников нагретой воды. Обнаружить лед или воду столь важно, потому что это освободит будущие марсианские миссии от необходимости завозить водород с Земли для производства ракетного топлива и позволит разбить крупные теплицы, когда на Марсе появится постоянная обитаемая база. Эксперименты с земледелием – еще один важный пункт в списке приоритетов, для этих целей планируется привезти с собой надувные теплицы. Однако главной задачей, к выполнению которой будет устремлено внимание всего человечества, станет поиск жизни на Марсе.

Изображения Марса, полученные орбитальными аппаратами, демонстрируют высохшие русла рек. Следовательно, по поверхности планеты когда-то текла вода – другими словами, когда-то Марс был местом, потенциально благоприятным для жизни. Геологические свидетельства подтверждают, что теплая и влажная эпоха в истории Марса длилась первый миллиард лет его существования как планеты – гораздо дольше, чем возникала жизнь на Земле. Согласно современным теориям, образование жизни из неживого вещества – это закономерный, естественный процесс, происходящий с высокой вероятностью тогда и там, где складываются подходящие условия. Если это правда, есть шанс на то, что жизнь развивалась и на Марсе. Она может до сих пор скрываться на этой планете, а могла и исчезнуть. Иными словами, открытие марсианской жизни, существующей или ископаемой, фактически докажет, что жизнь во Вселенной представлена в изобилии и что миллиарды звезд, сверкающих в чистом ночном небе, отмечают положения невообразимого количества планетных систем, населенных неисчислимым множеством видов и цивилизаций. С другой стороны, если мы обнаружим, что, несмотря на благоприятный климат, на Марсе никогда не существовало жизни, это будет означать, что она зарождается по воле случая. И тогда мы можем оказаться одни во Вселенной.

Вопрос действительно важный, и поиски жизни или ее следов будут напряженными, поскольку она может обнаружиться во множестве мест. На Марсе есть сухие русла рек и высохшие озера, которые, возможно, были последними оплотами исчезнувшей марсианской биосферы, что делает их многообещающими местами для поиска окаменелостей. Ледяные пласты, покрывающие полюса планеты, могут содержать хорошо сохранившиеся останки организмов, если те когда-то существовали. Есть высокая вероятность, что на Марсе обнаружатся грунтовые воды, нагретые теплом недр планеты. В таких условиях еще могли выжить некоторые организмы. Какая бы это была находка! Что, если бы они сильно отличались от всего, что когда-либо существовало на Земле? Изучая эти организмы, мы бы выяснили, что присуще земной жизни и что лежит в основе жизни вообще. Результаты привели бы к прорывам в медицине, генной инженерии и во всех биологических и биохимических дисциплинах.

Поиски жизни и ресурсов обязательно потребуют чуть большего, чем прогулки на несколько метров по марсианским ландшафтами и бурение одной-двух скважин. Первые исследователи Марса будут вынуждены изъездить марсианские равнины вдоль и поперек, временами теряя из виду свою маленькую базу. На вездеходе с герметичной кабиной, который позволяет астронавтам работать без скафандра, можно будет совершать дальние исследовательские вылазки длительностью в неделю. Этот ровер использует то же метаново-кислородное топливо, что и ВЗА. 10 % запаса этого горючего, произведенного химической лабораторией ВЗА, будет отводиться на освоение окрестностей. С таким внушительным запасом топлива у астронавтов будет возможность исследовать значительные площади вокруг базы, и к концу первой миссии одометр вездехода должен показывать пробег по меньшей мере в 24000 километров. Во время путешествий у экипажа ровера будет возможность оставлять на пути следования небольших роботов на удаленном управлении, которые позволят людям на базе и на Земле исследовать огромное количество мест телевизионными методами.

Такая масса исследований обязательно приведет к появлению ошеломляющих объемов информации, сплошь новой, без сомнения уникальной, так что ни один из членов экипажа не сможет ее систематизировать. Каждый астронавт будет регулярно беседовать с советами ведущих мировых экспертов, создавая большой поток информации между Марсом и Землей. Конечно же, члены экипажа будут отправлять и получать личные сообщения, но из-за запаздывания радиосигнала по пути от Марса до Земли им придется мириться с задержкой ответа, составляющей до сорока минут. Ожидание может показаться долгим тому, кто привык к телефонным разговорам, но не тому, кто способен написать добротное письмо.