Пыльные бури, большие расстояния и низкие температуры делают жизнь на Марсе невероятно сложной. Есть ли решение?
Автор: Саймон Морден
Смогут ли люди жить на Марсе? Ответ поразительно прост. Могут ли люди жить в Антарктиде, где температура регулярно опускается ниже -50ºC (-60ºF) и шесть месяцев в году темно? Могут ли люди жить на глубине океана, где давление быстро увеличивается с глубиной до сокрушительных уровней? Могут ли люди жить в космосе, где вообще нет воздуха?
По мере развития общего прогресса, материаловедения и химии мы прошли путь от способности переносить лишь узкий диапазон условий до расширения нашего присутствия почти на всех частях земного шара, а теперь и за его пределами. Даже в самой враждебной среде, с которой мы когда-либо сталкивались, — в вакууме космоса — человечество постоянно живет уже более двух десятилетий.
Так почему бы не Марс? Если мы можем жить в Антарктиде, если мы можем жить в космосе, тогда, конечно, это просто вопрос логистики. Если мы сможем доставить достаточно материальных средств на поверхность Красной планеты, то, возможно, мы сможем выжить — и даже процветать — там.
Но это «если» требует огромной работы. Когда мы отправились на Луну, астронавтам пришлось везти все необходимое для своего визита в крошечных, хрупких посадочных аппаратах. Миссии «Аполлон» провели на поверхности от одного до трех дней — и только три дня понадобилось, чтобы добраться до самой Луны. Когда астронавт, отправляющийся на Марс, проведет месяцы в космосе, только чтобы добраться до места посадки, всего пара дней на планете его не удовлетворит. Любая миссия, даже начальная, обязательно будет планироваться на месяцы, и это чрезвычайно усложняет логистику.
Марс — особенно сложная планета для посадки. Он находится слишком далеко от Земли, чтобы управлять спуском дистанционно — в среднем радиосигналу требуется 12 минут, чтобы преодолеть это расстояние, — поэтому все должно быть запрограммировано заранее. Одна ошибка в компьютере или в его вводных данных приведет к появлению нового дорогостоящего кратера, которых уже было много. И как только команда на посадку будет дана, никто в Центре управления полетами не может ничего сделать, чтобы вмешаться — время, которое проходит между этим приказом и безопасной посадкой, известно как «семь минут ужаса».
Непрочная марсианская атмосфера также осложняет посадку. Она достаточно плотная, чтобы любой сходящий с орбиты космический корабль нуждался в тепловом щите для предотвращения сгорания, но даже последнее поколение огромных сверхзвуковых парашютов не в состоянии обеспечить значительную устойчивость в непрочном воздухе на пути вниз. Необходимо учесть то, что осталось от орбитальной скорости, иначе наши посадочные аппараты разобьются о замерзшую марсианскую поверхность.
Огромная серебристая ракета со всем необходимым для многомесячного пребывания астронавтов просто непрактична.
Использовались различные методы, но наиболее успешным оказался «небесный кран» — одноразовая рама, оснащенная реактивными ракетами, которые сгорают, пока не зависнут в нескольких ярдах над поверхностью. Затем он аккуратно спускает посадочную платформу, отсоединяет соединительные тросы и улетает на безопасное расстояние, пока не закончится топливо.
Как и ожидалось, эти расчеты очень тонкие. Каждый килограмм топлива — батареи, солнечные батареи, научные эксперименты — требует несколько килограммов топлива в небесном кране. А каждый килограмм топлива в небесном кране требует еще несколько килограммов топлива на ракете, которая доставит его на орбиту Марса. Если бы мы могли, мы бы отправили на Марс более крупные и лучшие посадочные аппараты — но ракетная техника находится на самом пределе наших возможностей, доставляя ровер размером с субкомпакт на поверхность. Это имеет огромные последствия для успешного проведения миссии с экипажем на Марс.
Хотя мы можем мечтать об огромной серебристой ракете, медленно опускающейся на красную пыльную поверхность, содержащей все необходимое для многомесячного пребывания астронавтов, мы должны понимать, что это просто непрактично. Эта ракета и еще более крупный космический корабль, необходимый для ее доставки на Марс, находятся за пределами наших прогнозируемых возможностей запуска на десятилетия, если не столетия. Планирование успешной миссии на Марс — для постоянного присутствия на Марсе — требует от нас более умной работы и использования всех возможных преимуществ. В том числе и тех, которые мы можем найти на самом Марсе.
Марс — это планета, полная полезных ресурсов и специфических опасностей. С одной стороны, если мы разумно выберем место посадки, нам не нужно будет брать с собой воду. Вода тяжелая, и мы ничего не можем сделать, чтобы сделать ее легче. Она занимает место, и мы ничего не можем сделать, чтобы сделать ее меньше. И даже при наличии самых лучших перерабатывающих мощностей астронавтам все равно потребуется определенное количество запасной воды. Однако на Марсе есть много мест, где вода в виде льда является частью почвы. Воткните лопату в землю, и половина того, что вы поднимете, будет водяным льдом. И мы можем использовать эту воду не только для питья, но и для самых разных целей. Мы можем использовать ее для химии.
Мы можем разделить жидкость с помощью электролиза на составляющие газы. Мы можем дышать кислородом — это избавит нас от необходимости брать с собой баллоны с воздухом. А если мы рекомбинируем кислород с водородом, то получим взрывоопасную смесь, которую можно использовать в качестве элементарного ракетного топлива. Если мы пойдем еще дальше, то сможем извлечь углерод из углекислого газа атмосферы Марса и синтезировать углеводороды для лучшего горения.
Этот углекислый газ также необходим для роста растений. Добавьте воду и среду для выращивания растений, и внезапно пополнение наших сублимированных пакетов с едой станет не просто возможностью, а целью миссии. Люди потребляют много калорий, но мы также едим глазами. Салат с гарниром — это не только питание, но и поднятие боевого духа.
Затем есть материал самого Марса. Мы можем использовать его в качестве строительного: делать из него кирпичи или просто нагромождать поверх существующих строений. И нам действительно придется это делать, потому что жизнь на марсианской поверхности не так проста.
Красная пыль превратилась в наночастицы и представляет собой серьезную опасность, как для нас, так и для наших аппаратов.
Прежде всего, это температура. Марс находится в среднем на 80 миллионов километров (50 миллионов миль) дальше от Солнца, и его атмосфера слишком тонка, чтобы сдержать экстремальные суточные колебания. Дневная температура в разгар лета может достигать 21ºC (70ºF), но в тот же день, незадолго до рассвета, будет зафиксировано -90ºC (-130ºF). Температура может упасть настолько, что углекислый газ вымораживается из атмосферы. Дополнительная изоляция, обеспечиваемая несколькими футами марсианской почвы, будет приятным бонусом.
Более того, это поможет справиться с долгосрочной угрозой: радиацией. Солнце постоянно выбрасывает заряженные частицы, а также высокоэнергетический свет в виде гамма- и рентгеновских лучей. На Земле и, в меньшей степени, на Луне нас защищает большое магнитное поле Земли, которое простирается в космос и отклоняет солнечный ветер вокруг нас. У Марса нет такого магнитного поля, и хотя условия на поверхности не представляют острой угрозы для жизни, каждый день, проведенный астронавтами на поверхности Марса, накапливает радиационный ущерб в 10-20 раз быстрее, чем на Земле — не считая случайных солнечных вспышек, которые сжимают десятилетнее облучение в одно событие.
Захоронение базы астронавтов под землей — одно из относительно простых решений этой радиационной проблемы. Так же как и строительство базы в пещере — в вулканических районах Марса находятся лавовые трубы, которые сейчас образуют огромные туннели с доступом через частичное обрушение крыши.
Сама почва токсична и богата перхлоратами. Хотя они являются потенциальным источником кислорода, перхлораты растворимы в воде: загрязненную почву нельзя использовать в качестве среды для выращивания растений.
Затем пыль. Красная пыль образовалась в результате сотен миллионов лет непрерывного измельчения вулканического пепла, который стал настолько мелким, что даже слабые марсианские ветры могут переносить и удерживать его в воздухе в течение нескольких недель. Пыль превратилась в наночастицы — в среднем 3 мкм (одна 10 000-я дюйма) — и представляет собой серьезную опасность как для нас, так и для наших машин. Исключить пыль из жилых помещений будет практически невозможно: астронавты будут заносить ее с собой из поездок на улицу, и даже при принятии тщательных мер — стирка, чистка пылесосов, антистатические экраны и фильтрация воздуха — она станет частью воздуха, которым они дышат, и пищи, которую они едят. Помимо упомянутых ранее перхлоратов, существуют и другие соединения, вызывающие рак, а также вред, который может нанести мелкозернистый порошок горных пород именно легким и глазам.
Мы уже потеряли один ровер из-за пыли, которая покрыла его солнечные панели. Чем сложнее оборудование, которое мы используем, тем больше мы должны быть уверены в своих уплотнениях и поверхностях. Техническое обслуживание, а также запасные части для поддержания этого режима должны строго соблюдаться.
Как же мы можем это сделать? У нас есть параметры, определяемые количеством экипажа, который мы посылаем, тем, как долго они планируют находиться на борту, и тем, что они собираются делать по прибытии. Мы должны спланировать, как поселить, напоить и накормить их, а затем вернуть домой — и, если мы планируем что-то иное, чем одноразовый визит, мы должны смотреть в долгосрочную перспективу: какую инфраструктуру мы можем построить, которая будет полезна в будущем?
Разбиение проблемы на отдельные части — это, безусловно, самый реальный путь. То, что мы узнаем в ходе таких поэтапных усилий, и то, что мы уже узнали, может быть использовано в качестве руководства при работе над различными элементами, необходимыми для успешной и устойчивой миссии на Марс.
Мы должны отдать приоритет безопасной посадке, не обременяя спускаемый аппарат грузом пищи, топлива, воздуха и воды
Первым этапом должно стать расширение наших возможностей на низкой околоземной орбите. Для многомесячного путешествия на Марс потребуется самый большой космический корабль, который мы когда-либо строили, и почти наверняка такой, который нельзя будет поднять в воздух одним запуском. Его нужно будет собрать в космосе, используя методы, аналогичные Международной космической станции. Топливо, а также все необходимое для поддержания жизни в течение долгого путешествия, нужно будет доставить с Земли — дважды, поскольку корабль будет возвращаться обратно. Спускаемый аппарат будет отдельной частью корабля, в то время как основная часть останется на орбите Марса.
Второй этап будет заключаться в отправке припасов к назначенному месту посадки. Если мы сможем, то должны отправить роботизированные самовозводимые модули. Это обеспечит безопасное место для вновь прибывших астронавтов и позволит нам сделать приоритетной безопасную посадку, не обременяя фазу спуска дополнительным весом пищи, топлива, воздуха и воды. И, таким образом, нам не придется отправлять астронавтов в долгое и трудное путешествие на Марс, пока мы не убедимся, что там достаточно оборудования для их жизнеобеспечения. Если одна ракета выйдет из строя — а по статистике вероятность потери более чем одной ракеты достаточно высока — мы просто пошлем другую.
Одной из частей оборудования, которое мы отправим первым, будет модуль подъема — пустой корабль, способный не только приземлиться на Марс, но и заправиться из марсианской атмосферы, готовый к возвращению на корабль-перевозчик на орбите.
Понятно, что всегда существует риск. Известно, что в 1969 году перед посадкой «Аполлона-11» президентом США Ричардом Никсоном была заготовлена альтернативная речь, в которой рассматривался сценарий неудачи. Хотя наша тщательная подготовка сделала успех более вероятным, все еще существуют ситуации, из которых практически невозможно выйти. Основной причиной этого является то, сколько времени нам потребуется, чтобы отреагировать на непредвиденные обстоятельства.
Цепочки поставок — один из самых недооцененных и непонятых факторов, лежащих в основе современной экономики. Мы привыкли к тому, что можем заказать что угодно и откуда угодно, и это будет доступно в течение нескольких дней, а то и часов. Производители пополняют запасы товаров у своих поставщиков, а розничные торговцы обещают почти мгновенную доставку. За витринами этих магазинов скрывается фантастически сложная сеть коммуникаций, транспорта, контроля запасов и персонала. Мы замечаем ее только тогда, когда она дает сбой.
Почти везде на Земле есть связь. Жизненно важные лекарства, микрочипы, детали двигателей, даже живые органы для донорства беспрепятственно перемещаются между странами и континентами. Но есть места, где это не так, и они дают нам первое представление о том, с какими проблемами может столкнуться любой марсианский колонист.
Антарктида, несмотря на наши технологии, остается одним из самых изолированных и негостеприимных мест на планете. Почти все необходимое — за исключением воздуха и воды — приходится доставлять морем или самолетом, преодолевая огромные расстояния и не без риска. Сложное море, толстый лед, шторм, резкое похолодание — все это может привести к тому, что продовольствие и топливо застрянут в доке или на взлетно-посадочной полосе. Антарктические базы не работают по системе снабжения «точно в срок», потому что, когда эта система снабжения неизбежно даёт сбой, люди могут погибнуть. Планирование таких перебоев означает необходимость брать и хранить гораздо больше, чем обычно требуется. Те из нас, кто не является заготовителем, удивится количеству продуктов, необходимых для того, чтобы прокормить одного человека в течение нескольких месяцев: зимнее население базы Амундсен-Скотт, расположенной прямо на Южном полюсе, составляет 50 человек.
Еду, конечно, всегда можно нормировать. Отопление можно свести к одному-двум теплоизолированным модулям. Есть резервные генераторы, врач на месте и современный комплекс связи, подключенный к спутнику. Ученым помогает целая команда электриков, сантехников и техников, которые круглосуточно работают над поддержанием инфраструктуры базы, выявляя проблемы до того, как они станут критическими, и предлагая обходные решения благодаря своему опыту.
Приходится мириться с риском смерти — от голода, холода, удушья, несчастного случая, болезни
Ни один из этих факторов не остановил возникновение проблем. В частности, если врач базы заболевает и ему требуется операция, как это случалось дважды, врач в итоге оперирует сам себя. В обоих случаях медицинская эвакуация была невозможна из-за плохих погодных условий и больших расстояний. Некоторые постоянные базы до сих пор настаивают на том, чтобы перед прибытием персоналу удалили аппендикс.
А теперь представьте, что это происходит на Марсе. Полностью функционирующая база, расположенная в самом благоприятном месте и имеющая многократно дублированную инфраструктуру, поддерживаемую сменами высокомотивированных и обученных инженеров, все еще находится в гораздо, гораздо более опасном положении, чем любая антарктическая база сегодня. Милосердно броситься в Антарктиду с Южного острова Новой Зеландии, чтобы доставить по воздуху срочные медицинские препараты, сложно, но возможно: время в пути, когда все готово, составляет считанные часы. Между тем, если «окно запуска» будет подходящим, от Земли до Марса — девять месяцев. Новые поколения космических кораблей неизбежно сократят это время, но ничто не сможет стереть огромные расстояния между двумя планетами. В лучшем случае 56 миллионов километров (около 35 миллионов миль). В худшем случае, когда Земля будет находиться по одну сторону от Солнца, а Марс — по другую, расстояние составит 400 миллионов километров (около 250 миллионов миль).
Без сомнения, это будет самая длинная цепочка поставок в истории, в конце которой находится самая суровая среда, с которой мы когда-либо сталкивались. Даже в эпоху парусов путь из Англии в Австралию был быстрее.
Если вы врач в первой миссии на Марс, вам придется решать не то, какие лекарства, бинты и хирургическое оборудование вы берете, а то, что вы не берете. Без чего вы можете обойтись? И пространство, и вес ограничены. Если вы инженер: как вы собираетесь сделать выбор между этой критической запасной частью и другой? Конечно, вы можете попросить планировщиков миссии послать обе. Но, учитывая все, что было раньше, насколько это осуществимо? В какой-то момент больше двух будет слишком много. Риск смерти — от голода, от холода, от удушья, от несчастного случая, от болезни — придется принять.
Как и у всех первопроходцев, самое тяжелое бремя ляжет на тех, кто идет первым. Они столкнутся с непредвиденными опасностями, будут самыми уязвимыми. Тем, кто последует за ними, будет если не легче, то уж точно проще. Инфраструктура первоначальной базы будет расширяться до тех пор, пока Земля будет поддерживать проект. Ведь, безусловно, Марс будет полностью зависеть от Земли в течение десятилетий. Как, однако, марсианская колония может стать независимой? Можем ли мы заглянуть так далеко вперед?
Ключевой технологией здесь является производство: не только обычная, однако жизненно важная поставка запчастей, но и химических веществ, необходимых для жизни. Специально разработанные лекарства, диетические добавки и питательные вещества для растений обеспечат колонистам определенную безопасность; 3D-принтеры с обширной библиотекой моделей могут начать работу с физическими условиями, а биологические компоненты могут быть созданы с помощью автоматизированных синтезирующих машин.
Другим краеугольным камнем независимого Марса станут сами колонисты — и особенно их образование. Необходимость часто является матерью изобретательности, но Марс будет очень суровым учителем. Марсианский колонист должен будет посвящать значительную часть своего времени обучению. Уровень технологий, необходимых для поддержания жизнедеятельности колонии, будет высоким, а количество персонала ограничено доступной пищей и воздухом. Поскольку каждый человек является экспертом в двух или трех отдельных областях знаний, трагический несчастный случай с одним из них не должен превращаться в кризис для всех.
Весьма рискованный характер жизни на Марсе неизбежно приведет к появлению новых социальных нравов и норм поведения. Отнюдь не будучи суровыми индивидуалистами, марсиане будут полагаться в своей жизни друг на друга в высшей степени взаимозависимо — и они будут отражать это как в своих отношениях, так и в своих законах.
Насколько колонисты будут отличаться от материнской планеты, еще предстоит выяснить. Но независимый Марс не будет копией любого земного общества. Он будет поразительно и глубоко чужим.
Книга «Красная планета: A Natural History of Mars» (2022) Саймона Мордена издана издательством Pegasus Books.
Оригинал: Aeon
