Текст книги "Делай космос!"

Мы технологическая компания, которая развивает инфраструктуру на Луне, и мы заинтересованы в участии в таких проектах ESA как Moon Village (проект строительства долговременной лунной обитаемой базы). Наша цель – участие в таком строительстве.

– Как вы планируете решать проблему траекторных измерений на лунной орбите?

– Мы хотим задействовать сеть наземных станций ESA Estrack. Бортовой компьютер ALINA позаимствован от стандартных коммерческих спутников и очень похож на тот, что использовался на космических кораблях ATV (Automated Transfer Vehicle – «Автоматическое [грузо]переносящее транспортное средство»).

Возможно, вам будет интересно узнать и о двигательной установке. Сопло, трубопроводы, баки и система управления позаимствованы тоже у ATV. Это привлекательное решение, так как всё это оборудование уже прошло летные испытания и сертифицировано к использованию в пилотируемых миссиях.

– Какую частоту вы используете для передачи данных?

– Мы используем X-диапазон и S-диапазон для связи с Землей и LTE для связи у поверхности.

– LTE используется между луноходом и платформой?

– Да, и еще между платформой и отделяемой полезной нагрузкой. Между ровером и платформой можно поддерживать связь по LTE на дальность до 15 километров. Ровер тоже имеет антенны X и S диапазона, но они резервные, так как LTE требует гораздо меньше энергии на передачу. Для высокоскоростной передачи в ровера на Землю по X-диапазону требуется 40 ватт, это очень много. Для передачи в LTE потребуется 1–2 ватта.

– Будете делать свой центр управления полетами?

– Да, мы сейчас работаем с компанией, которая готовила программное обеспечение для ЦУП миссии Rosetta. У нас есть центр разработки площадью, примерно, 2,5 тысяч квадратных метров в Берлине, там же будет и ЦУП, и мы еще ищем площадку для резервного.

– Посадочная система проходила полные испытания?

– Частичные проходила. Полные испытания мы моделируем программно. Тестируется два типа посадки: баллистический, по схеме Surveyor, и интеллектуальный, на основе видеосистемы, анализирующей поверхность на предмет кратеров или камней.

– Планируете делать полный тест?

– Частично мы уже его провели, мы провели полную сборку инженерной модели, тест на падение, и впереди еще много испытаний. Важная причина, по которой мы выбрали Apollo-17 в том, что это самая исследованная область на Луне. Имеются самые высококачественные спутниковые карты, потому что спутник LRO совершил над этим местом очень глубокий нырок к поверхности и сделал снимки разрешением 45 см. И нам это может хорошо помочь: если мы спускаемся по баллистической схеме, то статистически, камни в месте посадки могут повредить посадочный модуль менее чем в 5 % случаев. Мы выбрали место в 3–5 километрах от Apollo-17 и работаем с NASA, чтобы показать, что мы не повредим их модуль при посадке. Поэтому мы выбрали ровер – он позволяет получить научные материалы, сделать снимки, но при этом не подходить к посадочной ступени Apollo ближе, чем на 200 метров.

С нашей помощью NASA смогло разработать процедуры взаимодействия со всеми частными компаниями, которые желают запустить свои луноходы к Apollo.

Я считаю, что Apollo – хорошая цель, потому что вдохновляет людей. Разумеется, я думаю, что астронавты там были. Я считаю, если показать, что полеты на Луну были реальностью в 60-70-е, то это привлечет больше внимания к космосу и сегодня.

4. Марс

4.1. Opportunity – позабытый рекордсмен

За шумихой вокруг феноменальной посадки марсохода Curiosity в 2012 году, многие забыли, что на Марсе не прекращает работы его предшественник. Марсоходы-близнецы Spirit и Opportunity («Дух» и «Возможность») высадились на Марсе в далеком 2004-м. Их создатели рассчитывали на 90 марсианских суток (солов) работы, но они превзошли свой ресурс в десятки раз. С «Духом» связь уже потеряна, а вот «Возможность» продолжает свою работу.

Opportunity продолжает работу уже более 5000 солов. Он поставил новый рекорд продолжительности работы изделия человеческих рук на поверхности Марса. Предыдущий рекорд принадлежал стационарному модулю Viking-1, проработавшему информацию 2245 солов. Пробег Opportunity превышает 40 километров и здесь он абсолютный рекордсмен по расстоянию, преодоленному по поверхности человеческим аппаратом за пределами Земли. Предыдущий рекорд был поставлен еще в 1973 году – «Луноход-2» проехал ровно 39 километров. Ветер дует, солнце светит, колеса крутятся, и пока нет оснований ставить точку.

Opportunity

По поводу ветра – это отдельная история. Марсоходам прочили короткий век по причине запыленности солнечных батарей. Но Марс преподнес NASA подарок в виде кратковременных бурь и частых смерчей – «пыльных дьяволов». Вместе они взялись за очистку солнечных панелей марсоходов, и те ринулись на незапланированное покорение Марса.

Одно время практически исчез интерес к Opportunity, когда он три года просто шел через пустыню к новой цели своего исследования. После изучения интересного кратера Виктория, для него не осталось целей поблизости, и он отправился в 19-ти километровый марафон по равнине Меридиана, которую и так уже досконально изучил. Три года без новостей и открытий – так любого забудут.

Но цель у него была перспективная – кратер Индевор. Когда марсоход только приземлился, главная его цель состояла в поиске доказательств существования в истории Марса влажных периодов, когда на планете была жидкая вода и свободные водоемы. Первые месяцы исследований показали, что вся пустыня планеты покрыта этими доказательствами – шариками гематита. Это разновидность железной руды, которая формируется на дне мелких водоемов. Но перспектив для марсианской жизни это открытие не обещало. Помимо гематита, названного «черникой», почва имела высокое содержание сульфатов – веществ, которые формируются в очень кислой водной среде. В такой среде могут выжить некоторые земные экстремофилы – бактерии способные жить в негостеприимной среде, но в такой воде жизнь не самоорганизуется (вариантов неуглеродной формы жизни NASA всерьез не рассматривает и поисками не занимается).

Наблюдения спутникового гиперспектрометра CRISM на спутнике MRO показали, что глубже могут залегать филлосиликаты – оливин-пироксеновые глины, которые формируются в пресной воде, то есть в более комфортной для жизни. Тем более глины гораздо лучше могут сохранить остатки древней фауны. Оливин и пироксен – вулканические породы, которые практически вездесущи на Марсе. Чтобы получить филлосиликат, надо только добавить воды. Но такие глины очень редки для поверхности Марса. И мы подходим к объяснению, почему интересен кратер Индевор.

Это очень древний 22-х километровый кратер, которому больше миллиарда лет. В позднее время, когда формировалась равнина, его затянуло сульфатами и гематитом, так же как и все равнины Меридиана. Но снаружи остались кольцевой вал кратера. Удар метеорита поднял края кратера над окружающим ландшафтом, обнажив древние слои. По оценке NASA в них могут быть обнаружены породы гораздо древнее окружающей равнины, и в том числе – искомые глины. Поэтому марсоход Opportunity пустился в далекое путешествие, которое разнообразили только мелкие кратеры да метеориты, попадающиеся на пути.

Летом 2011 года он, наконец, прибыл к первой возвышенности, относящейся к кольцевому валу кратера. Фактически началась его вторая жизнь, поскольку впереди был объект, который геологически отличался от всего, что встречалось марсоходу ранее. Изменились и задачи: теперь, как и Curiosity, марсоход ищет доказательства геологических периодов, которые были благоприятны для жизни. Представители NASA прибытие марсохода к этому кратеру сравнили со второй посадкой и новой миссией из-за обилия новых целей для исследования.

Продолговатый холм, с которого решили начать изучение кратера, назвали Кейп-Йорк. Едва Opportunity к нему приблизился, как начались открытия: у подножия холма нашлась толстая гипсовая жила. Это стало очередным доказательством водного прошлого Марса, но это по-прежнему была не та вода, которая понравилась бы NASA и углеродным жизненным формам.

Филлосиликаты ждали на вершине, а к ней предстояло еще добраться. Но восхождение пришлось отложить на полгода – пришло время зимовки. Ровер, хоть и металлический, но многие свойства живого ему не чужды. Ночью он спит, чтобы сберечь энергию, и расходует ее только на обогрев. Зимой почти вся энергия идет на отопление, и весь холодный сезон марсоход обездвижен. Его размещают под оптимальным углом к зимнему солнцу, и он впадает в спячку.

С января по май 2012 года он не двигался, а летом Opportunity продолжил обход Кейп-Йорка, и в сентябре начал восхождение. Почти сразу марсоход наткнулся на сенсацию.

Обнажение «Кирквуд», состоящее из сферических структур – конкреций, поставило в тупик ученых. Анализ породы показал низкое содержание железа, так что этот «виноград» совсем не та «черника», какой усыпана вся пустыня. Шарики, заключенные в скале, имеют неоднородную структуру: у них твердая скорлупа и мягкий наполнитель. Но с тем, что это такое и как оно возникло, ученые NASA так и не определились. По рабочей версии – это какой-то результат вулканической деятельности. По структуре «скорлупа» напоминает вулканическое стекло – может быть, это результат импактного воздействия, взрыва, породившего весь кратер.

Сегодня у марсохода Opportunity есть проблемы с двигателем правого колеса; сломано плечо манипулятора, из-за чего нельзя переместить «руку» в походное положение; неисправен один обогреватель; батареи вырабатывают примерно половину энергии от того уровня, что был в первые дни после посадки. Но операторы марсохода полны оптимизма и готовы еще не раз порадовать нас громкими открытиями, способными конкурировать с результатами Curiosity.

4.2. «Луноход-2» и Opportunity: как марсоход NASA обогнал наш луноход

Маленький ветеран покорения Марса Opportunity побил новый рекорд: теперь он официально самое «дальнобойное» колесное транспортное средство за пределами Земли. Это звание более 40 лет удерживал советский «Луноход-2», но в 2014 году пришлось и ему уступить.

В 2013 году, когда прибор для измерения оборотов колеса – одометр – Opportunity приближался к 37 километрам, американские энтузиасты заговорили о том, что вот-вот рекорд «Лунохода-2» будет побит.

«Луноход-2»

Официальные цифры, обнародованные по завершении научной миссии «Лунохода-2» и успевшие уже перекочевать из научных трудов в учебники, а из учебников в википедию, основываются на показаниях «девятого колеса» – роликового одометра, который позволял считать пробег лунохода. Но ролик поднимался, когда «Луноход-2» двигался задним ходом. Ролик не передавал объективного расстояния, когда аппарат маневрировал, да и сам по себе мог проскальзывать на слишком рыхлом грунте.

Opportunity

В результате, самым объективным средством определения его пробега могло быть только прямое наблюдение следов на поверхности Луны. К счастью, сегодня такая возможность у ученых, да и любого из нас, имеется благодаря космическому аппарату LRO. Его камера высокого разрешения LROC уступает только камере HiRise (его марсианского собрата MRO). Но, благодаря орбите в несколько раз ниже, LROC способна передавать практически аналогичные камере HiRise по детализации снимки: в исключительных случаях до 20 см на пиксель, но в основном режиме работы – 50 см на пиксель. Этого вполне достаточно, чтобы обнаружить на естественном спутнике Земли «Луну-21», которая доставила «Луноход-2» на поверхность, и сам «Луноход-2». Правда, для него LRO снизился в два раза и снял с детализацией 30 см на пиксель:

Над анализом спутниковых снимков работали две научные группы из России: из Московского государственного института картографии и из Института геохимии и аналитической химии. Работу возглавляла Ирина Карачевцева – руководитель Картографической группы, Комплексной лаборатории исследования внеземных территорий МИИГАиК. Со стороны NASA работала одна научная группа.

Ученые тщательно проследили весь маршрут «Лунохода-2» и определили его пробег в 42,2 километра. То есть, из-за несовершенного средства определения пройденного расстояния, не досчитались более 5-ти километров. Правда, потом пересчитали и определили реальный пробег в пределах 39-ти километров.

Методы замера пройденного расстояния у марсоходов принципиально другие. У них для расчета пробега используется комплексная система, в которую входит трехосевой акселерометр и трехосевой датчик уровня. Показания этих датчиков учитываются при расчетах пробега, основанных на оборотах колес. Но даже так легко ошибиться из-за пробуксовок. А их на веку у Opportunity было немало на песчаном грунте.

Главное средство для подсчета пробега марсоходов называется VisOd (Visual Odometry). Если посмотреть на снимки их следов, то можно заметить неоднородность следа, оставляемого рисунком на колесах. Прямые насечки, отличающиеся от основного рисунка – это и есть маркеры для визуальной одометрии.

Такой же принцип используется и у марсохода Curiosity. И пробег считает программа, но ее показания могут периодически контролировать вручную.

Вернемся к «Луноходу-2». Можно гордиться его впечатляющим результатом, но надо вспомнить, что и луноходы и марсоходы создавались прежде всего для изучения иноземных тел, а не для накрутки километров.

Проблема в то, что партийное руководство СССР смотрело только на пробег. Идеологическая машина, которая оперировала понятиями «догоним и перегоним», оказалась неспособна на понятия «изучим и переизучим». Профессор ГЕОХИ РАН Александр Базилевский, который помогал и в поисках «Лунохода-2» и «Марса-3», так описывал события, в которых участвовал сам: «Как только Луноход натыкался на какой-нибудь интересный камень и геологи просили остановиться, чтобы подробнее его исследовать, руководство заявляло: «Это луноход, а не луностоп. Только вперед!»

Марсоходами управляют геологи. Это объясняет, почему марсоход Curiosity движется примерно в сорок раз медленнее «Лунохода-2». Да и раллийные успехи Opportunity – это результат его исследовательской деятельности. Примерно половину общего пробега он преодолел, только пересекая неинтересные просторы, которые уже были хорошо изучены.

Научная группа Opportunity исправно ждала, пока пробег марсохода преодолеет отметку в 40 километров, чтобы, наконец, можно было «открыть шампанское».

В память о предыдущем чемпионе межпланетного ралли, операторы марсохода дали название «Луноход-2» небольшому метеоритному кратеру, встреченному на пути. Правда, пока это неофициальное название, актуальное только для научной группы NASA.

Opportunity же более 10 лет продолжает свою миссию на равнине Меридиана. Сейчас он движется вдоль горной гряды Murray Ridge, которая является кольцевым валом древнего кратера Индевор. Взору марсохода открываются внушительные скальные утесы и обширная равнина на дне кратера, по которой проносятся вихри называемые «пыльными дьяволами», а над головой проносятся тонкие, но заметные облака.

К сожалению, у марсохода практически не осталось работоспособных приборов, которыми можно было бы изучить открывающийся простор для науки. Действуют только фотокамеры, использующие расширенный набор светофильтров, позволяющий рассмотреть образцы в спектрах, недоступных человеческому глазу.

Также доживает последние годы радиоизотопный рентгеновский спектрометр APXS, который пока еще позволяет определять примерное содержание химических элементов в анализируемых образцах. Правда, держать на образце его уже приходится несколько суток, тогда как в начале экспедиции ему было достаточно нескольких часов.

4.3. MRO: вода на Марсе

Наличие воды на Марсе давно не является секретом. Уже сейчас примерно оценены запасы водяного льда на полюсах, обнаружены ледники в средних широтах; известно, что даже в экваториальном грунте «Красной планеты» концентрация воды местами достигает десятой части от массы грунта. Однако в своем большинстве данные о содержании воды на Марсе получены при помощи радаров или нейтронных спектрометров. А, собственно, посмотреть на марсианский лед удается редко. И вот в 2017 году подобная встреча, наконец, произошла: орбитальный телескоп HiRise на борту Mars Reconnaissance Orbiter сумел заснять залежи льда на склонах оврагов в средних широтах, и ученые впервые смогли взглянуть на марсианские ледники в профиль.

Полярные льды Марса астрономы рассмотрели еще в XIX веке – это одни из самых заметных деталей его поверхности. Правда, в прежние века астрономии считалось, что полюса Красной планеты покрывает исключительно замерзшая вода. Пока оптические средства были недостаточно высокого качества, многие пробелы в знаниях о Марсе приходилось закрывать земными аналогиями и оптимистическими ожиданиями. Именно из таких ожиданий выросла иллюзия марсианских каналов, которая продержалась до самого начала космической эры. Астрономы могли спорить о происхождении каналов: искусственном или естественном, но большинство не сомневалось в их существовании.

Mars Reconnaissance Orbiter

Крест на судьбе марсианских каналов поставил зонд NASA Mariner-4, который в 1964 году впервые сделал снимки достаточного качества поверхности планеты с близкого расстояния. Открывшиеся исследователям пейзажи разрушили все надежды на «землеподобность» Марса. В 1973 году советский орбитальный аппарат «Марс-5» передал первые цветные снимки – это были фотографии рыжей безводной и безжизненной пустыни.

В 1976 посадочные аппараты Viking-1 и 2 взяли пробы грунта и определили содержание в нем воды – не более 3 %. К тому времени было уже известно, что сезонная изменчивость полярных льдов и рост полярных шапок в зимнее время определяется не водяным, а «сухим» углекислотным льдом. И только не изменяющиеся с течением года белые пятна на полюсах – это второй слой льда, уже водяной.

Viking Lander

Повторное открытие марсианской воды началось в 2002 году с выводом на рабочую орбиту у четвертой планеты спутника NASA Mars Odyssey. Составной частью его прибора Gamma Ray Spectrometer был российский нейтронный спектрометр HEND. Регистрируя скорость нейтронов, вылетающих из грунта Марса под ударами космических частиц, HEND определял концентрацию водорода, который замедляет нейтроны. Водород в свободной форме содержаться в грунте Марса не может, поэтому его обнаружение в грунте позволило бы предположить там наличие воды или водяного льда. К 2007 году была построена полная карта распределения воды в приповерхностном слое глубиной до 1 метра: к сожалению, глубже методом нейтронной спектроскопии не заглянуть. Данные даже о неглубоком распределении воды оказались неожиданными для многих – вода нашлась, и, местами, в избытке.

Согласно данным HEND, концентрация воды в приповерхностном слое у экватора составила около 5 % и постоянно возрастала к полюсам, достигая 90 %. В 2008 году результаты орбитального зондирования подтвердились уже с поверхности, посадочным модулем Phoenix. Аппарат сел на высокой 68-й широте северного полушария планеты. Копнув грунт, Phoenix нашел замерзшую воду всего в нескольких сантиметрах от поверхности.

В 2006-м на спутник NASA MRO добавили радар SHARAD, а в 2007-м – радар MARSIS на европейский спутник Mars Express. Они получили возможность «просвечивать» недра Марса на глубины до 3 километров и не только обнаружили слои льда под поверхностью, но и измерили мощность полярных шапок. Оказалось, Южный полюс Марса прикрыт 3,5 километрами водяного льда, а Северный – 1,7 километра. Если растопить эту воду, то океан зальет всю планету на 21 метр в глубину (если не учитывать рельеф и перепады высот). И это не предел: когда-то воды на ныне «иссохшем» Марсе было в 6,5 раз больше.

На MRO установлена самая «дальнобойная» камера, которая когда-либо добиралась до Марса. Телескоп HiRise обеспечивает съемку поверхности с разрешением до 25 см с высоты 250 километров, так чтобы с его помощью можно было разглядеть «обитателей» планеты – спускаемые аппараты и марсоходы. На его снимках удалось найти спускаемый аппарат «Марса-3», смог HiRise и больше рассказать о марсианской воде. Наблюдение за обрывистыми краями полярных шапок дало возможность изучить их слоистую структуру и увидеть настоящую внеземную лавину.

Оказалось, что подобные процессы и сегодня не замерли в тонкой марсианской атмосфере, и изменениям подвержен не только углекислотный лед, но и водяной.

Еще более интересные результаты дало наблюдение за средними широтами. На Марс продолжают падать метеориты, и свежие кратеры в пустынных, казалось бы, равнинах, обнажают залегающий под поверхностью лед.

Если бы Viking-1 смог копнуть на полметра глубже, он нашел бы целый пласт льда. Радарное зондирование в широтах 40–60° показало обширные залежи льда на глубинах до 1 километра. По некоторым оценкам эти запасы составляют до 5 % от объема полярных шапок. Особенно обширные запасы льда наблюдаются восточнее долины Эллада, в районе кратера Грэг.

Любопытно происхождение этих залежей. Анализ характера отложений льда в полярных шапках привел исследователей к гипотезе, что Марс неоднократно менял наклон своей оси, на 40° отклоняясь от нынешних 25°. В какие-то периоды Северный полюс Марса оказывался развернут прямо к солнцу, что приводило к его активному испарению. Следствием становилось повышение плотности атмосферы планеты, пылевые бури и сильные снегопады. Климатологи применили земную климатическую модель к подобному сценарию марсианской жизни и получили данные о выпадении обильных снегов к востоку от Эллады.

Наконец в 2018 году научная команда, работающая с данными HiRise, опубликовала результат прямых наблюдений залежей марсианского льда в средних широтах. Внимательный анализ снимков HiRise позволил ученым обнаружить несколько обрывов, в склонах которых отчетливо просматриваются белые и голубоватые слои льда.

Дополнительная проверка гиперспектральным прибором CRISM на том же аппарате MRO подтвердила наличие воды. Наблюдаемые залежи льда начинаются с глубины примерно в 1 м и достигают толщины 130 м. Они чередуются с прослойками грунта, видимо, принесенного во время сезонных пылевых бурь. Большинство из обнаруженных ледяных склонов нашлось к востоку от Эллады.

Исследование этих слоев может больше рассказать о климатической истории Марса. Кроме того, теперь ясно, что будущим покорителям «Красной планеты» не придется добывать воду по примеру героя фантастического фильма «Марсианин» – из ракетного топлива. На местности хватит ведра и лопаты, и воду можно будет использовать как раз для производства топлива и возвращения домой. Правда, средние широты не лучшее место для посадки – слишком холодно.

Серия снимков с разницей в три марсианских года позволила увидеть некоторые изменения в облике обрывов. Видимо, как и в случае с полярными ледниками: процессы таяния продолжаются, и склоны медленно эволюционируют.

Что еще интереснее, все эти замерзшие отложения возникли не миллиарды лет назад, а совсем недавно по геологическим меркам. Если шире взглянуть на некогда заснеженные, а сейчас присыпанные песком и пылью просторы, то можно поразиться их девственной чистоте – метеоритных кратеров почти нет.

Это значит, что период бурной марсианской атмосферы и метелей планетного масштаба закончился совсем недавно. По современным оценкам, приповерхностные ледниковые отложения в средних широтах Марса сформировались около 10–20 миллионов лет назад, для жизни планеты – это даже не вчера, а минуту назад. Остается надеяться, что подобное произойдет и в будущем, ведь плотная атмосфера значительно упростила бы процесс колонизации.

Глава первоначально подготовлена для научно-популярного портала «Чердак», и опубликована под названием «Марсианские льды показались в профиль».

Страница: https://chrdk.ru/sci/marsian-ice-sheets-direct-observation