Почему сложно исследовать Марс и что может измениться в ближайшее время

Возвращение человека на Луну и ее исследование в рамках программы Artemis может стать следующим шагом к освоению Марса. По уровню сложности это даже не вторая Луна, а совершенно новая Вселенная. Именно поэтому нужны такие промежуточные шаги, а полеты на Марс еще не стали реальностью, хотя современные космические аппараты значительно надежнее, безопаснее и мощнее тех, что использовались в миссиях Apollo. Среди основных препятствий — необходимость мягкой посадки, жизнеобеспечение в условиях нехватки кислорода и воды, а также высокие дозы радиации. Но есть и хорошая новость: некоторые из проблем, связанных с его освоением, можно решить в будущем. Какие именно и почему полеты на Марс еще не стали рутиной для космической индустрии — читайте ниже. 

Проблема 1. Высокие дозы радиации

На Марсе нет глобального магнитного поля и тонкая атмосфера, потому его поверхность получает высокие дозы радиации, угрожающие здоровью астронавтов. Потоки высокоэнергетических частиц легко проникнут сквозь кожу, повреждая на своем пути клетки и ДНК, и уже в ходе миссии смогут вызвать лучевую болезнь. Ученые подсчитали, что за время путешествия длиной 2,5 года астронавты получат дозу радиации, повышающей риск онкологических заболеваний примерно на 1%. На Земле и на низкой околоземной орбите, где расположена МКС, эти риски минимальны благодаря естественным защитным механизмам нашей планеты — магнитосфере и атмосфере, блокирующим большинство энергичных частиц. «На Марсе можно провести много интересных научных исследований, но полет в межпланетное пространство сопряжен с куда большим риском радиационного облучения, чем работа на низкой околоземной орбите«, — отмечает Джонатан Пеллиш, инженер по космической радиации в Центре имени Годдарда.

На самом деле астронавтам придется защищаться сразу от двух источников радиации, которые будут воздействовать на экипаж и во время путешествия, и после посадки. Разумеется, основной источник — Солнце с его постоянными потоками частиц и эпизодическими мощными вспышками, сопровождающимися выбросами корональной массы. А вот галактические космические лучи, перемещающиеся со скоростью, близкой к скорости света, помимо протонов, могут содержать и более тяжелые элементы. Они разрушают атомы в материалах, из которых состоят скафандры, стены космического корабля или других транспортных средств. Это так называемое вторичное излучение, чрезвычайно опасное для всего живого.

Как можно решить проблему

Существует как минимум два способа защититься от потоков энергетических частиц и вторичного излучения. Первый предполагает сооружение максимально массивных конструкций из традиционных материалов, а второй — применение более эффективных защитных материалов. Ранее ученые изучали возможность использования мощных металлических щитов, однако позже выяснили, что это дорого и не всегда оправдано. Сейчас для этих задач NASA разрабатывает гидрогенизированные нанотрубки нитрида бора (BNNT), сохраняющие прочность даже при высоких температурах.

Помимо физических барьеров, исследователи рассматривают создание силовых полей, которые по принципу магнитного поля Земли могли бы защищать поверхность Марса. Однако такой проект очень сложно реализовать, поскольку он требует больших объемов энергии. 

И, наконец, снизить воздействие радиации на Марсе можно организационными методами. Например, сократить пребывание астронавтов за пределами космического корабля, обеспечить им быстрое возвращение в защищенное помещение после начала магнитной бури и отказаться от выхода в открытый космос в дневное время. 

Проблема 2. Потребность в больших объемах воды, кислорода и пищи

На Марсе на 99% меньше воздуха, чем на Земле, а в его составе преобладает углекислый газ (95% объема воздуха). Доля кислорода ничтожно мала — всего 0,174%. Но не только это делает условия пребывания на Марсе экстремальными: там низкое атмосферное давление, очень низкая температура, особенно ночью, и мало воды. Сейчас на планете нет жизни, но, возможно, она существовала миллиарды лет назад. Ее следы, а по факту, остатки древнего озера, были обнаружены в ходе исследования марсоходом Perseverance, который как раз ищет признаки примитивной марсианской жизни:

Если взять на борт большие запасы кислорода и воды, миссия сильно усложняется: увеличатся размеры и вес капсулы, потребуется более мощная ракета-носитель — то есть последует цепная реакция. Все это выглядит еще труднее с учетом продолжительности путешествия. Для полета на Луну и обратно достаточно трех дней, а мировой рекорд пребывания в космосе составляет почти 438 дней, тогда как марсианская миссия может продлиться 2,5 года. 

Как можно решить проблему

В числе семи приборов на борту марсохода Perseverance находится MOXIE — устройство, которое извлекает из марсианской атмосферы углекислый газ и превращает его в кислород. Ученые надеются, что в перспективе смогут обеспечивать астронавтов кислородом и для дыхания, и для ракетного топлива, что потребуется для завершения миссии. Но это все равно не отменяет необходимости использовать скафандры.

Первые эксперименты с MOXIE прошли успешно, и ученым удалось добиться стабильной генерации 10 г кислорода в час. Для справки: только чтобы вывезти четырех членов экипажа с поверхности Марса, необходимо до семи метрических тонн ракетного топлива и 25 метрических тонн кислорода.

Локальное производство кислорода является частью стратегии ISRU (in-situ resource utilisation). Ее реализация стала возможной благодаря низкотемпературной плазме, которая используется для преобразования электрической энергии. Для химической реакции может быть достаточно и 25 Вт, а это допустимая мощность даже для небольших солнечных батарей, которыми оснащен Perseverance.

Помимо обеспечения кислородом, предстоит решить и проблемы с водой и едой. Здесь могли бы помочь растения: они производят кислород и их можно употреблять в пищу. Однако растениям также необходимы определенные (не экстремальные, как на Марсе) условия для роста, а их одновременная гибель станет большой проблемой для астронавтов. Поэтому сейчас в качестве рабочего варианта рассматривают предварительную отправку всех требуемых запасов на Марс до прибытия туда астронавтов, а также разработку продовольственной программы для длительных пилотируемых миссий. 

С последним может помочь предыдущий опыт NASA — агентство уже доставляет на МКС разнообразные готовые блюда, свежие фрукты и овощи на специальных грузовых кораблях. В марсианских миссиях такие доставки могут быть совсем редкими, поэтому уже сейчас в лабораториях агентства разрабатывают съедобные продукты с солидным сроком годности, которые дольше сохраняют свою структуру, и при этом питательные, разнообразные и вкусные. В поисках других идей, как обеспечить астронавтов едой в длительных миссиях, NASA запустило проект Deep Space Food Challenge. С его помощью агентство ищет новых подрядчиков и технологии, которые снабдят астронавтов качественным питанием. В том числе рассматриваются альтернативные (не только с использованием растений) возможности производства пищи прямо в космосе с минимальными отходами.

Проблема 3. Задержка связи с Землей

«Расстояние между Землей и Луной позволяет нам беседовать, работать над проблемами и устранять аномалии практически в режиме реального времени, — рассказывает Дайна Айз, директор Mars Campaign Office в NASA’s Exploration Systems Development Mission Directorate. — Ввиду расстояния до Марса задержка гораздо больше, от 4 до 24 минут в одну сторону, поэтому может потребоваться свыше 40 минут в оба конца, чтобы задать вопрос и получить ответ«. 

Марс — «всего лишь» четвертая от Солнца планета, однако расстояние от нее до Земли большое даже по космическим меркам: от 55 до 401 млн км. Из-за этого возникают значительные задержки в связи, достигающие двух недель в те периоды, когда Солнце располагается между Землей и Марсом — а это происходит раз в 26 месяцев. Тогда радиосигнал просто не может преодолеть преграду в виде Солнца, а находящиеся близко заряженные солнечные частицы дополнительно его искажают.

Это опасно для астронавтов: в критической ситуации они окажутся наедине с проблемой и будут вынуждены принимать решение на месте, без поддержки наземной команды. Кроме того, отсутствие оперативной связи с Землей создает психологический дискомфорт, на что указывает исследование «Аффективное здоровье и контрмеры при длительном исследовании космоса», опубликованное на ScienceDirect. 

Как можно решить проблему

Инженеры развивают идею использования ретрансляционной системы спутников связи, чтобы обеспечить связь Марса с Землей с минимальными задержками, в том числе сократить двухнедельный перерыв до нескольких часов. Сегодня работает система Mars Relay Network (MRN), включающая пять космических аппаратов для ретрансляции данных. Они собирают в ходе своих научных миссий большие объемы данных и с определенной частотой передают их на мощные ретрансляторы, вместо того чтобы отправлять их сразу на Землю. Это ускоряет обмен данными с Землей, и марсоходам не приходится постоянно носить на себе мощные и энергоемкие радиосистемы.

Второе направление, разрабатываемое в NASA для решения проблемы задержки сигнала, это лазерная связь. На ее основе также можно реализовать гибридную архитектуру, где данные вначале отправляются на ретрансляционные спутники, а затем — на Землю. Сейчас лазерная система связи тестируется в рамках миссии NASA Psyche, исследующей уникальный астероид с таким же именем. Там лазерная связь под названием Deep Space Optical Communications (DSOC) позволяет передавать в 10-100 раз больше данных, чем традиционные системы, без утяжеления полезной нагрузкой.

Проблема 4. Сложная посадка

Мягкая посадка на Марс требует точного расчета торможения. До будущих пилотируемых миссий на Марс NASA обзавелось опытом посадки только небольших космических аппаратов весом чуть менее тонны — примерно столько весит марсоход Perseverance. Его спустили на поверхность планеты на высокопрочных тросах. А задачу мягко посадить Curiosity в NASA оценили на 20 баллов из 10, так как для этого пришлось выполнить сотни условий — выдержать трение, сильный нагрев, в нужный момент запустить двигатели, войти в атмосферу под правильным углом и много других. Чтобы понять, насколько сложно обеспечить плавную посадку небольшому марсоходу, посмотрите это видео:

Как можно решить проблему

Идеальная мягкая посадка для большого космического корабля на Марсе — все еще задачка со звездочкой. Хотя некоторые сценарии уже прорабатывались, ни один из них не выбран в качестве рабочего. Например, в 2022 году был протестирован надувной замедлитель на низкой околоземной орбите (Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator, LOFTID). Потенциально он поможет обеспечить безопасное прибытие не только на Марс, но и на Венеру с Титаном.

LOFTID представляет собой круглую, диаметром в несколько метров надувную конструкцию с гибким тепловым экраном, работающую как огромный тормоз. Большая площадь обеспечивает сопротивление, позволяющее замедлять космический корабль на значительной высоте и, соответственно, меньше нагреваться при приближении к Марсу. Такой замедлитель можно будет использовать и в пилотируемых, и в крупных роботизированных миссиях — его диаметр можно масштабировать от 3 до 6 м.

Еще один вариант предполагает использование сверхзвуковых тормозных двигателей (Supersonic Retropropulsion, SRP) для замедления входа в атмосферу Марса. Эти двигатели более десяти лет назад были протестированы в ходе посадки ракеты Falcon 9. Хотя сама ракета в конечном итоге разрушилась и упала в океан, свою функцию двигатели выполнили. Но с тех пор еще много вопросов остаются без ответа: какое количество космического мусора может повлиять на работу этих двигателей, как они поведут себя при повторном использовании или во время пылевой бури.

Проблема 5. Потребность в топливе 

Ввиду большого расстояния между Землей и Марсом обеспечение миссий топливом становится еще одним серьезным вызовом. Проблема проста и циклична: чем больше топлива, тем больше должны весить капсула с ракетой, а значит, тем больше топлива они сами будут потреблять в ходе путешествия в обе стороны.

Как можно решить проблему

Теоретически, проблема с топливом решается так же, как с кислородом и едой: доставкой их на Марс до начала пилотируемой миссии. Еще один вариант — добывать топливо, расщепляя воду на кислород и водород (последний как раз нужен для производства топлива). Помимо электролиза, ученые из NASA рассматривали возможность создания ракетного топлива из водорода, который содержится в марсианском остаточном грунте (реголите), и углерода из атмосферы Марса. В результате их реакции образуется метан — один из основных компонентов ракетного топлива.

И это не все: быть первым всегда сложно

Пилотируемая миссия на Марс станет первой, где астронавтам придется использовать только те системы, еду и кислород, которые были доставлены заранее или произведены непосредственно на месте. Вести внекорабельную деятельность (Extravehicular Activity, EVA) тоже предстоит без поддержки экипажа в реальном времени, если проблема задержки связи с Центром управления полетами (Mission Control) до тех пор не будет решена. Для этого все оборудование и скафандры должны отвечать жестким требованиям, а экипажу надо быть готовым к самым сложным задачам и инцидентам. Кроме того, следует и эмоционально, и организационно настроиться на то, вдруг один из астронавтов тяжело заболеет или травмируется и не сможет выполнять свои задачи. Тогда остальным надлежит адаптировать рабочие процессы под новые условия и перераспределить обязанности, чтобы достичь целей миссии. Это кардинально отличается от всех предыдущих миссий, какими бы сложными или опасными они ни были.

Возможно, до первого пилотируемого полета на Марс человечество сможет преодолеть часть озвученных проблем, однако это требует огромной консолидации усилий самых разных команд. Плюс не существует единственного решения конкретной проблемы — это всегда совокупность средств и методов, дополняющих друг друга. По словам Виджая Рамани, инженера-химика из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, «когда мы говорим об исследовании космоса, поверхности Луны или Марса, никогда не используется только одна технология — как никогда не используется только одна серебряная пуля, которая решает все проблемы«.

Текущая ситуация с финансированием NASA грозит замедлить реализацию государственных программ, связанных с освоением Марса, и космоса в целом. С другой стороны, это также может стимулировать развитие инноваций силами частных компаний, что в конечном итоге повысит готовность к полету.