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

Сентябрь 2024 года

После одного с половиной года на поверхности Марса астронавты поднимутся на борт ВЗА и улетят на Землю, чтобы примерно через шесть месяцев их встречали как героев. Они оставят Марсианскую Базу-1 и модуль «Бигль», вездеход, теплицу, энергетическую и химическую станции, запас кислородно-метанового топлива и почти все научное оборудование. В мае 2025 года, вскоре после их прибытия на Землю, второй экипаж доберется до Марса в «хабе-2» и высадится рядом с Марсианской Базой-2. Значительную часть времени второй экипаж проведет, исследуя территорию вокруг места посадки, но в какой-то момент астронавты, вероятно, приедут навестить старый «Бигль» на Марсианской Базе-1 не только из сентиментальности, но и чтобы продолжить научные работы в том районе.

Таким образом, каждые два года, как показано на рис. 1.2, две ракеты «Арес» будут стартовать с мыса Канаверал: одна доставит «хаб» на заранее выбранное место, со второй в новый район Марса долетит возвращаемый на Землю аппарат, который будет использован следующей миссией. Две ракеты-носителя за два года: для поддержки продолжающейся и расширяющейся программы освоения Марса людьми нужен именно такой средний темп запусков – один в год, или 12 % от числа возможных запусков ракет тяжелого класса. Разумеется, эта задача нам по средствам и, значит, будет поддержана. В качестве бонуса те же ракеты «Арес», «хабы» и возвращаемые на Землю аппараты (только с одной ступенью ускорения), используемые в программе «Марс Директ», могут быть использованы также для постройки и поддержания лунных баз. Хотя для исследования Марса лунные базы бесполезны, сами по себе они представляют значительный интерес, в первую очередь как превосходные площадки для астрономических обсерваторий. Если задействовать одно и то же транспортное оборудование для лунных и марсианских программ, миссия «Марс Директ» позволит сэкономить десятки миллиардов долларов, которые пошли бы на разработку техники.

Рис. 1.2. Последовательность миссий «Марс Директ». Последовательность начинается первым беспилотным запуском к Марсу ВЗА, где он сам заправит себя топливом из метана и кислорода, произведенным на Марсе. После этого каждые два года запускаются две ракеты-носителя. Одна направляет ВЗА, чтобы отметить новое место высадки, пока другая посылает пилотируемый жилой модуль навстречу ВЗА на ранее заготовленном месте

«Марс Директ» – задумка не без рисков. Влияние марсианской силы тяжести – 38 % от земной – на организм человека не изучено. Однако исследования показывают, что побочные эффекты от более сильной дезадаптации в случаях, когда люди находятся в условиях микрогравитации на орбите Земли, как правило, бывают временными. Далее, существует космическая радиация. За шесть месяцев полета, продиктованных возможностями ракетостроительных технологий современности или ближайшего будущего, астронавты получат дозы излучения, способные увеличить вероятность впоследствии умереть от рака на 0,5–1 %. В этом нет ничего забавного, но те из нас, кто останется на Земле, так или иначе рискуют умереть от этой болезни с вероятностью в 20 %.

Марсианская среда сама по себе таит много сюрпризов, хотя оба стареньких посадочных модуля «Викинг», запущенных в 1970-х, и более современные марсоходы «Спирит» и «Оппортьюнити», ни один из которых не был рассчитан более чем на девяносто дней работы, годами функционировали на марсианской поверхности без затруднений, не пострадав ни от холода, ни от жары, не от пыли.[7]7
  По состоянию на 2015 год «Оппортьюнити» до сих пор работает. «Спирит» в 2009 году застрял в рыхлом грунте, освободить его не удалось. Последний раз аппарат выходил на связь с Лабораторией реактивного движения НАСА 22 марта 2010-го. 25 мая 2011 года миссия считается завершенной. Еще один марсоход «Кьюриосити» успешно работает на поверхности Красной планеты с 6 августа 2012 года. – Прим. пер.


[Закрыть] Самая большая опасность для миссии кроется в возможных поломках важнейших механических и электрических систем. Многократное резервное копирование информации всех важных систем может сильно уменьшить риск, так же как и присутствие двух первоклассных механиков в составе экипажа. Как ни крути, первый полет на Марс – в определенной степени рискованное мероприятие. Оно будет рискованным, и если мы запустим «Марс Директ» в 2022 году, и если мы оставим это следующему поколению. Кто не рискует, тот не пьет шампанского. Для великих свершений нужна большая смелость.

Май 2033 года

Со временем на Марсе появятся новые исследовательские базы, но в итоге нужно будет определить, какое место лучше всего подходит для строительства настоящего марсианского поселения. Желательно расположить его над горячим водоемом, скрытым под поверхностью Марса, который позволит щедро снабжать базу водой и электроэнергией. Если это произойдет, новые высадки будут производиться не на новых местах. Вероятнее всего, каждый дополнительный обитаемый модуль будет высаживаться на той же площадке. Спустя какое-то время сформируется набор «хабов», отдаленно напоминающий маленький городок. Высокая стоимость транспортировки грузов по маршруту Земля – Марс создаст сильный финансовый стимул, для того чтобы найти астронавтов, желающих остаться на поверхности Марса дольше обязательных полутора лет. По мере того как накапливается опыт жизни на Красной планете, выращивания еды и производства полезных ресурсов всех видов, астронавты станут удлинять свои вахты до четырех, шести и более лет. С годами стоимость перевозок к Марсу будет неуклонно снижаться из-за внедрения новых технологий и конкуренции со стороны подрядчиков. Солнечные батареи, ветряные мельницы, изготовленные прямо на месте, и геотермальные колодцы помогут обеспечить поселение энергией, а надувные пластиковые конструкции местного производства – увеличить герметизированное жилое пространство города. Чем больше людей постоянно будет прилетать на Марс и оставаться на длительный срок, тем быстрее будет расти население города. Появление семей и рождение детей на Марсе – первых настоящих колонистов, представляющих новую ветвь человеческой цивилизации, – скоро окажется в привычном порядке вещей.

Рис. 1.3. Объединенные жилые модули миссии «Марс Директ», которые положат начало строительству базы на Марсе (рисунок Картера Эммера)

Возможно, когда-нибудь на Марсе будут жить миллионы людей и называть его своим домом. В конечном счете с помощью технологий мы можем преобразовать современный холодный и бесплодный климат Марса и вернуть планете теплый и влажный климат ее далекого прошлого. Этот подвиг, превращение Марса из безжизненной или почти безжизненной планеты в живой, дышащий мир с большим количеством разнообразных и ранее неизвестных экосистем и форм жизни, будет одним из самых благородных и великих дерзновений человеческого духа. Размышляя об этом, нельзя не чувствовать гордость за человечество.

Это дело будущего. Хотя и сегодня у нас есть шанс стать первопроходцами. Мы можем высадить на Марсе четырех астронавтов в ближайшие десять лет и начать исследование и освоение Красной планеты. Мы, а не некое далекое будущее поколение можем прославиться, открыв новый мир для человечества. Для этого потребуются только имеющиеся в нашем распоряжении технологии в сочетании с химической инженерией XIX века, порцией здравого смысла и небольшой долей смелости.

Историческая справка. Жизнь за счет местных ресурсов: Амундсен, Франклин и Северо-Западный проход

История раз за разом показывает, что маленькая группа первопроходцев с очень ограниченными средствами может преуспеть там, где другие не раз проваливались, несмотря на значительную финансовую поддержку. Залогом успеха служит разумное использование местных ресурсов. И горе тем путешественникам, которые не сумели усвоить этот урок.

В полночь 16 июня 1903 года Руаль Амундсен с экипажем из шести человек под проливным дождем вышел из Кристиании, Норвегия, направляясь к северному побережью Канады и Северо-Западному проходу. Проход маячил перед исследователями Арктики как призрачная награда – около трех столетий буквально сотни экспедиций бесплодно пытались преодолеть ненадежные ледяные торосы, каналы и воды Крайнего Севера.

Амундсен гнался за призраком героя его детских лет, сэра Джона Франклина, одного из самых великих и трагических персонажей в истории покорения Арктики. Франклин разыскивал проход примерно на шестьдесят лет раньше. Но если Амундсен плавал на тридцатилетнем зверобойном судне, купленном на деньги, которые были взяты взаймы у его брата и других докучливых кредиторов, то Франклин отправился в путь с поддержкой Британского Адмиралтейства. Он командовал двумя кораблями, «Эребусом» и «Террором», оба имели водоизмещение более 300 тонн, экипаж составлял в общей сложности 127 человек. Историк Пьер Бретон написал, что корабли несли «…горы продовольствия и топлива и все атрибуты морского путешествия XIX века: китайский фарфор и хрусталь, тяжелое викторианское серебро, библии и молитвенники, выпуски юмористического журнала «Панч», парадную форму с медными пуговицами и составы для их полировки…» [1]. Говоря короче, Франклин вез с собой все, кроме того, что помогло бы ему и его экипажу выжить.

«Эребус» и «Террор» подняли паруса 19 мая 1845 года, капитан экспедиции стремился открыть Северо-Западный проход и тем самым прославиться, но в итоге обрел лишь забвение. Китобои из Гренландии обнаружили экспедиционные суда Франклина пришвартованными к айсбергу 25 июня. Больше эту экспедицию никто из европейцев не видел. Франклин и его корабли, его люди, все его продовольствие уплыли в глушь Арктики и пропали.

Между 1848 и 1859 годами более пятидесяти экспедиций было организовано, чтобы выяснить судьбу людей Франклина. Из того, что удалось собрать в последующие годы, – из двух оставленных записок, из замерзших, обезображенных останков некоторых членов экипажа, из осколков быта европейской цивилизации, поднятых эскимосами со льда или взятых с кораблей, – стало понятно, что экспедиция окончилась несчастьем, потому что Франклин привез с собой в Арктику ту обстановку, которая его окружала дома.

Затертые во льдах рядом с островом Кинг-Уильям осенью 1846 года, Франклин и его команда пытались выжить, используя запасы солонины. Экспедиция везла очень много мяса, но не в свежем виде, а соленое не могло защитить людей от цинги. Прежние путешественники заметили, что употребление в пищу свежего мяса предотвращает болезнь, но Франклин не обратил на это никакого внимания. Он не был охотником – экспедиция везла с собой ружья, подходящие, пожалуй, для охоты на куропаток в британских низинах, но почти бесполезные в арктических льдах, – и решил вместо мяса использовать против цинги лимонный сок. Один за другим члены экипажа слабели и гибли, сам Франклин, по-видимому, умер на борту одного из кораблей в июне 1847 года. Другие в надежде найти спасательный отряд где-нибудь к югу бросили корабли, но умирали в своих повозках, потому что сами тащили тяжелые железные и дубовые сани через арктическую пустыню. Никто из членов экипажа не выжил.

Амундсен хотел пойти по следам Франклина, но не собирался повторить его печальную судьбу. Вместо того чтобы воссоздать в пути вокруг себя привычную обстановку он приспособился к окружавшим его условиям и применил стратегию жизни за счет местных ресурсов. Он узнал, что против цинги помогают внутренности канадского северного оленя карибу и сырой китовый или рыбий жир. Он выяснил, как эскимосы путешествуют по Арктике, научился делать собачьи упряжки, которые позволили ему приобрести маневренность при охоте на крупного зверя. Он обучился у эскимосов строительству убежищ изо льда и предпочел носить эскимосскую одежду из оленьих шкур вместо шерстяных вещей, на использовании которых настаивали британцы.

Амундсен с экипажем «Йоа» из шести человек тоже были заперты во льдах и в результате провели две зимовки в маленькой гавани юго-восточной части острова Кинг-Уильям, неподалеку от места, где беда настигла экспедицию Франклина. Но команда Амундсена не страдала от голода. Успешно используя собачьи упряжки, члены экипажа преодолели сотни километров по суше, охотясь и разведывая местность, и не просто выжили, но и сделали важное геофизическое открытие: обнаружили движение магнитных полюсов Земли. Экипаж «Йоа» благоденствовал в тех же условиях, что погубили экспедицию Франклина. Наконец-то освободившись из ледяного плена в августе 1905 года, «Йоа» отплыл от острова Кинг-Уильям и неделями двигался по Северо-Западному проходу. Амундсену понадобились еще четыре месяца путешествий, для того чтобы добраться до населенного пункта и телеграфировать об успехе своему главному кредитору в Норвегию, связавшись с ним за его же счет. Через шесть лет Амундсен использовал то, чему научился на Кинг-Уильям, чтобы стать первым человеком, достигшим Южного полюса.

Глава 2
От Кеплера к космической эре

Должны быть созданы корабли и паруса, способные передвигаться по небесному воздуху. Тогда появятся люди, которых не отпугнут мрачные космические просторы.

Иоганн Кеплер в письме Галилео Галилею, 1609

Мы уже бывали на Марсе. Утром 20 июня 1976 года американский космический аппарат «Викинг-1» опустился на марсианскую равнину Хриса – Золотую равнину. Хотя в момент касания, когда «Викинг» находился примерно в сотне миллионов километров от Земли, никто в Лаборатории реактивного движения (ЛРД) НАСА в Пасадене, Калифорния, не знал, удачно ли беспилотный аппарат высадился или же зарылся в грунт. Сотрудники ЛРД стояли с утренними чашками кофе около двадцати минут, прежде чем пришла информация, что «Викинг» совершил мягкую посадку.

Практически сразу после посадки «Викинг» приступил к работе. Всего через двадцать пять секунд, следуя заранее заданной последовательности команд, аппарат сфотографировал с высоким разрешением местность, окружающую одну из его посадочных опор, и передал изображение в режиме реальном времени. Данные помчались к Земле со скоростью света, а инженеры и ученые программы «Викинг» считали минуты до момента, когда примут далекий радиосигнал. А потом с возбуждением, восторгом и, несомненно, некоторым изумлением наблюдали, как строка за строкой перед ними появляется изображение марсианской поверхности.

Может показаться, что снимок опоры аппарата несколько скучен, однако та первая фотография принесла сотрудникам ЛРД огромное количество важной информации. Она доказывала, что модуль уцелел, а его съемочная аппаратура работает, и работает хорошо. Изображение получилось четким, маленькие камни резко выделялись на фоне марсианской поверхности, а заклепки «Викинга» были различимы так же хорошо, как пуговицы на белой рубашке инженера. Теперь «Викингу» предстояло выполнить следующее задание – получить панорамы горизонта и окрестностей. Эта картина, вероятно, навсегда останется в памяти тех, кто наблюдал, как поверхность Марса явила себя публике. «Викинг» пристально смотрел на пустынный пейзаж, испещренный острыми камнями всех возможных размеров. В отдалении, по-видимому, располагались песчаные дюны и небольшие, похожие на волны холмы. Это был пустой мир, знакомый, но совершенно чужой.

Люди веками наблюдали Марс и рассуждали о нем. Их исследования и полеты фантазии дали пищу для размышления ученым на десятки лет и помогли понять, что человеческий ум способен покорить космос и постичь сложность Вселенной. Теперь люди любовались пейзажем, осознавая, что человеческие знания о Вселенной снова приумножились и перестали быть лишь умозрительными. Мы шли к этому очень долго, путешествие началось даже не в недавно закончившемся XX веке, а столетия назад, и это путешествие не обошлось без жертв.

Из темноты

Субботним утром 17 февраля 1600 года великого итальянского гуманиста эпохи Возрождения Джордано Бруно вывели из камеры и сняли с него одежду. Голый, с кляпом во рту, связанный Бруно шел по улицам Рима, а насмехающиеся инквизиторы толпой следовали за ним. Процессия остановилась на площади Цветов перед Театром Помпеи, на месте казни. Один из убийц Бруно, стоя с факелом в руке, держал перед осужденным портрет Иисуса Христа и требовал покаяться. Бруно гневно отвернулся. Костер разгорелся, и один из величайших умов в истории человечества был сожжен заживо.

Бруно убили за то, что он заявлял в дискуссиях и сочинениях: Вселенная бесконечна, у других звезд, как и у Солнца, должны быть планеты, причем некоторые из них должны быть обитаемыми, и эти планеты, подобно нашей Земле, обращаются вокруг своих светил. И наблюдатели, живущие в тех других мирах, смотрят в небеса и видят наше Солнце и Землю, обращающуюся вокруг него, и поэтому «мы в небесах».

Это откровение стало шоком для средневекового человека, но почему нужно было убивать для того, чтобы не дать ему распространиться? Почему Галилею, младшему современнику Бруно, грозили смертью и десятилетиями держали его под домашним арестом? Почему астрономия, наука, которая вроде бы не имеет большого практического значения, вызывала такой гнев инквизиции в эпоху Возрождения? Проще говоря, почему небеса были столь недостижимы?

Костры инквизиции взметнулись так высоко, потому что астрономия подвергала сомнению сами основы западной цивилизации, знания, а значит, и власти. Со времен Вавилона небеса вместе с бесчисленными звездами и пятью блуждающими планетами считались священными и непознаваемыми для всех, кроме нескольких избранных: астрологов и жрецов в Вавилоне, церковников во времена Джордано Бруно. Послушайте, как библиотекарь из Александрии Клавдий Птолемей, живший во II веке н. э., защищал астрономическую теорию, согласно которой в центре Вселенной находилась Земля, а Солнце и пять известных планет двигались вокруг нее по эпициклам, небольшим окружностям – их центры перемещались с постоянной скоростью по более крупной окружности, центром которой была Земля. Отвечая на возражения по поводу нелогичной системы эпициклов (дополнительные орбиты снова и снова добавлялись в модель, чтобы она могла объяснить наблюдения), Птолемей сказал: «Непозволительно считать, что наши человеческие условия равны условиям бессмертных богов, и рассматривать священные вещи с житейской точки зрения, совершенно для них неподходящей… Поэтому мы должны построить наше суждение о небесных событиях не на основе того, что происходит на Земле, а скорее должны положиться на их внутреннюю сущность и неизменный курс всех небесных движений». Птолемей считал, что законы небес полностью отличаются от законов, господствующих на Земле. Вселенная была непознаваема, неизменна и неподконтрольна человеку. И пока божественный замысел оставался чем-то недоступным пониманию, только правящее духовенство, имеющее исключительный доступ к мистическому и сверхъестественному, могло говорить людям, что правильно и как поступать.

Так продолжалось веками, пока не настало время, когда несколько мыслителей решились опровергнуть представление о том, что Вселенная всегда будет за пределами понимания человечества. Изменения начались с работ Николая Коперника, который между 1510 и 1514 годами вновь развил давно забытую гелиоцентрическую теорию строения Вселенной (с Солнцем в центре мироздания), впервые постулированную греческим философом Аристархом Самосским, жившим в III веке до н. э. В гелиоцентрической системе мира планеты движутся вокруг Солнца по круговым орбитам. Эта идея была революционной, даже еретической и не могла точно описать наблюдаемые движения планет, хотя некоторые ученые того времени находили привлекательной ее фундаментальную простоту. Главным из них был Иоганн Кеплер.

Иоганн Кеплер родился в 1571 году, рос набожным лютеранином, хотя одновременно был убежденным платонистом и стремился познать истинную природу Вселенной, используя строгие законы геометрии. Позже он напишет: «Геометрия едина и вечна, она блистает в Божьем духе. Наша причастность к ней служит одним из оснований, по которым человек должен быть образом Божьим».

Эта цитата является ключевой не только для всей деятельности Кеплера. Если человеческий разум способен постичь Вселенную, это значит, что он подобен божественному разуму. А если так, то система, согласно которой Бог строил Вселенную, ее «геометрия», должна быть доступна человеческому пониманию, и, таким образом, если мы ищем и размышляем достаточно усердно, мы можем найти разумное объяснение для чего угодно. Это основополагающая задача науки. Это дело, за которое умер Бруно. Это утверждение, которое стремился доказать Кеплер и тем самым рассеять тьму в умах западной цивилизации. И сделал он это в значительной мере благодаря планете Марс.

В феврале 1600 года, в том же месяце, когда казнили Джордано Бруно, Кеплер пошел работать к Тихо Браге, без сомнения, великому астроному-наблюдателю своего времени. У Браге была своя теория устройства Вселенной, и он поручил двадцативосьмилетнему Кеплеру вычислить орбиту Марса, разумеется, чтобы найти подтверждение своим расчетам. Когда в октябре 1601 года ученый умер, император Священной Римской империи Рудольф II повелел Кеплеру сменить Браге в должности придворного математика и продолжить его исследования. Теперь у Кеплера было все необходимое, чтобы заняться Марсом в полную силу.

Со времен Аристотеля астрономы незатейливо полагали, что планеты движутся по неизменным круговым орбитам, поскольку, как утверждал сам Аристотель, круг – идеальная форма и только круговое движение может быть бесконечным. Как Кеплер ни старался, он не мог подобрать такую круговую орбиту, которая бы соответствовала наблюдениям Тихо Браге. Он мог бы прибегнуть к эпициклам, однако отказывался это делать. Система эпициклов выглядела тут совершенно неприменимой, но где же тогда решение? Что это могло быть, если не круговые орбиты? Кеплеру понадобились восемь лет напряженной работы, чтобы осознать, что показывают наблюдения: Марс движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится Солнце. Сейчас мы знаем, что орбита Марса наиболее эллиптичная во всей Солнечной системе,[8]8
  Утверждение ошибочно. Наибольший эксцентриситет е = 0,206 – у Меркурия. Эксцентриситет Марса е = 0,093. – Прим. пер.


[Закрыть] если не считать орбиту Плутона,[9]9
  С 24 августа 2006 года по решению Международного Астрономического Союза считается не девятой планетой Солнечной системы, а карликовой планетой. – Прим. пер.


[Закрыть] который был открыт только в XX веке, став лакмусовой бумажкой для любой астрономической теории. Действительно, если бы орбита Марса была круговой, теория Аристарха и Коперника, вероятно, быстро прошла бы проверку, и никто бы не обратил внимания на детали.

Кеплер опубликовал результаты своих трудов в 1609 году в работе, озаглавленной как «Новая астрономия, причинно обоснованная, или небесная физика, следующая из исследований движений звезды Марса, опирающихся на наблюдения достопочтенного Тихо Браге». В отличие от многих предшественников, астрономов и философов, Кеплер объявил свою новую астрономию не просто математической концепцией, которая объясняет движение небесных тел. Напротив, это был трактат об «истинной реальности» небес, грандиозная работа, которая ниспровергала догму, существовавшую две тысячи лет, – на ее место приходила астрономия, основанная на причинах и доказательствах. В этой работе ученый изложил то, что мы сейчас знаем как первый и второй закон Кеплера о движении планет. Согласно этим законам, каждая планета движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится Солнце, а радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, за равное количество времени описывает равные площади. Эти законы верны, и их можно найти в любом современном учебном пособии по астрономии и звездной динамике. Однако не менее важна и ошибочная гипотеза Кеплера о том, что планеты движутся вокруг Солнца за счет исходящей от него «магнитной» силы, распространяющейся «подобно свету». Когда оппоненты обвинили его в смешении физики и астрономии, Кеплер ответил: «По моему мнению, обе науки так тесно связаны, что одна не сможет достичь совершенства без другой». Другими словами, Кеплер не описывал модель Вселенной, чья геометрия совершенна по умолчанию, он изучал Вселенную, в которой причинно-следственные связи могут быть понятны человеку. Тем самым Кеплер резко изменил статус человечества во Вселенной. Хотя люди перестали быть центром мироздания, у них появилась возможность его постичь. Поэтому, согласно словам Кеплера, адресованным Галилею и ставшим эпиграфом для этой главы, Вселенная была доступна не только человеческой мысли, но и для непосредственного изучения.

Труды последующих десяти лет позволили Кеплеру опубликовать его важнейшее сочинение «Гармония мира». В нем он изложил свое последнее великое открытие – третий закон движения планет: квадрат периодов обращения планет пропорционален кубу расстояния от планет до Солнца. Применяя этот закон, достаточно просто математически вывести выражение, которое сейчас известно как закон всемирного тяготения Ньютона. Законы Ньютона легли в основу классической физики, новой мощной науки, которая сделала возможной промышленную революцию XVIII–XIX веков. Исследования Кеплера ознаменовали окончание Темных веков, и начались научная и промышленная революции – первая встреча с Марсом принесла богатые плоды.