Перегони за Марс
Популярна настільна гра “Колонізація Марса” вимагає мінімум дві години часу, але насправді гравці просиджують за нею близько трьох-чотирьох годин. Кожен з них виконує роль компанії, яка разом з іншими розбудовує Марс — піднімає температуру планети, підвищує рівень кисню в атмосфері, саджає дерева та створює океани. “Колонізатори” використовують наявні ресурси, будують міста, шахти, лабораторії та набирають за це бали.
Шкода, що гра не включає перші кроки на шляху до Червоної планети — розробку необхідного обладнання, відбір екіпажу, план транспортування людей і техніки та оцінку ризиків. Наразі людство знаходиться саме на цій сходинці, але вже зараз у перегонах за Марс можна побачити схожі риси з настільною грою: конкуренція великих корпорацій, пошук оптимальних рішень та навіть те, що реальні витрати часу на завершення гри будуть набагато більшими, ніж передбачається. Ілон Маск обіцяє відправити перших людей на Червону планету вже у 2024 році, і поки що він не змінював заплановану дату. NASA спочатку повідомляло про запуск пілотованої місії до орбіти Марса у 2033 році, проте незалежне дослідження дійшло висновку, що впоратися у такий термін неможливо. Тепер агентство не ставить чітку дату, говорячи про 2030-ті роки. Nauka.ua розповідає про виклики, які доведеться долати на шляху до освоєння Марса, та різні підходи до їхнього вирішення.
Підготовча стадія. Чому саме Марс?
Є кілька очевидних причин, чому для пілотованого польоту провідні космічні корпорації обирають саме Марс. Найбільш впливовим фактором є відносно невелика відстань, адже ця планета — одна з наших найближчих сусідок по Сонячній системі. Мінімальна відстань між Землею і Марсом становить близько 55 мільйонів кілометрів, максимальна — близько 400 мільйонів кілометрів. Кожні 26 місяців відбувається протистояння, під час якого Марс знаходиться ближче до Землі. Саме це вікно у часі буде найбільш придатним для запуску космічних кораблів.
Марс належить до невеликих планет земної групи, які мають високу густину, тобто, на відміну від газових гігантів, їхня атмосфера не така щільна, а поверхня тверда. Доба на Марсі триває майже стільки ж, скільки й на Землі, а вісь має нахил, що робить можливою зміну пір року. Нарешті, на Марсі є водяний лід. Таким чином, Марс у багатьох аспектах подібний до нашої планети, що значно полегшує перебування людей на ньому. Окрім того, в минулому умови на його поверхні впродовж 700 мільйонів років були придатними для життя, тож, можливо, Марс можна повернути до цього стану. Але навіщо нам взагалі туди летіти?
Перш за все, політ на Марс і його колонізація матиме значення для розвитку науки та прогресу. Він дозволить не тільки краще дослідити Червону планету та дізнатися більше про її еволюцію, але й перевірити, чи здатні ми жити за межами Землі, забезпечувати себе ресурсами та створювати комфортні умови, змінюючи екстремальне середовище. Також база на Марсі може стати відправною точкою до поясу астероїдів, з яких буде вигідно добувати корисні копалини: руду, метали, воду, гази. До того ж, людство не зможе вічно перебувати на Землі. Приблизно через один мільярд років процес перетворення Сонця на червоного гіганта зробить умови на поверхні нашої планети непридатними для життя. Втім, кліматичні зміни, наслідки яких відчутні вже сьогодні, можуть змусити населення Землі шукати новий дім набагато раніше. Згідно з деякими сценаріями, окремі регіони планети доведеться покинути вже у 2100 році. Отже, Марс — це “план Б” для людства.
Гравці на полі
Пілотовані місії на Марс пропонують як державні космічні організації, так і приватні ініціативи. Деякі з приватних компаній займаються розробкою лише частини обладнання, не намагаючись втілити усю програму від А до Я. У багатьох випадках плани агентств стосуються далекого майбутнього і не прописані чітко, або ж взагалі скасовуються через нестачу фінансування. Наприклад, Європейське космічне агентство розробляло програму “Аврора”, яка включала дослідження Марса за допомогою роверів, а згодом і пілотований політ, проте її звузили до лише автоматичних місій. Тож для аналізу ми обрали компанії, стратегії яких містять більше деталей: NASA, SpaceX та Mars One.
Перший хід. Транспортний засіб
Поки що космічні запуски на кшталт космічного ліфту чи електромагнітної катапульти, які дозволяють виводити вантажі на орбіту без використання ракетних ступенів, лишаються теоретичними. Тож відправляти на Марс не тільки екіпаж, але й необхідне обладнання для створення бази доведеться за допомогою ракети-носія. І це має бути ракета з великим корисним навантаженням, тобто здатна транспортувати вантаж з великою масою. “Saturn V”, яка відправляла астронавтів на Місяць, була найпотужнішою, найважчою, найбільшою з усіх, створених людством, а також мала найбільше корисне навантаження — 140 тонн при виведенні на низьку навколоземну орбіту (від 160 до 2000 кілометрів над Землею). Отже, для польоту на Марс треба збудувати ракету, яка поб’є цей рекорд чи принаймні наблизиться до таких показників. Окрім того, у астронавтів має бути можливість повернутися назад.
Рішення SpaceX: Проєкт Маска змінив декілька імен та концепцій. Зараз він має назву Starship та складається з однойменного космічного апарату і багаторазового ракетного ступеню Super Heavy. Ця двуступенева ракетна система працюватиме так: після старту використаний перший ступінь повертатиметься назад. Другий ступінь, об’єднаний з космічним апаратом, виходитиме на низьку навколоземну орбіту, де Starship необхідно буде дозаправити. Тобто, знадобиться кілька стартів, і після цього космічний корабель буде готовий долати міжпланетну відстань. Для зворотньої подорожі корабель необхідно буде заправити, використовуючи ресурси Марса. Так як гравітація на Марсі менша за земну, одного ракетного ступеню буде достатньо, щоб його покинути. Таким чином, кожен елемент системи Starship можна буде використовувати повторно. Космічний корабель зможе доставляти на Марс до 100 тонн вантажу та до 100 пасажирів. Наразі прототипи Starship проходять тестування.
Художнє зображення Starship. SpaceX
Рішення NASA: NASA хоче здійснити політ за допомогою частково багаторазового космічного корабля Orion, який має вивести на орбіту ракета Space Launch System, або скорочено SLS. Її розробка ведеться з 2011 року, а запуск запланований на другу половину 2021 року — пізніше, ніж попередні дати, які називало агентство. Спершу Space Launch System та Orion використають для польоту на Місяць. Під час марсіанської місії буде задіяний більш пізній варіант ракети “Block 2”, здатний відправляти 45 тонн корисного навантаження у глибокий космос. Космічний аппарат Orion розроблений для перевезення чотирьох астронавтів та складається з трьох основних частин: командного та сервісного модулів і системи аварійного порятунку. Так як на одного члена екіпажу приходиться усього 2,25 кубічних метри простору, для довгих місій буде потрібен додатковий модуль. Orion разом із цим модулем називатиметься Deep Space Transport. Висаджувати людей на Марс NASA поки що не збирається, тож це буде орбітальний політ довкола Червоної планети.
Художнє зображення SLS. NASA, Marshall Space Flight Center / Wikimedia Commons
Рішення Mars One: Приватна нідерландська компанія Mars One планувала заснувати колонію на Марсі та зробити з цього реаліті-шоу для телебачення. Проєкт не передбачав створення власного обладнання — Mars One мав отримати його від постачальників. Зокрема, для польоту планувалося використати Falcon Heavy від SpaceX та їхню модернізовану капсулу Dragon. Повернення поселенців на Землю не передбачалося. До речі, у сотню кандидатів для участі у колонізації увійшов українець Сергій Якимов.
Другий хід. Політ
Космічний корабель повинен містити усе необхідне для кількамісячного польоту, а сама подорож має бути максимально короткою. Це буде вигідно економічно, а також полегшить психологічний стан команди, яка тривалий час перебуватиме у замкненому просторі. Також під час подорожі астронавти мають бути захищені від радіації. В залежності від кількості сонячних бурь та тривалості польоту, вони можуть отримати близько 0,66 зіверта випромінювання до того, як приземляться на Марс. Для порівняння: ліміт дози радіації, яку отримують астронавти NASA за усю свою кар’єру, складає від 1 до 4 зівертів (в залежності від віку та гендеру). Втім, після прибуття на Марс випромінювання нікуди не зникне, але про це трохи пізніше.
Рішення SpaceX: Подорож Starship на Марс буде схожа на мінімалістичний план “Mars Direct”, який інженер Роберт Зубрін пропонував NASA у 1990 році та який агентство врешті-решт не прийняло. Згідно з ним, для того, щоб дістатися Червоної планети, не потрібно будувати жодних орбітальних станцій — космічний апарат має бути запущений з поверхні Землі. Політ Starship триватиме близько півроку. Можливо, цей строк вийде скоротити до чотирьох місяців, що зменшить дозу радіації для команди. У разі сонячної бурі екіпаж ховатиметься в невеликій частині корабля, яка матиме спеціальний захист. Більшість свіжих новин і презентацій Маска щодо Starship зазвичай стосується його технічних характеристик, тож про системи життєзабезпечення наразі відомо небагато.
Рішення NASA: Перш ніж прямувати на Марс, NASA планує здійснити місію Artemis, яка є частиною програми Moon to Mars: висадити екіпаж на Місяць і збудувати місячну базу та космічну станцію Lunar Gateway на орбіті нашого супутника. Вона стане проміжною точкою для подорожей на Місяць і в інші частини Сонячної системи. Deep Space Transport буде стартувати звідси та повертатись сюди перед наступними місіями. До того ж, перед тим як відправитися на Марс, Deep Space Transport проведе один рік у космосі біля нашого супутника — у такий спосіб NASA перевірить його готовність до тривалої подорожі.
Художнє зображення Lunar Gateway. NASA / Wikimedia Commons
Політ навколо Марса триватиме близько трьох років. За підрахунками, за цей час екіпаж отримає 1200 мілізівертів радіації — приблизно третину випромінювання, яке астронавти NASA отримують впродовж усієї своєї кар’єри. Для захисту космічного корабля використають екранування, яке дозволить відбивати цілий спектр радіації. На борту МКС для цього застосовують поліетилен, але там астронавти отримують не таке потужне випромінення, і його кількість значно менша. Отже, радіаційний щит для польоту на Марс має бути більш товстим, але таке екранування зробить космічний апарат важчим та все одно не захистить від радіації на усі 100%. Тому NASA досліджує можливість використання медичних і дієтичних добавок до раціону астронавтів для пом’якшення наслідків іонізуючого випромінювання. Також можуть допомогти спеціальні захисні жилети AstroRad. Їх розробила американо-ізраїльська компанія StemRad разом з американською корпорацією Lockheed Martin. Таке екіпірування вже тестується на МКС, а згодом пройде випробування на орбіті Місяця під час першого автоматизованого запуску Artemis.
Lockheed Martin, StemRad / ESA
Рішення Mars One: За планом, екіпаж мав подорожувати сім-вісім місяців. Баки для води, а також інші склади з ресурсами будуть використовуватися, щоб створити на кораблі зону для захисту від радіації. У цій же зоні члени команди спатимуть.
Третій хід. Висадка на Марс
Приземлення на Марс — складний та небезпечний процес. Необхідно обрати найбільш вдалий регіон, щоб полегшити посадку апарату. Окрім того, неподалік від місця висадки мають бути ресурси, зокрема лід, з якого можна буде добувати воду. Також у ділянки має бути потенціал для наукових досліджень під час місії.
Рішення SpaceX: Коли Starship увійде в атмосферу Марса, він сповільниться за рахунок аеродинаміки та здійснить керовану посадку на поверхню. Розглядається два варіанти для приземлення — один поблизу рівнини Аркадія та гір Ереба, інший неподалік від гір Флегри. Обидві точки знаходяться на низьких висотах, тож товстий шар атмосфери, який пройде Starship перш ніж приземлитися, значно сповільнить його хід. Також поблизу є велика кількість водяного льоду — ресурсу, необхідного в тому числі й для палива.
Рішення NASA: Під час першого польоту на Марс NASA не планує висадку, але існує концепція Mars Base Camp як частини проєкту Deep Space Transport, створена корпорацією Lockheed Martin. Вона передбачає побудову лабораторії на орбіті Червоної планети. Деякі її компоненти будуть встановлені заздалегідь, інші збиратимуть в довколомісячному просторі. У Mars Base Camp передбачений багаторазовий одноступеневий посадковий модуль, який спускатиме екіпаж на поверхню планети. Кожна місія на Марсі триватиме до двох тижнів, потім команда повернеться назад. Дозаправки посадковий модуль не потребуватиме. Вибір місця для посадки буде залежати від доступу до льоду.
Рішення Mars One: Для приземлення екіпаж використає посадковий модуль, схожий на ті, що використовуються під час автоматичних місій.
Четвертий хід. Марсіанська база
На поверхні Червоної планети виклики для команди не закінчуються. Там відсутнє стабільне магнітне поле, отже буде набагато більше радіації, ніж на Землі. Cередня доза випромінювання становитиме близько 0,67 мілізівертів на добу, що складає приблизно п’яту частину радіації, яку люди отримують на Землі протягом року. До того ж, марсіанська сила тяжіння складає усього 38% земної. Отже, необхідно створити базу, яка захистить екіпаж від космічних променів та надасть можливість для стабільних фізичних навантажень, або ж матиме штучну гравітацію, що зробити набагато складніше. Всередині бази має бути усе необхідне, щоб задовольнити мінімальні людські потреби: джерело енергії, обладнання для постачання кисню, засоби зв’язку, системи для вирощування їжі, переробки відходів тощо.
Але, окрім фізичного, екіпаж потребує також психологічного комфорту. Відчуття відірваності від дому через велику відстань та затримку зв’язку із Землею; переживання ізоляції у замкненому приміщенні; стрес під тиском великої відповідальності, покладеної на команду — усі ці труднощі необхідно буде якось вирішувати. Та це лише вершина айсбергу. Екстремальне зовнішнє середовище на Марсі несе велику кількість загроз, наприклад, дрібнодисперсний мікроскопічний пил, частинки якого зависають у повітрі та здатні вивести з ладу електроніку, і пилові бурі, які ми ще не навчилися прогнозувати. Деякі з потенційних небезпек людство навіть не може передбачити.
Захід Сонця на Марсі. NASA / Wikimedia Commons
Рішення SpaceX: SpaceX — це в першу чергу транспортна компанія. Вони працюють над тим, щоб доставити людину на Марс. Науковою розробкою марсіанської бази займатимуться інші організації. Планується, що перед пілотованою місією SpaceX здійснить як мінімум дві автоматичні посадки на Червону планету, щоб лишити енергогенератори та системи життєзабезпечення для побудови майбутньої бази.
Рішення NASA: Місячна програма Artemis та місії на МКС мають визначити вплив екстремального середовища на людський організм та закласти фундамент для розробок майбутньої бази на Марсі. Тож база на місяці Artemis Base Camp буде підготовчим етапом для цього кроку. Вона буде складатися з трьох елементів: житлового модулю, у якому чотири астронавти зможуть перебувати впродовж тижня; транспортного засобу, який допоможе екіпажу пересуватися навколо бази; та мобільної платформи для далеких поїздок, у якій також можна буде жити. Для подальшої експлуатації споруда потребуватиме інфраструктури, що забезпечить енергопостачання, видалення відходів, радіаційне екранування та майданчик для посадки. Також база допоможе у добуванні ресурсів і тестуванні методик боротьби з місячним пилом.
Рішення Mars One: Передбачалося, що на Марс буде запущено шість вантажних місій, які доставлять на планету необхідні для бази блоки. Їх мав встановити та підготувати до експлуатації автоматичний ровер. Як і транспортні засоби, жодний з цих елементів не був би розроблений безпосередньо Mars One.
Mars One
Підрахунок балів
Підхід до подорожі та побудови першої бази на Марсі у SpaceX та NASA різний. Компанія Ілона Маска націлена на висадку на Червоній планеті у найближчі роки, але фокусується лише на питанні транспортування, тоді як NASA бачить першочергову задачу в поверненні людства на Місяць, що допоможе краще підготуватися до розбудови марсіанської бази, а найближчий політ до Марса планує без висадки екіпажу. Схоже, для того, щоб розпочати процес колонізації Марса, SpaceX та NASA мають співпрацювати, а також залучати до роботи інші компанії та космічні агентства. Окрім того, знадобиться суттєве фінансування, тож впоратися з цим зусиллями лише однієї приватної компанії неможливо. Це доводить проєкт Mars One, який встиг лише відібрати сотню кандидатів для майбутнього марсіанського реаліті-шоу перед тим, як збанкрутувати.
До речі, про гроші. Mars One планувала витратити близько 6 мільярдів доларів на висадку перших чотирьох людей, згодом вартість кожного наступного польоту мала б скоротитися до 4 мільярдів. Пограма Moon to Mars у 2020 році обійшлася NASA майже у 9 мільярдів, і для її успішного завершення ця сума має збільшуватися з кожним роком. За різними оцінками, загальна вартість місії становитиме від 80 до 100 мільярдів доларів. Ілон Маск заявляв, що на розробку необхідного обладнання піде від 2 до 10 мільярдів, а кожен запуск Starship буде коштувати 2 мільйони.
Наразі плани пілотованого польоту на Марс на державному рівні мають лише США, проте автоматичні місії будуть здійснювати й інші країни. Цього літа Китай та Обʼєднані Арабські Емірати успішно запустили свої космічні апарати для вивчення Червоної планети. Для Китаю це був другий запуск після невдалого у 2011 році. ОАЕ стали першою арабською країною, що здійснює міжпланетний політ.
