Роберт Зубрин, Рихард Вагнер

Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете

Посвящается Линде, моей сестре и самому преданному другу

Отсюда ввысь стремлюсь я, полон веры,

Кристалл небес мне не преграда боле,

Но, вскрывши их, подъемлюсь в бесконечность

И между тем как все в другие сферы

Я проникаю сквозь эфира поле,

Внизу – другим – я оставляю Млечность[1]

Джордано Бруно. О бесконечности, Вселенной и мирах, 1584

Robert Zubrin

The Case for Mars

© 1996, 2001 Robert Zubrin

© Зубарева А. М., перевод на русский язык, 2017

© ООО «Издательство «Эксмо», 2017

Предисловие к дополненному изданию

Сомнение – предатель:

Из-за него мы многое теряем,

Боясь рискнуть.[2]

Уильям Шекспир. Мера за меру

За пятнадцать лет, миновавших с первой публикации «Курса на Марс», произошло множество событий. На Красную планету была запущена серия автоматических станций, включая «Марс Пасфайндер» (Mars Pathfinder) и «Марс Глобал Сервейор» (Mars Global Surveyor) в конце 1996 года, «Марс Полар Лэндер» (Mars Polar Lander) и «Марс Клаймэт Орбитер» (Mars Climate Orbiter) в 1999 году, «Марс Одиссей» (Mars Odyssey) в 2001 году, «Спирит» (Spirit), «Оппортьюнити» (Opportunity) и «Марс Экспресс» (Mars Express) в 2003 году, «Марс Реконнэйсенс Орбитер» (Mars Reconnaissance Orbiter) в 2005 году и «Феникс» (Phoenix) в 2007 году. Все эти миссии, за исключением запущенных в 1999 году, были выполнены или продолжаются очень успешно. В результате наши знания о Марсе многократно приумножились.

Сейчас мы знаем наверняка, что Марс в прошлом был теплой и влажной планетой, на поверхности которой плескались не только озера и реки, но и целые океаны, знаем, что активная гидросфера Марса существовала порядка миллиарда лет – жизнь на Земле зародилась за время в пять раз меньше, если считать от момента появления жидкой воды. Таким образом, если верна теория о том, что жизнь – это естественное явление, со временем возникающее благодаря химическим процессам там, где есть жидкая вода и различные минералы, тогда на Марсе должна была зародиться жизнь.

Более того, мы знаем многое о том, что сейчас вода на Красной планете присутствует в виде льда или замерзшей грязи, а некоторые участки Марса размером с континенты, по оценкам, содержат в себе более 60 % воды, если считать по весу. В дополнение к этому мы узнали, что на Марсе есть жидкая вода, но не на поверхности, а под ней, где влага нагревается теплом из недр планеты и создает среду, подходящую для жизни. Мы нашли места, где грунтовые воды выходили на поверхность и стекали по склонам кратеров в последние десять лет. Над входами в марсианские пещеры мы обнаружили метан, который может быть признаком наличия микробной жизни под поверхностью планеты. Это указывает на существование жизни или по крайней мере среды, пригодной для жизни. Так или иначе, перечисленные находки помогают определить будущие места высадки астронавтов, где можно будет провести бурение и получить образцы воды, которые помогут нам узнать правду о природе, распространении и возможном разнообразии жизни во Вселенной.

Помимо прочего мы составили карту полезных ископаемых и топографическую карту Марса на основе данных с орбитальных аппаратов, сфотографировали его достаточно детально, чтобы у нас была возможность найти наши автоматические роверы и управлять ими, а также чтобы выбрать идеальные места для посадки и разработать маршруты для будущих исследователей.

Теперь мы знаем, почему и куда мы должны двигаться. Но предпринимаем ли мы что-то для этого? Пока нет. На фоне выдающихся успехов автоматической программы исследования Марса, достигнутых за последние пятнадцать лет, поразительно выглядит отсутствие результатов пилотируемой космической программы НАСА. Эту мысль следует подчеркнуть. Если не считать данных, получаемых от автоматических аппаратов, НАСА сегодня готово к отправке астронавтов на Марс так же плохо, как в 1996 году.

Как такое возможно? Чаще всего звучит ответ о недостатке денежных средств. Якобы, если бы НАСА получало такое же щедрое финансирование, как в эпоху программы «Аполлон», то мы бы увидели большие достижения пилотируемой космонавтики. Однако это не оправдание. Дело в том, что в пересчете на сегодняшний курс средний бюджет НАСА между 1961 годом (когда президент Кеннеди в своей речи анонсировал программу «Аполлон») и 1973 годом (когда была запущена миссия «Апполон-Скайлэб») составлял 19 миллиардов долларов в год, то есть почти столько же, сколько выделяют НАСА сейчас, и сохраняется на том же уровне примерно с 1990 года.

Так же неверно и то, что НАСА в эпоху «Аполлона» способно было достичь большего в области пилотируемой космонавтики, поскольку агентство уже добилось значительных результатов в изучении космоса, используя автоматические аппараты. Фактически тогда беспилотная исследовательская программа развивалась динамичнее, чем в последние пятнадцать лет, поскольку было запущено около сорока лунных и планетных зондов. Если мы сопоставим равные по времени периоды – с 1961 по 1975 год и с 1996 по 2010 год, мы обнаружим, что десять ранних запусков марсианских зондов НАСА, восемь из которых оказались успешными, незначительно превосходят недавние девять запусков, из которых успешными оказались семь.

Да, бюджет НАСА и вправду в 1960-е годы составлял значительную часть государственных расходов, но не потому, что НАСА было богаче, а потому что нация была малочисленнее и беднее. В 1960-е годы население Америки составляло 60 % от нынешнего, а валовой национальный продукт страны – 25 % от современного. Вряд ли это были лучшие условия для миссии «Аполлон».

Кроме того, технологии, доступные Америке полвека назад, в значительной степени уступали тем, что мы имеем сегодня. Люди, создававшие «Аполлоны», пользовались для вычислений логарифмическими линейками, позволявшими выполнять одно действие в секунду, а не компьютерами, работающими в миллиард раз быстрее. Однако за восемь лет удалось решить все необходимые задачи, чтобы от запуска беспилотного аппарата дойти до отправки человека на Луну и возвращения его на Землю.

Эта книга подробно объяснит с технологической точки зрения, почему сегодня мы намного лучше подготовлены к отправке людей на Марс, чем были подготовлены к полету на Луну в 1961 году. Но тогда люди достигли цели за восемь лет, а мы топчемся на месте уже тридцать пять.

Поэтому возникает вопрос: что же такое было у НАСА тогда, чего не хватает сейчас?

Ответ – способность выделять главное.

Под способностью выделять главное я подразумеваю способность определить, чего же на самом деле мы собираемся достичь, устремиться к этой цели, разработать план действий и выполнить его.

В эпоху миссии «Аполлон» американская пилотируемая космическая программа выполнялась именно так. Цель была ясна – нужно доставить людей на Луну и вернуть домой до конца десятилетия, – и к ней стремились изо всех сил. Соответственно, чтобы достигнуть цели в срок, был разработан план, для выполнения плана был придуман дизайн космических аппаратов, для создания космических аппаратов были усовершенствованы технологические процессы, а затем аппараты были построены, а миссии запущены.

Автоматическая космическая программа в то время выполнялась по тому же принципу и так же продолжается. Именно поэтому она дает беспрецедентные результаты.

Беспилотная исследовательская программа оказалась такой успешной вовсе не потому, что она выполняется роботами. Она обязана своим успехом тому факту, что люди, которые ее проводят, пользуются головой.

В отличие от автоматической пилотируемая космическая программа НАСА проводится абсолютно неразумно. Вместо того чтобы создавать именно то оборудование, которое помогло бы следовать плану, для пилотируемой программы сначала разрабатывают какие-то приборы, а потом ищут им применение. Так, шаттлы были разработаны, когда не было четкого понимания, для чего они нужны, и поэтому космические челноки сыграли столь малую роль в исследовании космоса.

Международная космическая станция (МКС) была задумана, чтобы оправдать использование шаттлов. Но решение строить ее с помощью шаттлов очень увеличило затраты и риски, связанные с этой программой, чрезмерно усложнило конструкцию станции, ограничило ее размеры и привело к появлению громоздкой последовательности запусков для строительства новых модулей в течение двадцати лет. Более простой, но при этом более крупный «Скайлэб» был разработан и построен за четыре года и запущен за один день. Кроме того, сама по себе МКС не имеет разумной цели, сопоставимой с затратами на станцию, рисками и временем, которое тратит НАСА на обслуживание проекта. Такая мрачная оценка, ранее непризнанная, стала очевидной из-за последовавшей 1 февраля 2003 года катастрофы шаттла «Колумбия». Резко критикуя НАСА, председатель комиссии по расследованию несчастного случая адмирал Гарольд Геман объявил, что если американцы должны принять затраты и риски полетов человека в космос, то нужно иметь цели, сопоставимые с этими затратами и рисками. В ответ администрация президента Буша даже не попыталась поискать аргументы в пользу того, что МКС отвечает этому требованию. Вместо этого администрация президента выступила с инициативой, чтобы как-то оправдать пилотируемую программу НАСА, и предложила возвращение на Луну не позднее 2020 года.

Несмотря на то что полет на Луну действительно интереснее, чем экспедиции на станцию на низкой околоземной орбите и производство образцов урины и стула – с помощью которых ученые следят за стремительным ухудшением психологического состояния человека при нулевой силе тяжести (что совершенно необязательно, поскольку любой компетентный разработчик миссии на Марс задействовал бы искусственную гравитацию на борту своего межпланетного корабля, чтобы избежать вреда для человеческого здоровья, – конечно, так, чтобы не перегрузить конструкцию корабля и не повредить исследованиям), все же идея не выдерживает проверку на рациональность. В конце концов, мы были на Луне шесть раз. На Землю доставили более 300 килограммов лунного грунта, а какую-то заинтересованность в нем демонстрируют всего несколько человек. Общее представление о лунной геологии мы уже составили, дело в основном за деталями. Более того, тема эта интересна ограниченному кругу людей, в сущности, она не так значительна в сравнении с вопросами возникновения и принципиальной природы жизни, которые, возможно, позволит решить миссия на Марс. А что до славы и блеска государства, отношения к нему собственных граждан и других народов, повторного подтверждения нашей готовности встретиться с новыми испытаниями, интересно, какое впечатление складывается об Америке, если высочайшая цель нашей космической программы – повтор миссии, успешно завершенной примерно полвека назад.

Несмотря на описанное выше, есть и более значительная проблема: то, что цель эта вовсе не настоящая. По сути это была попытка создать запах мяса, не приготовив бифштекс, поскольку, заявив в 2004-м о планах на 2020-й, НАСА могло не предпринимать никаких действий за то время, пока Буш был у власти, даже если учитывать второй срок. Таким образом, по прошествии дополнительных пяти бушевских лет не было построено никакого оборудования для лунной миссии, после чего мнимая программа была передана администрации Обамы, которая ей и вовсе не занималась.

Предсказуемо, что осиротевшая, не имеющая ни политической защиты, ни какой-нибудь важной и значительной цели программа была отменена. На ее место администрация Обамы сначала выдвинула концепцию «подвижного пути», не имевшую даже претензии на цель. Затем, когда стало понятно, что идея слишком абсурдна для того, чтобы Конгресс ее рассматривал, своевременно обнародовали, а потом забыли псевдоцель по достижению одного из околоземных астероидов к 2025 году (то есть к такому сроку, чтобы нынешним политикам ничего не пришлось предпринимать). Однако раз уж существуют двадцать семь «качающихся» голосов выборщиков из Флориды, администрация Обамы обнародовала причудливый набор новых проектов, включая предложение потратить несколько миллиардов долларов на восстановление стартовых площадок для шаттлов – хотя шаттлы уже не запускают, разработку высокомощного электрического стартового ускорителя, работающего без использования крупного космического ядерного реактора, строительство орбитальной дозаправочной станции для обслуживания межпланетных кораблей, которых пока не существует, и создание космической капсулы, которая поможет астронавтам спускаться с орбиты, но не отправляться на нее.

Ни один из этих странных проектов не служил сколько-нибудь стоящей цели, не только потому что из них невозможно собрать функциональную комбинацию, но и потому что им нечему служить – цели не существует. Без сомнения, все эти проекты будут отменены, не оставив после себя ничего полезного, когда закончится президентский срок Обамы, если не раньше. И мы снова вернемся в отправную точку, потратив от 40 до 80 миллиардов долларов и от четырех до восьми лет.

Без откровения свыше народ необуздан

Американский народ хочет получить и заслуживает космическую программу, которая имеет какую-нибудь достойную цель. Но, чтобы назвать цель настоящей, у нее должны быть не только «логические обоснования», а причины.

Существуют реальные и жизненно важные причины, по которым мы должны стремиться на Марс. Это ключ к секрету жизни во Вселенной. Это вызов, который вдохновит миллионы молодых людей заняться наукой и инженерным делом, и, приняв его, мы вновь подтвердим, что миссия нашей нации – быть первопроходцами. Это дверь в будущее, рубеж нового мира, планета, которая может быть обжита, первый шаг для человечества к покорению космического пространства, с неограниченными ресурсами или стремлениями по мере продвижения все дальше и дальше в безграничной Вселенной.

Ради науки, ради вызова, ради будущего – вот ради чего мы должны лететь на Марс.

Единственный значительный аргумент против инициативы по запуску человека на Марс – это утверждение, что мы этого сделать не можем. Однако оно полностью ошибочно.

Нам бы понадобилась тяжелая ракета-носитель, которой у нас нет, сказали бы оппоненты, и на создание одной такой ушла бы огромная сумма денег и большое количество времени – 36 миллиардов долларов и двенадцать лет, по сообщению экспертной комиссии по полетам человека в космос при администрации президента Обамы. Это не лишено смысла. Мы запустили нашу первую тяжелую ракету-носитель «Сатурн-5» в 1967 году, следуя пятилетней программе развития, в рамках которой мы должны были создать ракету-носитель, чтобы программа продолжалась. Сегодня мы точно знаем, что нужно делать. Что касается расходов, президент компании SpaceX Илон Маск торжественно объявил экспертной комиссии, что он хотел бы разработать ТРН для вывода на орбиту около 100 тонн груза, заключив контракт при фиксированной цене в 2,5 миллиарда долларов. Этому заявлению хочется верить, поскольку в SpaceX совсем недавно построили и запустили ракету среднего класса грузоподъемностью 10 тонн стоимостью в 300 миллионов долларов. А у «Локхид Мартин» (Lockheed Martin), аэрокосмического гиганта, ранее возглавляемого председателем экспертной комиссии Норманом Августином, есть проекты моделей ТРН, работу над которыми оценивают в 4 миллиарда долларов.

Также оппоненты указывают на то, что пилотируемому марсианскому спускаемому аппарату понадобится огромный парашют, гораздо более крупный, чем мы когда-либо раньше использовали. Огромный парашют? Если мы отправили человека на Луну, разумеется, мы можем создать большой парашют. Или если бы мы решили бы обойтись без него, мы бы могли использовать парашют более скромного размера и завершить торможение при посадке с помощью ракетных двигателей.

Недоброжелатели могут сказать, что путь до Марса слишком долог и нам придется отложить старт до тех пор, пока мы не придумаем принципиально более совершенные типы космических двигателей, позволяющие сократить время полета. Это неверно. Используя существующие химические ракетные двигательные установки, мы можем добраться от Земли до Марса за шесть месяцев, фактически аппарат «Марс Одиссей» именно это и сделал в 2001 году. Люди способны выдержать такое путешествие. По сути, это стандартный тур, в котором побывало множество астронавтов и космонавтов во время полетов на станцию «Мир» и МКС.

Нам бы понадобился ядерный реактор, чтобы поддерживать существование базы на поверхности Марса, а у нас такого нет, сказали бы недоброжелатели. Но мы использовали в быту первый ядерный реактор в нашей стране, установленный на подводной лодке «Наутилус», в 1952 году, а законы физики мало изменились с тех пор. Мы использовали ядерную энергию до того, как появился цветной телевизор, реактивный пассажирский самолет или кнопочный телефон. Ядерные реакторы – это технологии 1940-х годов. Конечно же, мы в состоянии построить маленький реактор, который будет питать марсианскую базу.

Космические лучи, солнечные вспышки, влияние невесомости на здоровье, психологические нагрузки, пылевые бури, системы поддержания жизни, превышение расходов – список предполагаемых препятствий, выдвигаемых скептиками можно продолжать и дальше. Они неправы по каждому пункту.

В этой книге я вам это докажу. Я в деталях изложу план исследования Марса человеком на ближайшее будущее, который развеет или решит каждую из описанных проблем, используя известные нам технологии.

Изучение Марса – задача не для будущих поколений. Это задача для нашего поколения.

Как в 1776 году писал Томас Пейн, в наших силах начать новый мир.[3]

Давайте сделаем это.

Голден, Колорадо

9 марта 2011

Предисловие

Планета Марс – место, где будет развиваться действие в следующем веке. Это единственный мир в Солнечной системе, где высока вероятность обнаружить следы жизни или даже саму жизнь. Также мы можем достичь Марса – и выжить на нем – с доступными сегодня технологиями или теми, что появятся в ближайшем будущем.

Книга Роберта Зубрина, пусть она часто кажется забавной и содержит отступления, нелестные для НАСА, представляется мне самым исчерпывающим описанием прошлого и настоящего Марса, с которым я когда-либо сталкивался. Она объясняет, зачем мы должны лететь на Красную планету, как нам туда добраться и, возможно, самое важное из всего, как мы будем «вести хозяйство», когда долетим туда.

Лично я с восторгом думаю, что – если принять убедительные аргументы доктора Зубрина – первая экспедиция на Марс могла бы стартовать незадолго до моего девяностого дня рождения. А еще прежде, если все пойдет хорошо, российский исследовательский модуль[4] отправится к Марсу прямо перед моим семьдесят восьмым днем рождения, неся послание, которое я записал на видео для поселенцев следующего века.

Послание на Марс

Меня зовут Артур Кларк, я говорю с вами с острова Шри-Ланка, когда-то известного как Цейлон, что в Индийском океане, на планете Земля. Сейчас начало весны 1993 года, однако это сообщение предназначается для будущего. Я адресую его мужчинам и женщинам – возможно, некоторые из вас уже родились, – живущим на Марсе и слушающим эти слова.

На пороге нового тысячелетия планета, которая может стать первым настоящим домом для человечества после родного нам мира, кажется очень интересной. За время моей жизни мне посчастливилось наблюдать, как изменялись наши знания о Марсе от почти полного неведения – или обманчивых фантазий – до полного понимания его географии и климата. Конечно, мы еще по-прежнему безграмотны в некоторых областях и не имеем тех сведений, которые вы воспринимаете как должное. Но сейчас у нас есть точные карты вашего чудесного мира, и мы можем представить, как его изменить – терраформировать, – чтобы сделать таким, как мы желаем его видеть. Возможно, вы уже запустили этот многовековой процесс.

Между Марсом и моим нынешним домом есть некая связь – я использовал ее в своем рассказе «Молот Господень», который может оказаться последним. В начале XX века здесь, на Цейлоне, жил любитель астрономии по имени Перси Моулзуорт. Он потратил много времени на наблюдения Марса, и сейчас у вас в южном полушарии есть огромный кратер диаметром в 175 километров, названный в честь него. В моей книге я вообразил, как новый марсианский астроном мог бы однажды оглянуться на мир его предков, чтобы попробовать увидеть тот маленький остров, с которого Моулзуорт – и я – часто пристально смотрел на вашу планету.

Вскоре после первой высадки на Луну в 1969 году некоторое время мы были достаточно оптимистичны, чтобы представить, как мы могли бы добраться на Марс к 1990-м. В еще одном из моих рассказов я описал человека, выжившего после первой неудачной экспедиции и наблюдавшего проход Земли по диску Солнца 11 мая 1984 (!) года. Что ж, тогда на Марсе не было никого, кто мог бы увидеть это событие, но оно повторится снова 10 ноября 2084 года. Я надеюсь, к тому времени множество глаз будет смотреть на Землю, медленно пересекающую солнечный диск, напоминая маленькое, идеально круглое солнечное пятно. И я предложил людям Земли посигналить вам тогда мощными лазерами, чтобы вы увидели на самом лице Солнца звездочку, передающую вам сообщение своим мерцанием.

Я многократно отдаю вам честь сквозь космическую пропасть и шлю приветы и добрые пожелания из последнего десятилетия века, в котором человечество стало первым видом, покорившим космос, и отправилось в путешествие, которое может не иметь конца, пока Вселенная это терпит. Книга доктора Зубрина, где многие факты изложены смело и с уверенностью – как и моя собственная попытка терраформирования Марса, «Снега Олимпа», – будет казаться малозначимой на фоне будущих технологических достижений. Однако, вне всяких сомнений, она демонстрирует, что первая поддерживающая свое существование человеческая колония за пределами родной Земли будет создана поколением наших детей.

Ухватятся ли они за эту возможность? Прошло уже почти пятьдесят лет с тех пор, как я закончил мою первую книгу, «Межпланетный полет», в которой есть слова:

«Как однажды сказал Уэллс, или Вселенная, или ничего… Вызов, который бросает нам пропасть между этими словами, может быть пугающим. Но, если не удастся его принять, история нашей гонки быстро подойдет к финалу. Человечество развернется спиной к непокоренным вершинам и начнет затяжной спуск, тянущийся многие миллионы лет, к берегам первобытного моря».

Артур Кларк

1 марта 1996

Предисловие

Мы решили лететь на Луну. Мы решили лететь на Луну в этом десятилетии, а также сделать многое другое не потому, что это легко, но потому, что это трудно, потому, что эта цель поможет собраться и оценить наши силы и умения, потому, что этот вызов мы готовы принять и не готовы откладывать, здесь мы намерены добиться успеха… В некотором смысле это акт веры и предвидения, поскольку мы не знаем, чего мы достигнем… Но космос зовет, и мы собираемся покорить его.

Джон Ф. Кеннеди, 1962

Настало время, когда Америка должна поставить перед собой новую значимую цель в космосе. Недавние празднования двадцать пятой годовщины высадки «Аполлона» на Луну напомнили нам, чего мы однажды достигли как нация, и это достижение ставит новый вопрос: остаемся ли мы до сих пор нацией первопроходцев? Будем ли мы прикладывать все силы, чтобы продолжить движение в авангарде прогресса как люди будущего, или же мы позволим себе быть людьми прошлого, достижения которых увековечены в музеях? Будут ли наши потомки к моменту празднования пятидесятой годовщины чтить этот задел как первый шаг к тому рубежу который бы манил к новым горизонтам? Или они будут воспринимать его так же, как некий римлянин в VII веке мог бы разглядывать акведуки и другие величественные шедевры классической архитектуры, все еще заметные среди руин, восхищенно спрашивая себя: «Это действительно мы такое воздвигли?»

Без цели не может быть развития. Американская космическая программа, начавшаяся с блистательной миссии «Аполлон» и связанных с ней программ, следующие двадцать лет по большей части бесцельно буксовала. Чтобы наша космическая программа двигалась вперед, нам нужна первоочередная задача. На данный момент на эту роль могут претендовать только разведывательные работы и заселение Марса.

Марс – четвертая от Солнца планета, удаленная от него примерно в полтора раза больше, чем Земля, а значит, более холодная. Если дневная температура на Марсе иногда поднимается до 17 °C, то ночью столбик термометра падает до -90 °C. Сейчас жидкой воды на поверхности Марса нет,[5] так как средняя температура опускается ниже точки ее замерзания. Но так было не всегда. Фотографии высохших русел рек на поверхности Марса, полученные одной из орбитальных станций, показывают, что в далеком прошлом планета была более теплой и более влажной, чем сейчас. Это делает Марс первейшей в Солнечной системе целью для поисков внеземной жизни, не важно, существует ли она сейчас или существовала раньше. Продолжительность марсианских суток близка к земной – 24 часа 37 минут, угол наклона оси вращения Красной планеты составляет 24°, что почти равно аналогичному значению для Земли, и, таким образом, на Марсе есть четыре умеренно суровых времени года, чем-то напоминающих наши. Поскольку год на Марсе длится 669 местных суток (или 686 земных), каждое из времен года примерно вдвое длиннее аналогичного земного. На Марсе много места. Несмотря на то что диаметр Марса в два раза меньше, чем у Земли, отсутствие океанов на Красной планете означает, что полная площадь поверхности Марса равна площади всех континентов Земли, соединенных вместе. При самом «удачном» расположении Марс находится от Земли всего в 60 миллионах километров, при самом «неудачном» – в 400 миллионах километров. С использованием современных реактивных двигателей полет к Марсу в одну сторону занял бы около шести месяцев, то есть значительно больше, чем трехдневные полеты «Аполлонов» к Луне, но к путешествиям такой длительности человечеству не привыкать. В XIX веке переселенцы из Европы тратили примерно столько же времени, чтобы добраться до Австралии. И, как мы увидим, технологии, необходимые для такого путешествия, вполне доступны.

Когда эта книга готовилась к печати, ученые из НАСА объявили о поразительном открытии: найдено надежное косвенное свидетельство существования древней микробной жизни в образцах камней из Антарктики, которые когда-то откололись от Марса из-за падения метеоритов. В камнях обнаружены сложные органические молекулы, магнетит и другие типичные минеральные следы жизни бактерий, а также яйцевидные структуры, соответствующие по форме бактериям. В НАСА называют это свидетельство убедительным, но не окончательным. Если мы действительно обнаружили следы жизни, их могли оставить только самые скромные представители древней марсианской биосферы, самые интересные и сложные проявления которой до сих пор скрыты в залежах окаменелостей на Марсе. Однако, чтобы отыскать их, потребуется больше, чем камеры марсоходов и удаленное управление. Понадобятся человеческие руки и человеческие глаза, которые осмотрят всю Красную планету.

Почему именно Марс?

Выбор Марса как цели межпланетного путешествия – это вопрос не просто аэрокосмических достижений, а того, останемся ли мы обществом первооткрывателей. Марс благодаря своей уникальности среди тел Солнечной системы обладает всеми необходимыми ресурсами не только для поддержания жизни, но и для развития какой-нибудь технологической цивилизации. В отличие от сравнительно пустынной Луны на Марсе есть настоящие океаны, скрытые под почвой в виде вечной мерзлоты, также есть значительные количества углерода, азота, водорода и кислорода в форме соединений, легко доступных тем, кто достаточно находчив, чтобы их извлечь. Из этих четырех элементов можно получить не только еду и воду, но и пластик, дерево, бумагу, одежду и – самое важное – ракетное топливо. Далее, Марс испытал на себе те же вулканические и гидрологические процессы, которые привели к появлению разнообразных руд на Земле. Достоверно известно, что на Красной планете существуют химические элементы, важные для промышленности. Пока мы точно не знаем, существует ли жидкая вода на поверхности планеты, но есть все основания полагать, что источники геотермального нагрева способны поддерживать горячие жидкие водоемы под поверхностью Марса. Такие гидротермальные озера могут быть пристанищем для микробов, сохранившихся со времен существования древней марсианской жизни. Они также могут стать оазисами, которые дадут достаточное количество воды и геотермальной энергии будущим людям-первопроходцам. Марс с его двадцатичетырехчасовым суточным циклом и атмосферой достаточной толщины, чтобы защитить поверхность от солнечных вспышек, – единственная планета, кроме Земли, которая позволяет разбить огромные теплицы, освещенные естественным путем. Даже за тот короткий срок, что прошел с начала исследования Марса, стало известно, что он обладает необходимыми для жизни ресурсами, которые со временем можно будет вывозить в коммерческих целях. Дейтерий, тяжелый изотоп водорода, современная цена которого приближается к 10000 долларов за килограмм, на Марсе встречается в пять раз чаще, чем на Земле.

Марс может быть заселен. Для нашего и многих последующих поколений Марс станет новым миром.

Стать местными: быстрый путь на Марс

Если углубиться в историю, обычно оказывается, что те первые исследователи и колонисты, которые потрудились перенять навыки выживания и путешествий у туземных народов, преуспели там, где никто другой не смог. Что для чужака дикая местность, то для туземцев дом: неудивительно, что именно они лучше всех знают, как найти и использовать ресурсы родной земли.

На взгляд городского жителя, арктический пейзаж кажется пустынным, бедным ресурсами и непроходимым. Однако эскимосу он представляется богатым. Так, в XIX веке британский флот отправил дорогостоящие флотилии военных кораблей на паровой тяге для исследования канадской Арктики и поиска Северо-Западного прохода. Эти экспедиции, груженные углем и продовольствием, противостояли бы ледяным торосам многие годы до тех пор, пока нехватка запасов не вынудила бы их развернуться или даже привела бы к гибели всего экипажа.

Однако в то же время небольшие команды охотников, занятых пушным промыслом, свободно путешествовали по Арктике на собачьих упряжках. Переняв навыки местных жителей, они могли прокормить себя и стаи собак местной дичью и путешествовали налегке. При незначительных затратах они продвинулись в освоении местности куда дальше, чем военно-морской флот.

Из всего этого нужно извлечь урок для исследования космоса. Но марсиан все же не существует. А если бы они все-таки были, давайте зададим себе вопросы. Как бы они путешествовали? Стали бы они импортировать ракетное топливо с Земли? Как насчет их собственного кислорода? Откуда бы они брали воду и еду? Как бы они выживали? На это есть единственный ответ: когда ты на Марсе, поступай как поступил бы марсианин.

К Марсу на собачьей упряжке

Многие предложенные концепции пилотируемых миссий на Марс напоминали тяжелый поход Королевского флота в Арктику, описанный выше. Согласно этим планам необходимы огромные корабли, которые доставят к Марсу продовольствие и топливо, чтобы обеспечить всю миссию. Поскольку такие корабли слишком велики для единовременного запуска, требуется долговременное орбитальное хранилище сверххолодного (или криогенного) топлива. Следовательно, понадобятся большие орбитальные конструкции. Стоимость подобных проектов чрезмерно велика. Один такой план, известный как «90-дневный отчет», был разработан в 1989 году в ответ на предложение администрации президента Буша-старшего под названием «Инициатива исследования космоса» и оценивался в 450 миллиардов долларов. Сумма шокировала конгрессменов, и в результате программа Буша была обречена, а многие люди с тех пор не воспринимают планы полета человека на Марс всерьез.

Однако, как и в случае с покорением Арктики, есть другой способ подступиться к миссии на Марс – принцип собачьей упряжки, если угодно. Разумно используя ресурсы, доступные в окружающей среде, которую предстоит изучить, можно уменьшить материально-технические требования к запуску миссии до приемлемого уровня.

Это основной смысл проекта «Марс Директ», нового подхода к исследованию Марса, который я предложил в 1990 году, когда был в должности старшего инженера в компании «Мартин Мариетта Астронотикс» (Martin Marietta Astronautics) и работал над развитием усовершенствованных концепций межпланетных миссий. Этот план не предусматривает использование огромных межпланетных кораблей и поэтому не нуждается в орбитальных космических базах или доках. Вместо этого экипаж вместе со всем необходимым отправляют прямо на Марс в верхней части ракеты-носителя, которая доставляет его на орбиту Земли тем же самым способом, как это делалось на «Аполлонах» и всех других безымянных межпланетных зондах, запускавшихся прежде. Такая схема запуска миссии значительно упрощает и уменьшает количество необходимой аппаратуры и избавляет от нужды тратить десятилетия и сотни миллиардов долларов на разработку и строительство орбитальной инфраструктуры. Ключевая часть плана – возможность использовать в ходе миссии собственно марсианские ресурсы непосредственно на поверхности планеты для изготовления топлива, которое понадобится для возвращения на Землю, а также для того чтобы обеспечивать астронавтов продовольствием.

Не просто желанной, а достижимой Красную планету делают именно ее богатства.

Пилотируемая марсианская программа нужна не для того, чтобы построить огромные межпланетные лайнеры, а для того, чтобы доставить с поверхности Земли на поверхность Марса полезный груз, который обеспечит выживание небольшого экипажа астронавтов, а затем вернуть тот же или подобный полезный груз назад вместе с экипажем. Если мы будем обеспечены всем необходимым, мы воспользуемся всеми преимуществами местных ресурсов и упростим логистику миссии до приемлемого уровня. Такое задание нам вполне по силам и средствам. Путешествовать налегке и жить за счет доступных ресурсов – вот он, наш билет на Марс.

Развитие новой идеи

В этой книге будет описан план проекта «Марс Директ», включая его разработку и философию миссии, компоненты оборудования и общую структуру, резервные планы и возможности прерывания и, наконец, его эволюционный потенциал. В 1990 году, когда я и мой основной помощник по разработке проекта Дэвид Бейкер предложили первую версию плана, многие работники НАСА посчитали его слишком радикальным для того, чтобы относиться к нему серьезно. Однако некоторые его восприняли с энтузиазмом, и, потратив некоторое время на терпеливые объяснения и отсекание альтернативных вариантов, я преуспел и добился значительной поддержки. Стали активно подключаться к работе многие новые люди, и с их помощью решения по поводу концепции стали приниматься все быстрее. В 1992 году меня пригласил обсудить проект доктор Майкл Гриффин, бывший в то время заместителем руководителя по исследованиям НАСА, и немедленно решил оказать значительную поддержку. Гриффин тогда обсудил проект с будущим директором НАСА Дэниэлом Голдином, также ставшим сторонником проекта, и пошел дальше: обсуждал проект на нескольких встречах с общественностью, проведенных НАСА в 1992 и 1993 годах.

При поддержке Гриффина и Голдина я получил возможность вернуться в Космический центр имени Джонсона в НАСА и убедить группу, ответственную за разработку пилотируемых марсианских программ, хорошенько присмотреться к моему проекту. Она провела детальное исследование миссии «Сравнение дизайнов»,[6] созданной на базе проекта «Марс Директ», но примерно вдвое увеличила размер экспедиции по сравнению с тем, что предлагался в первоначальной концепции. Далее группа оценила стоимость программы по изучению Марса, основанной на расширенной версии «Марс Директ». Их оценка – 50 миллиардов долларов на разработку всей необходимой аппаратуры и отправку на Марс трех полноразмерных миссий. Та же группа пришла к выводу, программа НАСА «90-дневный отчет», воплощающая традиционный громоздкий подход, обойдется в 450 миллиардов долларов. По моему мнению, если отказаться от лишнего оборудования и уменьшить экипаж, стоимость миссии Космического центра имени Джонсона «Сравнение дизайнов» можно было бы сократить примерно до половины, то есть до 20–30 миллиардов долларов.

Также коллектив Космического центра имени Джонсона выдал компании «Мартин Мариетта» небольшую сумму денег, если точнее, 47 тысяч долларов, чтобы продемонстрировать, что мое предложение по преобразованию марсианской атмосферы в ракетное топливо сводится к простой технологии из химической инженерии. Для демонстрации за три месяца мы построили натурную установку, которая работала с эффективностью 94 %. Демонстрация получилась более чем убедительной, учитывая, что ни я, ведущий инженер проекта, ни кто-либо еще из команды фактически не был инженером-химиком по образованию. Если мы смогли построить такое устройство, то это не так уж и сложно.

Мы можем это сделать

20–30 миллиардов долларов – это немалые деньги, но сумма примерно того же порядка необходима на разовую большую закупку новой системы вооружения; эта сумма примерно сравнима с той, которую правительство США выдало Мексике однажды летом 1995 года. Если распределить эти деньги на двадцать лет, первые десять из которых уйдут на разработку оборудования, а следующие – на полет миссии, необходимая сумма составит от 8 до 12 % нынешнего бюджета НАСА. Это затраты, которые Америка легко может себе позволить ради того, чтобы открыть человеческой цивилизации путь в новый мир.

Разведывание Марса не требует новых чудодейственных технологий, орбитальных космических портов, двигателей на антивеществе или гигантских межпланетных лайнеров. Мы можем установить наш первый форпост на Марсе в течение десятилетия, используя зарекомендовавшие себя инженерные методы, разработанные и отточенные благодаря здравомыслию наших предшественников.

Как мы достигнем этого результата и для чего нам это нужно – вот две темы этой книги.

Об этой книге

Эта книга подводит итог многолетней технической работе над практическими планами по разведыванию Марса. Хотя нетрудно догадаться, что планы пилотируемых марсианских миссий опираются на техническую сторону дела в деталях, но от нее мало зависит принципиальная выполнимость. Это скорее вопрос стратегии, что очевидно любому, кто готов задуматься и владеет основной информацией.

К несчастью, такая информация в нужное время была труднодоступна для общественности. Существующая научно-популярная литература про пилотируемые полеты на Марс страдала туманностью или наивностью, тогда как техническая – сбивчивостью, невразумительностью и зачастую необъективностью. Для образованного читателя, не являющегося специалистом в технике и космонавтике, действительно не было книг удовлетворительного качества по обсуждаемой теме. Отчасти «Курс на Марс» – попытка исправить ситуацию.

В этой книге я попытался соблюсти баланс между техническими подробностями и повествованием. Довольно просто объявить о том, что дизайн одного проекта удачнее другого, но это слегка лицемерно, поскольку решающие аргументы кроются именно в технических подробностях. Некоторые главы в большей степени посвящены им, чем другие (глава 4, что описывает в деталях «Марс Директ», и глава 5, где объясняется, почему аргументы против пилотируемых марсианских программ – не более чем страшные сказки), однако все они будут понятны и новичкам, и знающим читателям. Если по какой-то причине вы перестанете понимать, для чего приведены какие-то из цифр, продолжайте читать – вы довольно быстро освоитесь.

Я – инженер, специализирующийся на космической технике, а раньше преподавал естественнонаучные дисциплины, поэтому я стараюсь излагать ясно и четко. Я (в противовес отдельным моим коллегам-ученым, которые предпочитают острить) придерживаюсь основного принципа, согласно которому Ясность не враг Истины, а ее первейший союзник. Кроме того, я глубоко убежден, что такие волнующие и жизненно важные для нашего будущего вещи, как освоение человечеством новой планеты, не должны быть достоянием технической элиты, но должны быть открыты для рассмотрения каждому желающему. Поэтому к написанию этой книги я привлек в качестве соавтора моего давнего друга Ричарда Вагнера, который как бывший редактор AdAstra, популярного журнала о космических исследованиях, издававшегося Национальным космическим обществом, накопил многолетний опыт по донесению научных аргументов до широкой публики. Я полагаю, с его помощью и помощью Митча Горовица, нашего могущественного редактора из The Free Press, «Курс на Марс» может с успехом растолковать широкой общественности настоящие проблемы и задачи исследования Марса астронавтами.

Поскольку в конечном счете на Марс мы полетим благодаря тому, что вы умеете понимать.

Глава 1

«Марс Директ»

Планета Марс – мир, от пейзажей которого захватывает дух: эффектные горы в три раза выше Эвереста, каньоны в три раза глубже и в пять раз длиннее, чем Большой Каньон в США, огромные ледяные поля и высохшие русла рек и ручьев, протянувшиеся на тысячи километров. Его неисследованная поверхность может скрывать невообразимые богатства и ресурсы для людей будущего, так же как и ответы на некоторые глубинные философские вопросы, тысячелетиями мучившие человечество. Более того, Марс однажды может стать домом для энергичной новой ветви нашей цивилизации, новым рубежом, колонизация и рост которого станут двигателем прогресса всего человечества. Но все, чем владеет Марс, навсегда останется за пределами нашего понимания до тех пор, пока люди не ступят на его суровую поверхность.

Кто-то сказал, что человеческий полет на Марс – авантюра для далекого будущего, задача для следующего поколения. Но у нас уже имеются все необходимые технологии для того, чтобы в течение десятилетия начать долгосрочную программу покорения Марса. Мы можем добраться до Красной планеты на относительно небольшом космическом корабле, запущенном прямо к ней ракетой-носителем, и пользуясь теми же технологиями, что помогли доставить астронавтов на Луну более сорока лет назад.

Как такое возможно? Глядя почти на любой план пилотируемой марсианской программы, будь он сделан в 1950-е или 1990-е годы, мы увидим огромные корабли, тянущие к Марсу продовольствие и топливо, необходимое для миссии. Размер космического корабля намекает на то, что загружать его надо на орбите Земли: составные части слишком громоздки, чтобы можно было запустить их с земной поверхности за один раз. Это означает, что на орбите должна размещаться параллельная вселенная с гигантскими кораблями, «сухими доками», ангарами, криогенными заправочными станциями, электростанциями, пунктами технического обслуживания и мастерской по сборке модулей для экипажа, чтобы обеспечить монтаж космических кораблей и хранение огромных объемов топлива. Именно из-за этого представления распространилось мнение, что миссия на Марс обойдется в сотни миллиардов долларов и будет опираться на технологии, которые недостижимы в ближайшие лет тридцать.

Все-таки высадка людей на Марс не требует ни волшебных новых технологий, ни значительных денежных затрат. Нам не нужно строить футуристические космические корабли, похожие на звездный крейсер «Галактика». Скорее всего, нам просто надо помнить о здравом смысле и использовать технологии, которые есть у нас под рукой сейчас, путешествовать налегке и жить за счет местных ресурсов точно так, как это делали в прошлом в большинстве земных разведывательных экспедиций. Жить за счет того, что дает местная природа, – то есть разумно использовать имеющиеся в округе ресурсы – это не только способ, который помог завоевать Запад; это способ, которым была покорена Земля и может быть покорен Марс. Традиционные проекты по освоению Марса непомерно масштабные и дорогостоящие, поскольку предполагают, что нам придется забрать с собой с Земли все необходимое для двух– или трехлетней миссии и возвращения домой. Но, если необходимые расходные материалы можно вместо этого производить на Марсе, ситуация кардинально меняется.

Начиная с весны 1990 года я возглавил группу инженеров и исследователей в компании «Мартин Мариетта Астронотикс» в Денвере для разработки плана по первой высадке на Марс. План назвали «Марс Директ», и он представляет собой самый быстрый, самый безопасный, наиболее практичный и наименее дорогой способ начать разведку и покорение Марса.

Название «Марс Директ» можно перевести как «Прямо к Марсу», то есть оно говорит само за себя. Проект отбрасывает необязательные, дорогие и затратные по времени этапы: не нужно собирать корабли на низкой околоземной орбите; не нужно перезаправлять их в космосе; не нужны ангары на увеличенной космической станции; не требуется длительная разработка лунных баз в качестве подготовки к разведыванию Марса. Отказ от всего этого позволит совершить высадку на Марс, возможно, на двадцать лет раньше, без раздутых административных затрат, от которых страдают долгосрочные программы правительства.

По грубой оценке, бюджет «Марс Директ» находится в пределах 30 миллиардов долларов, которые пойдут на разработку необходимого оборудования, а каждая отдельная миссия на Марс стоила бы 3 миллиарда долларов, если бы космические корабли и снаряжение находились бы в процессе производства. Несмотря на то что сумма действительно велика, ее можно распределить на десять лет, в таком случае она составит около 7 % объединенных военного и гражданского космических бюджетов. Более того, эти деньги могут продвинуть нашу экономику вперед точно так же, как 100 миллиардов долларов (если перевести на сегодняшние деньги), выделенные на науку и технологии программы «Аполлон» и вложенные при высоком темпе экономического роста в Америке в 1960-х годах.

С позиции житейской мудрости «Марс Директ» выглядит привлекательным из-за его простоты, но также он может показаться невыполнимым – масса горючего и продовольствия, необходимых для полета людей на Марс, слишком огромна для прямого запуска с Земли. Подобные рассуждения верны во всем, за исключением одного пункта: требуемые для полета на Марс топливо и продовольствие не нужно брать на Земле. Их можно «найти» на Марсе.

На сегодня план «Марс Директ» выглядит следующим образом.

Август 2020 года

Новая многоступенчатая ракета, сформированная из зарекомендовавших себя блоков, отдыхает на стартовом столе на мысе Канаверал, от ее тонкой металлической обшивки в лучах восходящего солнца поднимается легкий пар. Конструкция напоминает одну из старых «Сатурн-5», ракету, которая мчала людей к берегам Моря Спокойствия. Грузоподъемность новой ракеты-носителя «Арес» примерно такая же, как у «Сатурна-5» в эпоху «Аполлонов», но внутри помещаются «рабочие лошадки» нескольких последних десятилетий, четыре главных двигателя и два боковых (твердотопливных) ускорителя от шаттла. Двигатели запускаются. Огонь и дым выписывают росчерк новой космической эры, пока «Арес» с грохотом несется в небо. Высоко над атмосферой Земли верхняя ступень «Ареса» отбрасывает отработавшие части, запускает свой единственный двигатель, работающий на горении водорода и кислорода, и толкает к Марсу 45-тонную полезную нагрузку, управляемую автоматикой, – возвращаемый на Землю аппарат.

Название возвращаемого на Землю аппарата говорит само за себя. Это устройство разработано для того, чтобы доставить экипаж астронавтов с поверхности Марса прямо в родные земные воды. Во время путешествия к Марсу ВЗА оснащен маленьким ядерным реактором, закрепленным на легкой тележке, автоматической химической лабораторией с набором компрессоров и несколькими научными роверами-марсоходами. Кабина экипажа ВЗА оснащена системой жизнеобеспечения, там есть еда и все необходимое для пребывания экипажа из четырех человек в течение восьми месяцев по дороге к Земле. Хоть на обратном пути на две стадии ускорения потребуется около 96 тонн двухкомпонентного метаново-кислородного топлива, ВЗА прибывает на Марс с абсолютно пустыми баками, имея в запасе всего 6 тонн жидкого водорода для производства горючего.

Февраль 2021 года

Двигаясь в космосе со средней скоростью примерно 27 километров в секунду, ВЗА долетает до Марса примерно за шесть месяцев. Во время снижения ВЗА использует специальную жесткую оболочку похожую на гриб, чтобы пробраться сквозь верхнюю часть тонкой марсианской атмосферы. Скорость аппарата резко падает, позволяя ему закрепиться на орбите. На ней корабль находится несколько дней для того, чтобы у сотрудников ЦУПа было время проверить все системы. Когда над выбранным местом высадки наступает ясное и почти безветренное утро и тени строго очерчены, аппарат наконец-то готов совершить посадку. Снова используя защитный чехол, ВЗА замедляется до дозвуковых скоростей, пока не раскроется парашют, который помогает совершить плавный спуск к поверхности Марса. В нескольких сотнях метров от поверхности парашют отстреливается, и зажигаются маленькие ракеты, чтобы касание было мягким.

Высадившись на рыжеватую марсианскую почву, ВЗА тут же принимается за дело, добывая топливо для обратной дороги из разреженного воздуха планеты. Дверь приземистого грузового отсека ВЗА отъезжает в сторону, и оттуда выкатывается тележка с маленьким ядерным реактором. Используя установленную на борту маленькую телевизионную камеру вместо глаз, сотрудники ЦУПа в Хьюстоне медленно уводят тележку на несколько сотен метров в сторону от места посадки. По мере движения тележки силовой кабель разматывается, сохраняя соединение химической установки ВЗА и маленького реактора. Когда тележка достигает подходящего места, лебедка поднимает реактор и опускает его в маленький кратер или другое естественное углубление в ландшафте. Реактор включается и начинает питать химическую лабораторию, выдавая 100 кВт. Теперь маленький химический завод начинает производить ракетное топливо, втягивая марсианский воздух несколькими насосами и запуская реакцию с водородом, который был доставлен с Земли на борту ВЗА. Марсианский воздух на 96 % состоит из двуокиси углерода (CO_2). Химическая лаборатория соединяет двуокись углерода с водородом (Н_2), производя метан (СН_4), который будет запасен для дальнейшего использования в качестве ракетного топлива, и воду (Н_20). Реакция метанирования – это простой и прямой химический процесс, который применяется в промышленности с 1890-х годов. Пока реакция продолжается, мы избавлены от потенциальной проблемы хранения сверххолодного жидкого водорода на поверхности Марса. Химическая лаборатория продолжает работать, расщепляя полученную воду на составляющие ее водород и кислород. Кислород запасается для ракетного топлива, а водород заново попадает в химическую лабораторию для дальнейшего производства метана и воды. Дополнительный кислород производится еще одним способом: марсианский углекислый газ расщепляется на кислород, который потом запасается, и угарный газ, который выбрасывается как отходы. После шести месяцев работы химический заводик превратит начальный запас из 6 тонн жидкого водорода, привезенный с Земли, в 108 тонн метана и кислорода – этого достаточно для ВЗА – и дополнительные 12 тонн на поддержание аппаратов, работающих от двигателей на поверхности Марса. Используя марсианский воздух, самый легкодоступный ресурс Красной планеты, мы увеличили количество топлива, привезенного с Земли, в восемнадцать раз.

Эта цепочка химического синтеза может показаться кому-то довольно сложной, но в действительности это технология эпохи газового освещения, крайне простая по сравнению с любыми другими составляющими успешной космической миссии. Более того, миссия «Марс Директ» возможна именно благодаря концепции использования местных ресурсов. Если бы мы попытались взять с собой на Марс все нужное количество топлива, нам бы действительно понадобились массивные космические корабли, требующие многократных запусков и сборки на орбите. Стоимость миссии тут же достигла бы заоблачных высот. То обстоятельство, что местные ресурсы играют такую большую роль при подготовке миссии на Марс или к другому далекому миру не должно казаться удивительным. Представьте, чтобы случилось, если бы Льюис и Кларк решили нести с собой через Луизиану к Тихому океану все запасы еды, воды и фуража для путешествия. Для транспортировки продовольствия понадобились бы сотни повозок. Для этих повозок с продовольствием понадобились бы сотни лошадей и кучеров, которым в свою очередь понадобилось еще больше продовольствия. Такая логистическая катастрофа была бы не по карману Америке времен Томаса Джефферсона. Удивительно ли тогда, что без привлечения природных богатств Марса миссия может обойтись в 450 миллиардов долларов?

Сентябрь 2021 года

С момента запуска прошло тринадцать месяцев, полностью заправленный аппарат – ВЗА – ожидает на Марсе прибытия членов экипажа. Инженеры из Космического центра имени Джонсона НАСА следили за каждой стадией химического производственного процесса и, после того как подтвердили его успешное завершение, дали добро начать следующий этап программы «Марс Директ». ВЗА выпускает маленькие автоматические аппараты для исследования и фотографирования районов, находящихся в непосредственной близости от него. Экипаж первой человеческой экспедиции, обученный для выбора места посадки и жизненно заинтересованный в том, чтобы оно было удачным, принимает активное участие в разведывании местности, в которой находится ВЗА, с помощью этих удаленных аппаратов. После нескольких месяцев роботических исследований удается определить место посадки. Один из роботов ВЗА неторопливо движется по суровой марсианской почве и устанавливает в месте посадки транспондер (приемопередающее устройство), чтобы помочь экипажу совершить мягкую посадку.

Октябрь 2022 года

Ракета-носитель «Арес-3» с космическим аппаратом «Бигль», названным в честь экспедиционного судна, на котором Чарльз Дарвин совершил свое историческое путешествие, величественно возвышается над равнинной местностью мыса Канаверал. До открытия новой эры в человеческой истории остаются считаные мгновения. Всего несколько недель назад похожая ракета, «Арес-2», поднялась в небо над Флоридой. Идентичная первой ракете «Арес» и несущая аналогичный ВЗА, «Арес-2» все еще несется к Марсу, в то время как толпы народа собрались, чтобы посмотреть на запуск «Бигля», который доставит на Марс первых четырех людей.

Основная часть «Бигля» – жилой модуль, слегка напоминающий огромный барабан. Модуль имеет высоту примерно 5 метров и диаметр около 8 метров. Два этажа с габаритной высотой около 2,5 метров и площадью помещений около 100 квадратных метров – это довольно просторное и комфортное жилье для экипажа из четырех человек. «Хаб» (сокр. от англ. habitation module), как его все называют, имеет замкнутую систему обеспечения жизни, способную повторно использовать кислород и воду, натуральные продукты на три года и большой запас аварийных обезвоженных пайков, а также вездеход с герметичной кабиной и метаново-кислородным двигателем внутреннего сгорания (рис. 1.1.).

Четыре члена экипажа – это настоящие люди эпохи Возрождения. Они обучены нескольким смежным специальностям для выполнения своей основной задачи – всестороннего исследования нового мира. Хотя по сути это двое ученых, работающих в полевых условиях, и двое механиков. Биохимик и геолог составят компанию летчику, по совместительству опытному бортмеханику. Последний член экипажа, мастер на все руки, в первую очередь опять же бортмеханик, но он также может оказать медицинскую помощь и в общем разбирается в целях и особенностях проводимых научных исследований. Этот человек способен при необходимости взять на себя работу коллеги и выполняет еще одну функцию – является командиром миссии.

Рис. 1.1. Жилой модуль «Марс Директ» и возвращаемый на Землю аппарат внутри своих защитных аэродинамических тормозов

На борту «Бигля» четверо мужчин и женщин готовят себя к путешествию в другой мир, которое завершится на Земле примерно через два с половиной года – подобное количество времени уходило у исследователей столетия назад на то, чтобы обогнуть земной шар. В нескольких километрах от их маленького корабля более миллиона человек, собравшихся рядом с мысом Канаверал, с нетерпением ожидают старта. Двигатели нижней ступени ракеты зажигаются, извергая столбы пламени. Громкие радостные крики, каких страна не слышала десятки лет, охватывают толпу, когда «Арес-3» отрывается от стартового стола. Ракета ускоряется, поднимая верхнюю ступень и полезный груз в атмосферу. Верхняя ступень включает собственный двигатель и отделяется, придав жилому модулю необходимую скорость. Теперь четыре человека направляются к Марсу.

Пилот «хаба» направляет его подальше от отработавшей верхней ступени ракеты, вытравливая 330-метровый трос, к которому она прикреплена. Начинает работать небольшой двигатель, заставляя «хаб» и соединенную с ним тросом верхнюю ступень вращаться со скоростью 2 оборота в минуту. Таким образом достигается достаточная центробежная сила, для того чтобы обеспечить астронавтам на борту «хаба» искусственную гравитацию, соответствующую марсианской.

Апрель 2023 года

Через 180 дней полета жилой модуль прилетает на Марс. Аппарат опускает вниз трос с верхней ступенью и начинает замедляться в атмосфере. Экипаж собирается произвести жесткую посадку «Бигля» на выбранное место, используя ВЗА, которые запустили на Марс в 2020 году. Радиомаяк в ВЗА ракеты «Арес-1», детальные фотографии и карты места посадки, транспондер на посадочной площадке и отточенные навыки пилотирования фактически гарантируют точную посадку. В маловероятной ситуации, если «Бигль» промахнется, у экипажа остается три резервных варианта действий. Во-первых, у них на борту есть герметизированный вездеход, способный проехать в одну сторону почти 1000 километров. Пока экипаж находится в зоне досягаемости от места посадки, у них все еще есть возможность добраться до ВЗА по поверхности Марса. Если из-за каких-либо неблагоприятных обстоятельств «Бигль» промахнется больше чем на 1000 километров, следует использовать второй вариант. Это ВЗА, запущенный ракетой «Арес-2», который двигался по более медленной траектории, чем «Бигль», и прибудет на Марс вслед за людьми. Даже если экипаж посадит «хаб» не в том месте планеты, можно провести маневрирование и посадить этот второй ВЗА рядом с ним. И, наконец, третий вариант: экипаж прилетает на Марс с запасами продовольствия на три года – если события будут развиваться самым неприятным образом, четверка сможет это вынести и выжить на Марсе, пока в 2024 году к ним не будут отправлены дополнительное продовольствие и еще один ВЗА.

Впрочем, посадка – дело точное. Несмотря на то что члены экипажа детально изучили место посадки, видели его на снимках, снятых роверами и переданных на Землю, ничто не может подготовить человека к картине марсианского ландшафта, которая перед ним развернется. Почва цвета ржавчины, большие и маленькие хаотично рассыпанные острые камни. Небольшие холмы и дюны в некотором отдалении. Пейзажи напоминают пустыни юго-запада Америки, но под лососевого цвета небесами. Сразу после приземления предстоит сделать много всего, но люди не упускают возможность взглянуть на Красную планету, насладиться тем фактом, что за всю историю существования Земли и Марса никто еще не любовался этим видом вживую.

После того как «Бигль» успешно совершил посадку в намеченном месте, ВЗА «Ареса-2» садится примерно в 800 километрах от него, где начинает процесс производства и запасания топлива. И топливо, и ВЗА будут использованы второй экспедицией – она прибудет на это место в «хабе-2» в 2024 году, как и еще один ВЗА, который высадится в третьем по счету районе Марса. По мере продолжения работы отдельных миссий наконец-то появится сеть исследовательских баз, превращая огромные площади Марса в территории, освоенные людьми.

На поверхности Красной планеты экипаж «Бигля» проведет пятьсот дней. В отличие от традиционных планов, марсианских миссий, нуждающихся в «материнском» корабле на орбите Марса, с которого отправляются небольшие разведывательные партии, «Марс Директ» размещает весь экипаж на поверхности, где люди могут исследовать планету и учиться жить в новых условиях. Оставшиеся на орбите подвергались бы вредоносному влиянию космических лучей и нулевой гравитации. А теперь весь экипаж будет находиться под действием естественной силы тяжести, а также, благодаря марсианской атмосфере, под защитой от космических лучей и солнечной радиации, поэтому нет оснований быстро покидать Красную планету. На долю экипажа, который бы оставался на орбите, выпало бы мало дел и много космических лучей, что послужило бы значительным стимулом сократить продолжительность исследовательской программы на поверхности примерно до 30 дней. Это сделало бы миссию в целом исключительно неэффективной. В конце концов, при условии, что на полет в оба конца уходит где-то полтора года, тридцатидневная вахта на Марсе кажется довольно бессмысленной. Еще хуже то, что стремление быстрее вернуться домой вынудило бы нас вести корабли по более коротким траекториям, тратя гораздо больше топлива. Но и дополнительного запаса топлива недостаточно, чтобы вернуть космический аппарат прямо на Землю. Поскольку Земля и Марс постоянно движутся в пространстве друг относительно друга, плановые траектории по программе «быстрое возвращение» придется проложить мимо Венеры, чтобы ускориться за счет гравитационного маневра. Да и света от Солнца Венере достается вдвое больше, чем Земле.

Даже при значительной протяженности вахты на поверхности Марса каждый день членов экипажа будет заполнен исследованиями, которые сильно увеличат наши знания о Красной планете и проложат дорогу к геологической разведке в будущем и в конце концов к появлению построек и поселений людей. Появится геологическое описание Марса, которое начнет проливать свет на историю марсианского климата, объяснит, как тот перестал быть теплым и влажным, подскажет, как оживить Марс и, возможно, как спасти Землю. Геологические исследования также будут включать в себя поиск полезных ископаемых и других ресурсов. Прежде всего астронавты займутся поиском легкодоступных залежей водяного льда или, еще лучше, подземных геотермальных источников нагретой воды. Обнаружить лед или воду столь важно, потому что это освободит будущие марсианские миссии от необходимости завозить водород с Земли для производства ракетного топлива и позволит разбить крупные теплицы, когда на Марсе появится постоянная обитаемая база. Эксперименты с земледелием – еще один важный пункт в списке приоритетов, для этих целей планируется привезти с собой надувные теплицы. Однако главной задачей, к выполнению которой будет устремлено внимание всего человечества, станет поиск жизни на Марсе.

Изображения Марса, полученные орбитальными аппаратами, демонстрируют высохшие русла рек. Следовательно, по поверхности планеты когда-то текла вода – другими словами, когда-то Марс был местом, потенциально благоприятным для жизни. Геологические свидетельства подтверждают, что теплая и влажная эпоха в истории Марса длилась первый миллиард лет его существования как планеты – гораздо дольше, чем возникала жизнь на Земле. Согласно современным теориям, образование жизни из неживого вещества – это закономерный, естественный процесс, происходящий с высокой вероятностью тогда и там, где складываются подходящие условия. Если это правда, есть шанс на то, что жизнь развивалась и на Марсе. Она может до сих пор скрываться на этой планете, а могла и исчезнуть. Иными словами, открытие марсианской жизни, существующей или ископаемой, фактически докажет, что жизнь во Вселенной представлена в изобилии и что миллиарды звезд, сверкающих в чистом ночном небе, отмечают положения невообразимого количества планетных систем, населенных неисчислимым множеством видов и цивилизаций. С другой стороны, если мы обнаружим, что, несмотря на благоприятный климат, на Марсе никогда не существовало жизни, это будет означать, что она зарождается по воле случая. И тогда мы можем оказаться одни во Вселенной.

Вопрос действительно важный, и поиски жизни или ее следов будут напряженными, поскольку она может обнаружиться во множестве мест. На Марсе есть сухие русла рек и высохшие озера, которые, возможно, были последними оплотами исчезнувшей марсианской биосферы, что делает их многообещающими местами для поиска окаменелостей. Ледяные пласты, покрывающие полюса планеты, могут содержать хорошо сохранившиеся останки организмов, если те когда-то существовали. Есть высокая вероятность, что на Марсе обнаружатся грунтовые воды, нагретые теплом недр планеты. В таких условиях еще могли выжить некоторые организмы. Какая бы это была находка! Что, если бы они сильно отличались от всего, что когда-либо существовало на Земле? Изучая эти организмы, мы бы выяснили, что присуще земной жизни и что лежит в основе жизни вообще. Результаты привели бы к прорывам в медицине, генной инженерии и во всех биологических и биохимических дисциплинах.

Поиски жизни и ресурсов обязательно потребуют чуть большего, чем прогулки на несколько метров по марсианским ландшафтами и бурение одной-двух скважин. Первые исследователи Марса будут вынуждены изъездить марсианские равнины вдоль и поперек, временами теряя из виду свою маленькую базу. На вездеходе с герметичной кабиной, который позволяет астронавтам работать без скафандра, можно будет совершать дальние исследовательские вылазки длительностью в неделю. Этот ровер использует то же метаново-кислородное топливо, что и ВЗА. 10 % запаса этого горючего, произведенного химической лабораторией ВЗА, будет отводиться на освоение окрестностей. С таким внушительным запасом топлива у астронавтов будет возможность исследовать значительные площади вокруг базы, и к концу первой миссии одометр вездехода должен показывать пробег по меньшей мере в 24000 километров. Во время путешествий у экипажа ровера будет возможность оставлять на пути следования небольших роботов на удаленном управлении, которые позволят людям на базе и на Земле исследовать огромное количество мест телевизионными методами.

Такая масса исследований обязательно приведет к появлению ошеломляющих объемов информации, сплошь новой, без сомнения уникальной, так что ни один из членов экипажа не сможет ее систематизировать. Каждый астронавт будет регулярно беседовать с советами ведущих мировых экспертов, создавая большой поток информации между Марсом и Землей. Конечно же, члены экипажа будут отправлять и получать личные сообщения, но из-за запаздывания радиосигнала по пути от Марса до Земли им придется мириться с задержкой ответа, составляющей до сорока минут. Ожидание может показаться долгим тому, кто привык к телефонным разговорам, но не тому, кто способен написать добротное письмо.

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] 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] если не считать орбиту Плутона,[9] 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.

Путешествия с телескопом

Кеплер использовал Марс, чтобы доказать что Земля – тоже планета. Следовательно, планеты, те маленькие движущиеся огоньки в небе, на самом деле были огромными мирами, похожими на Землю. Но как исследовать эти невероятные небесные тела? Вскоре инструмент оказался под рукой. Меньше чем через год после того, как Кеплер опубликовал свою «Новую астрономию», Галилей обратил в небо новый инструмент – телескоп. Открытые им за несколько недель наблюдений горы на Луне и «три маленькие звездочки», танцующие вокруг Юпитера, стали дополнительным подтверждением кеплеровой модели мира. Довольно скоро линзы множества телескопов были устремлены к Марсу.

Итальянский астроном Франческо Фонтана в 1636 году сделал первый набросок Марса, видимого в телескоп, хотя сегодня узнаваемые детали на этом рисунке найти не удается. В 1659 году нидерландский астроном Христиан Гюйгенс создал первое изображение Марса, где такая деталь была: похожее на треугольник темное пятно, которое выделяется на диске планеты, сейчас известно как Большой Сирт. Тщательно наблюдая Сирт и другие детали, астрономы прошлого определили, что марсианский день, или сол, близок по продолжительности к земному. В 1666 году итальянец Джованни Кассини измерил продолжительность марсианских суток, которая оказалась равна 24 часам, 37 минутам и 22 секундам. Хотя Кассини, по-видимому, также был первым, кто заметил полярные шапки Марса, первый набросок одной из шапок в 1672 году сделал Гюйгенс. Используя наблюдения, сделанные в 1770–1783 годах, Уильям Гершель, открыватель Урана, заметил, что на Марсе должны меняться времена года, так как его полярная ось имеет наклон в 30 градусов (современное значение – 24 градуса).

Наблюдения Марса продолжались десятилетиями, особенно в периоды противостояний, когда Марс (строго говоря, любая планета, находящаяся дальше от Солнца, чем наша) находится предельно близко к Земле, формируя линию «Марс – Земля – Солнце». В такое время Марс светит в небе особенно ярко. К началу XIX века астрономы накопили множество сведений о Марсе: орбитальный период, продолжительность суток, массу и плотность планеты, расстояние до Солнца и силу тяжести на поверхности. Но больше всего исследователей сбивал с толку изменчивый вид марсианского диска. Годами в окуляры телескопов можно было видеть, как на нем со временем то появляются, то исчезают небольшие темные пятна, похожие на рябь. Точно так же яркие белые пятна, которые были замечены наблюдателями у полюсов планеты, меняли форму, расширяясь и уменьшаясь в течение марсианского года. По всей видимости, у Марса была атмосфера, поскольку некоторые наблюдатели заметили смутные намеки на облака.

Противостояние 1877 года оказалось особенно удачным для наблюдателей и исследователей Марса. Асаф Холл из старой военно-морской обсерватории США открыл два маленьких спутника Марса и в скором времени назвал их Фобосом и Деймосом – страхом и ужасом. Подобающая свита для планеты, названной в честь бога войны. Но, если задуматься, 1877 год, вероятно, больше всего запомнился благодаря серии наблюдений, которые послужили отправной точкой для одного беспокойного эпизода в истории изучения Марса и одной из самых странных глав в истории астрономии.

Среди тех, кто обратил вооруженный глаз к Марсу в 1877 году, был итальянский астроном Джованни Скиапарелли, директор Брерской обсерватории в Милане. В сообщениях Скиапарелли о его наблюдениях фигурировали более шестидесяти объектов, обнаруженных на диске Красной планеты. Но помимо прочего среди них были линейные отметины, пересекающие диск Марса крест-накрест. Скиапарелли назвал их в честь земных рек – Инда, Ганга, – но в своих письмах именовал «canali», что по-итальянски означает каналы или ручьи. Он был не первым, кто обратил внимание на эти странные отметины, но первым идентифицировал их как обширную сеть «каналов». Через десять с небольшим лет воодушевление Персиваля Лоуэлла сделает Марс и его «каналы» самой популярной темой для обсуждения во всем мире.

Лоуэлл родился в Новой Англии в семье известных поэтов, просветителей, государственных деятелей и промышленников (великая поэтесса Эми Лоуэлл была его сестрой, а его брат Эббот стал президентом Гарвардского университета), а Марсом заинтересовался ближе к сорока годам, особенно его привлекли наблюдения Скиапарелли. Для Лоуэлла существовала только одна интерпретация: в «canali» он видел не русла рек или природные углубления, а дороги или искусственно созданные канавы. А значит, они должны были служить отражением коллективной работы ума, жизни. По непонятным причинам Лоуэлл решил, что Марс требует его внимания, и он посвятил себя Марсу с такой страстью и финансовой щедростью, на какие способны немногие.

Для своих исследований Лоуэлл построил обсерваторию в аризонском Флагстаффе, которая открылась в апреле 1894 года, то есть за несколько недель до очередного противостояния Марса. Лоуэлл и его подчиненные провели на Марсианском холме во Флагстаффе более десяти лет, изучая и картографируя Красную планету. Лоуэлл вместе с ассистентами нанес на карту сотни каналов. В их нумерации и структуре Персиваль Лоуэлл видел историю инопланетной расы, пытающейся выжить в засушливом, обреченном на смерть мире.

Этой гипнотической картиной Лоуэлл захватил людское воображение. Эффект, произведенный его трудами, был в дальнейшем усилен писателями-фантастами, в том числе Эдгаром Райсом Берроузом – он использовал лоуэлловский Марс как декорации, в которых разворачивалась романтическая история выдающейся цивилизации, называющей свою планету Барсумом. Новеллы Берроуза о Марсе рассказывали о лихих героях, спасающих отважных и прекрасных принцесс, которым угрожают чудовища, дикари и одержимые жаждой власти марсианские тираны. Лоуэлловский Марс, приняв облик Барсума, очаровал миллионы читателей.

Однако ни красноречие Лоуэлла как писателя и докладчика, ни его энергия и энтузиазм не могли защитить его теории от претензий астрономического сообщества. Шквал критики против Лоуэлла поднялся, когда другие наблюдатели, используя более мощные инструменты, не увидели на Марсе ничего похожего на каналы. Сейчас известно, что Лоуэлл заблуждался, но он действительно оставил после себя внушительное наследие: он подстегнул воображение людей, помог им представить марсианский мир. Пусть эти представления и оказались ошибочными, но они воодушевили хотя бы ту публику, которая через три столетия после Кеплера придерживалась и в значительной степени до сих пор придерживается античного геоцентрического мировоззрения, где планета Земля является единственным миром в окружении звезд. Лоуэлл сделал Марс обитаемым, пусть только в воображении, но именно силами воображения создается реальность. Именно работы Лоуэлла вдохновили пионеров ракетостроения, включая Роберта Годдарда и Германа Оберта, на начало работы над устройствами, которые позволят человеку путешествовать по Солнечной системе, а не только рассматривать ее. Именно дух Лоуэлла прикоснулся к поверхности Марса, когда на нее высадился «Викинг».

«Викинг» ищет жизнь

Жизнь привела «Викинг» на Марс. Хотя мечты Лоуэлла давно канули в Лету, сама идея того, что на Марсе может существовать жизнь, никогда не забывалась. Пролетев мимо планеты в июле 1965 года, американский аппарат «Маринер-4», который должен был посетить Марс, разумеется, навсегда развеял лоуэлловские представления о Красной планете, показав пустынную, покрытую кратерами поверхность, больше напоминающую о Луне, чем о Барсуме. Те, кто надеялся получить открытку из далекого мира, где есть жизнь, вместо этого получил траурные изображения старой, мертвой планеты, космической окаменелости по выражению писателя-фантаста Артура Кларка. Летом 1969 года «Маринер-6» и «Маринер-7» подтвердили то, что увидел их предшественник. Научные эксперименты показали: давление в атмосфере, богатой углекислым газом, составляет всего 6–8 миллибар (1 миллибар – одна тысячная доля атмосферного давления на уровне моря на Земле). Температуры вблизи южного полюса говорили о том, что полярные шапки сформированы замороженным углекислым газом – сухим льдом. Марс, согласно результатам пролетов «Маринеров», был холодной, мертвой, покрытой кратерами планетой, местом, где не хочется задерживаться. А потом полетел «Маринер-9».

В отличие от предыдущего американского аппарата, он должен был выйти на околомарсианскую орбиту. Там, где предыдущие станции серии «Маринер» фотографировали Красную планету и собирали всю информацию, какую только было возможно, «Маринер-9» и вспомогательный космический аппарат в течение 60 дней должны были картографировать марсианскую поверхность и изучить динамику планеты. К сожалению, тот вспомогательный космический аппарат, «Маринер-8», упал в Атлантический океан вскоре после запуска весной 1971 года. А «Маринер-9» безупречно стартовал 30 мая и долетел до Марса. Несколькими днями ранее Советский Союз запустил «Марс-2» и «Марс-3», комбинированные станции из орбитального аппарата и посадочного модуля. После запуска по мере приближения к цели на кораблях все проходило в штатном режиме. А вот на Марсе было неспокойно.

22 сентября, примерно за два месяца до предполагаемого прибытия зондов «Марс» и станции «Марс-2», астрономы заметили, что над Марсом в области земли Ноя начало формироваться белое яркое облако. Оно разрасталось быстро, в пределах часа. За несколько дней облако, превратившееся в пылевую бурю, охватило всю планету. Пока к Марсу спешила фотографическая техника, он окутал себя завесой. Фотографии, сделанные с большого расстояния «Маринером-9» 12 и 13 ноября, позволили заметить чистый диск планеты, на котором виднелись лишь небольшое поярчание рядом с южным полюсом и нескольких темных пятнышек над экватором. 14 ноября станция вышла на орбиту вокруг Марса. «Маринер-9» летал над планетой, на которой почти ничего нельзя было разглядеть. Систему управления зонда перепрограммировали в соответствии с новым планом: аппарат мог производить некоторые научные эксперименты и фотосъемку, но, по сути, должен был дождаться окончания бури.

У станций «Марс-2» и «Марс-3» такой возможности не имелось. В отличие от «Маринеров», советские аппараты не были рассчитаны на дистанционную корректировку заданий. После выхода на орбиту они отправили посадочные модули в самое сердце крупнейшей зарегистрированной марсианской бури. Вслепую спускаясь на парашютах в атмосферу, перемешанную ветрами, дующими со скоростью до 160 километров в час, оба зонда совершили очень жесткую посадку, так что системы торможения на воздушных подушках не смогли уберечь их. «Марс-2» врезался в грунт, а «Марс-3» успел в течение 20 секунд передать некоторое количество данных, а затем перестал работать.

Советские станции едва ли оказались успешнее предыдущих зондов. Почти все данные станций «Марс-2» были потеряны из-за плохой телеметрии, а «Марс-3» вышел на сильно вытянутую эллиптическую орбиту вокруг Марса, передав на Землю всего одно изображение.

Пока бушевал шторм, а советские аппараты один за другим встречали уготованную им судьбу, «Маринер-9» спокойно обращался вокруг Марса, ожидая, пока в буквальном и переносном смысле утихнет буря. В период с конца декабря 1971 года по начало января 1972 года марсианское небо стало проясняться, и «Маринер-9» начал передавать на Землю поразительно четкие снимки невиданного мира.

Теперь стало ясно, что темные пятнышки, снятые «Маринером» с большого расстояния, оказались гигантскими горами, вершины которых аппарат разглядел во время пылевой бури. Веком ранее астрономы, наблюдавшие Марс в телескопы, заметили яркую область, расположенную вблизи самого крупного из этих горных массивов, и окрестили ее Nix Olympica, Снега Олимпа. Название оказалось подходящим, так как область Снега Олимпа – самая высокая гора в Солнечной системе, возвышающаяся примерно на 24 километра над поверхностью планеты и сравнимая по площади со штатом Миссури. Еще один регион Марса, хорошо известный астрономам, каньон Копрат, тоже преподнес сюрприз. В телескоп Копрат кажется хорошо различимым темным, коротким и широким, похожим на облако отрезком. Когда небо расчистилось, ученые, получавшие информацию от «Маринера», обнаружили, что они смотрят на пылевое облако, которое оседает на дно равнины, по размерам сходной с горой Олимп. Этот неровный шрам, который теперь называют долинами Маринера (в честь «Маринера-9»), тянется через планету примерно на 4000 километров. Имея ширину до 200 километров и глубину около 6 километров, эта система каньонов затмевает любой земной аналог (если поставить с одного края долины Маринера Скалистые горы, то никто их не заметит).

С каждым витком вокруг планеты «Маринер» передавал на Землю все более удивительные изображения. Но самым большим потрясением оказались снимки извилистых каналов (да, как не вспомнить про canali!), будто проложенных когда-то бежавшей водой, – это были марсианские русла рек.

Ту романтику, которую ранее убили «Маринеры», вернул к жизни «Маринер-9». Станция подтвердила многие из предыдущих открытий «Маринеров», но опровергла другие, включая представление о том, что Марс был просто двойником Луны. Представьте глобус Марса, поделенный пополам линией, бегущей от пятидесятой параллели к экватору. К югу вниз от этой линии простирается сильно кратерированная древняя местность, открытая и сфотографированная «Маринерами»-4, -6 и -7. К северу от этой линии кратеров значительно меньше, из-за того что район был очень геологически активен. Так сложилось, что «Маринеры» посетили только южное полушарие планеты, не дав ни намека на то, как выглядят другие области планеты. Данные и более 7000 изображений, полученные «Маринером-9», позволили отказаться от представлений о Марсе как о космической окаменелости и рассказали историю планеты из огня и пламени. В далеком прошлом поверхность Марса была геологически активна. Вулканы извергались и изменяли рельеф огромных участков планеты, какие-то внутренние процессы привели к разломам и дроблению пород, на километры подняв над поверхностью Марса регион Фарсида (где располагается гора Олимп), а еще по планете текла вода, причем в достаточном количестве и достаточно долго, для того чтобы выточить некоторые детали рельефа. Когда-то Марс был теплым, влажным и геологически активным. Поэтому снова встает вопрос: есть или была ли на Марсе биологическая активность, теплилась ли жизнь?

Чтобы ответить на этот вопрос, астрономы и биологи вернулись от понятия жизни на Марсе к более простому, но все равно сложному понятию самой жизни. Что это такое? Если мы не можем определить, что такое жизнь, если мы не можем отличить живое от неживого здесь на Земле, то нам придется слишком долго приглядываться к красной точке, удаленной от нас на расстояние в 400 миллионов километров. Итак, поиск жизни на Марсе начался с ревизии единственного известного образца жизни во Вселенной, земной жизни. Поскольку земная жизнь представлена во всевозможных видах, формах и размерах, ее существование заведомо приводит к изменению среды вокруг нее. Эти изменения могут быть малыми, даже еле заметными, если речь идет о крошечных формах жизни. Но независимо от размера жизнь будет влиять на окружающую среду просто потому, что в ней задействованы механизмы обмена веществ и дыхания, сложные физические и химические процессы. Герметично закройте непроницаемую емкость, и смесь газов (если предположить, что стенки емкости сами газ не выделяют) останется неизменной. Если вы поместите в ту же емкость кошку, то исследуемая смесь довольно быстро изменится (как и состояние кошки в емкости). То есть, если вы ищете признаки жизни, создайте контрольный образец среды, поместите туда имеющийся у вас образец живого организма, а затем наблюдайте за физическими и химическими изменениями в емкости. Велики шансы, что значительные изменения можно будет сопоставить с биологическими процессами. По сути, ученые проекта «Викинг» решили проделать нечто подобное.

Программа проекта «Викинг» была довольно прямолинейной в описании – два орбитальных и два посадочных модуля, которые должны были полететь к Марсу в 1973 году для поисков жизни, – но неожиданно сложной в исполнении. Из-за урезанного бюджета пришлось отложить запуск на 1975 год, что оказалось к лучшему, так как космический аппарат просто не успели бы изготовить в 1973 году без «компромисса между техническими возможностями и надежностью», по словам одного из членов команды, создававшей «Викинг».

Состоящий из четырех частей космический аппарат был оснащен инструментами для фотосъемки, картирования водяного пара, температуры, сейсмологии, метеорологии и так далее, но сердцем миссии было оборудование для биологических исследований. Инженеры, обслуживавшие «Викинг», упаковали три биологические лаборатории общим весом около 9 килограммов в объем, который можно уместить на книжной полке.

Три эксперимента в биологическом блоке строились на одном базовом принципе: нужно закрыть в контейнере с питательной средой небольшое количество марсианского грунта, выдержать в различных условиях, а затем измерить количество выделившихся или поглощенных газов. Эти эксперименты отличались друг от друга подходом к выдерживанию образцов и результатами, которые аппаратура должна была зафиксировать и измерить в качестве доказательств жизни. Посадочные модули «Викинг» также были оснащены рентгеновскими инструментами, способными провести химический анализ почвы, и газовыми хроматографами и масс-спектрографами (ГХМС), которые могли обнаружить и идентифицировать органические компоненты почвы.

Поиски жизни начались на восьмой марсианский день аппарата «Викинг-1» – восьмой сол в местной часовой зоне, 28 июля 1976 года на Земле, – когда посадочный модуль вытянул манипулятор для сбора образцов, пронес его над поверхностью Марса и доставил грунт в контейнер для исследований. Три эксперимента получили свои маленькие доли и приступили к работе. В течение следующих трех дней все три эксперимента дали невероятные результаты. Аппаратура зафиксировала мощное выделение газов – в некоторых случаях практически сразу после помещения марсианского грунта в питательную среду.

Биологи из команды «Викинга» были ошеломлены. Три эксперимента, три положительных результата, три указания на существование жизни… возможных указания. Сигналы о выделении газа были уверенные, но внезапность и их возникновения, и их исчезновения говорила о том, что это скорее звено цепочки химических реакций, а не свидетельство биологического роста. Пришлось проявить осторожность. Открытие жизни где-либо в Солнечной системе имело бы далеко идущие последствия не только для науки, но и для человеческого сообщества в целом. Снова, как и во времена Кеплера, оно могло бы узнать правду о своем месте во Вселенной. Мы бы обнаружили, что раз мы не центр Вселенной, мы – часть явления, общего для всей Вселенной. Мы бы узнали, что жизнь охватывает ее всю. Разумеется, это было бы очень важным открытием.

Никто из команды ученых не хотел торопиться с такими заявлениями. К тому же многие биологи в группе подозревали, что зафиксированные реакции были небиологическими по своей природе. Один из ведущих исследователей команды, Норман Горовиц, довольно четко обозначил свою позицию во время пресс-конференции, посвященной первым положительным результатам его собственного эксперимента. «Я хочу подчеркнуть, – сказал он нетерпеливой группе журналистов, – нет, мы не открыли жизнь на Марсе».

На 23-й сол газовый хроматограф и масс-спектрометр проанализировали образец марсианского грунта и не обнаружили там ни следа органических углеродных соединений. После реакций, проведенных тремя биологическими установками, новый результат поразил исследователей и оживил дискуссию. Ученые ожидали, что ГХМС обнаружит хотя бы какие-то следы органических соединений небиологической природы, таких как включения в метеоритном веществе. Исследователей главным образом заботило, как отличить биологическую органику от небиологической. А теперь, когда ГХМС зарегистрировал полное отсутствие органических соединений в марсианском грунте, поиски жизни на Марсе для некоторых ученых свелись к поиску процессов, которые могли бы примирить столь противоречивые результаты.

3 сентября «Викинг-2» высадился на равнину Утопия, примерно в половине окружности планеты, в 6400 километрах, от места посадки «Викинга-1» и на 25 градусов севернее. Биологические лаборатории и ГХМС вскоре включились и начали работать, исследуя почвы, которые казались слегка более сырыми, чем на равнине Хриса. Результаты биологических экспериментов снова дали положительные результаты, которые снова выглядели последствием химических процессов, а ГХМС не показал никаких следов органического углерода. Опять поднялась шумиха, в которой одни ученые поддерживали биологическое объяснение, другие – химическое. Результаты окончательно обрисовали основную проблему: «Викинги» могли провести четыре и только четыре эксперимента, три из которых указывали на возможное существование жизни, в то время как четвертый – на большую сомнительность первых трех. Если бы образцы грунта находились в земной лаборатории, можно было бы провести десятки дополнительных экспериментов, которые помогли бы разрешить спор. На Земле даже можно было бы непосредственно изучить под микроскопом результаты взаимодействия марсианских почв с питательной средой. Но не на Марсе. По сути, у нас были только противоречивые результаты. Как выразился писатель Леонард Дэвид, «Викинг» полетел на Марс и спросил, есть ли на нем жизнь, а Марс в ответ сказал: «Пожалуйста, переформулируйте вопрос».

Сегодня большинство исследователей – но определенно не все – понимают, что «Викинг» не обнаружил следов жизни. Ученые пришли к выводу, что марсианский грунт богат пероксидами и окислами. Согласно этой теории, результаты как минимум двух экспериментов «Викингов» свидетельствуют о химических реакциях, в которых эти пероксиды участвовали. Неудачи ГХМС в попытке обнаружить углерод на обеих площадках примерно согласуются с пероксидно-окисловой теорией, поскольку пероксиды легко разрушают органические соединения. Но не все разделяют эти взгляды, некоторые предполагают, что, возможно, ГХМС оказался недостаточно чувствительным, чтобы зафиксировать исчезающее малые количества органического вещества, то есть жизнь. Вполне вероятно, что во время экспериментов на «Викинге» такое малое количество спор могло быстро разрастись, превратиться в довольно большую популяцию и дать положительный результат. Внезапное исчезновение положительных сигналов, поданных биологическими лабораториями, может объясняться как исчерпанием имевшегося количества пероксидов, так и чрезмерным ростом популяции организмов, отравляющих себя продуктами собственной жизнедеятельности. Гилберт Левин, ведущий исследователь и разработчик биологического эксперимента, названного «Маркированный выпуск» (Labeled Release), по сей день страстно верит, что его оборудование зарегистрировало проявления марсианской жизни. Через десять лет после высадок «Викингов» Левин напишет: «…после многолетних лабораторных попыток воспроизвести результаты с Марса, используя небиологические способы, мы обнаружили, что выводы научного анализа позволяют заявлять с большей уверенностью: в нашем эксперименте на Марсе были зафиксированы следы жизнедеятельности каких-то организмов. Я выражаю не мнение, а позицию, продиктованную объективной оценкой всех научных данных, имеющих отношение к рассматриваемому вопросу» [2]. Всего на двадцать страниц раньше в том же издании член другой группы биологов Норман Горовиц пишет: «Для некоторых Марс всегда будет необитаемым независимо от доказательств… Не нужно долго искать тех, кто считает, что на Марсе условия как в райском саду: во влажном и теплом климате процветает марсианская жизнь. Однако это все мечты» [3].

Я склоняюсь к тому, что Горовиц слишком суров в своих оценках, а Левин излишне оптимистичен. Разумней всего считать, что «Викинг» не обнаружил жизнь в поверхностных слоях марсианского грунта. Причиной тому отсутствие жидкой воды и как следствие – отсутствие органики, поэтому, несмотря на некоторые аргументы в пользу редко встречающихся спор, кажется, что создать логичную теорию, объясняющую жизненный цикл гипотетических организмов на поверхности Марса, практически невозможно. Более того, поскольку озоновый слой марсианской атмосферы очень тонкий, планета купается в ультрафиолетовом излучении, значительная интенсивность которого позволяет очень эффективно стерилизовать поверхность – уничтожить микроорганизмы. Однако, вопреки мнению Горовица, это не исключает возможность существования микробного «райского сада» под поверхностью Марса. Фактически, если земная жизнь нас чему-то и научила, так это тому, что она процветает не только в райских, но и в адских условиях. Действительно, существуют семейства бактерий, известных как хемотрофы, которые получают энергию из различных неорганических химических соединений, а не из солнечного света (как растения) или из органических питательных веществ (как мы). Маленькая группа, адаптированная к температурам от 70 до 90 °C и счастливо живущая благодаря энергии, выработанной в реакции окисления серы, вероятно, чувствовала себя как дома в суровых условиях подземелья, которые, как показали самые недавние исследования, почти наверняка имеются на Марсе. По всей нашей планете в самых экстремальных условиях, которые только можно представить, ученые обнаружили очень выносливые формы жизни, существующие при очень скудных ресурсах. В Антарктике колонии лишайников процветают внутри лежащих на снегу камней, защищенные от суровых условий слоем пористого песчаника толщиной около сантиметра. Обширные колонии микроорганизмов успешно живут вокруг глубоководных гидротермальных источников, известных как «черные курильщики» и извергающих потоки богатой минералами кипящей воды. Одни организмы процветают только в тепле, другие – только в холоде; некоторые растут только в щелочной среде, иные – только в кислотной; есть такие, которые питаются серой, или железом, или водородом. Жизнь может не только поддерживать себя в экстремальных условиях, но и сохраняться невообразимо долго. В конце 1980-х годов исследовательская группа из Великобритании обнаружила, что колонии устойчивых к соли организмов под названием галобактерии обитают в каменной соли и выживают там месяцами в своих маленьких минеральных домиках. Заинтригованные ученые поехали собирать образцы из естественного подземного солевого отложения, которое образовалось в пермском периоде более 230 миллионов лет назад. Они снова обнаружили маленькие, заполненные жидкостью полости в каменной соли, а в малой части этих полостей (в 6 из 350) нашли жизнеспособные галобактерии, которые можно выращивать в лаборатории после перерыва примерно в 200 миллионов лет [4].

Все создания, большие и маленькие, выживающие в экстремальных условиях, имеют кое-что общее: в их среде есть источник воды, пусть даже и скромный. Тот факт, что на Марсе найдены многие признаки существования воды в далеком прошлом, как на поверхности, так и под ней, позволяет задуматься о существовании на планете жизни, в прошлом или даже сейчас – в каком-нибудь «райском саду», пока скрытом от нас. Условия для такой жизни могут быть найдены в термальных источниках на поверхности (что-то вроде родников), под ней, в зонах подповерхностной вечной мерзлоты, подземных соленых озерах или даже в областях, где происходило испарение воды и остались солевые отложения, подобные земным, служившим домом для бактерий миллионы лет. Многие геологи полагают, что на Марсе как минимум в некоторых местах есть водоносный слой. Его глубина залегания, вероятно, близка к километру. Возможно, жизнь, которая эволюционировала на поверхности планеты в далеком прошлом, когда Марс был теплым и влажным, потом ушла под поверхность. Недавно исследователи из штата Вашингтон открыли вид бактерий, живущих глубоко под землей и существующих за счет энергии, получаемой из реакции между холодной грунтовой водой и базальтом. Кажется, нет причин полагать, что подобные организмы не могли бы так же успешно выживать марсианских глубинах. Дело в том, что живое умеет приспосабливаться к внешним условиям, даже если они такие тяжелые, как на Марсе. Никто не ожидает обнаружить стада восьминогих барсумских коней, скачущих через марсианские дюны. Но жизнь в виде микроорганизмов, прячущаяся в скрытых уголках, – совсем другое дело. Она может существовать сейчас, она могла существовать в прошлом. Чтобы обнаружить ее, придется использовать не только автоматические зонды с их ограниченной подвижностью, ловкостью и чувствительностью.

После «Викингов»

Орбитальные и разведывательные модули программы «Викинг» еще долго продолжали свои научные эксперименты, после того как была завершена биологическая часть программы. Последний сигнал от орбитального модуля «Викинг-2» пришел 25 июля 1978 года, а за ним 11 апреля 1980 года, почти через два года, отключился посадочный модуль второго аппарата. Орбитальный модуль «Викинг-1» послал свой последний сигнал 17 августа 1980 года, а посадочный модуль перестал работать 5 ноября 1982 года.

В рамках советской космической программы в 1988 году были проведены два запуска аппаратов для исследований Марса и его спутника Фобоса. Оба закончились неудачей. Неудачи преследовали каждую советскую или российскую миссию, связанную с Марсом (всего более 16 попыток). Американская космическая программа тоже столкнулась с трудностями. Аппарат «Марс Обзервер» с семью инструментами на борту должен был исследовать планету в течение марсианского года. Миссия позволила бы перевернуть наши представления о Марсе, по крайней мере исследователи надеялись на это. Но за несколько дней до выхода на околомарсианскую орбиту аппарат замолчал. Пытаясь воссоздать обстоятельства случившегося, инженеры предположили, что была повреждена топливная магистраль, когда аппарат приготовился включить двигатели для выхода на орбиту вокруг Марса. Какой бы ни была причина, после семнадцатилетнего перерыва американские исследования Марса, кажется, собирались уйти в глубокую спячку.

К счастью, вместо того чтобы использовать неудачу «Марс Обзервер» как предлог и урезать бюджет марсианской исследовательской программы НАСА, члены Конгресса благосклонно отнеслись к новым исследованиям, основанным на опыте «Викингов». Руководствуясь принципом «быстрее, лучше, дешевле», НАСА изменило структуру многолетней программы изучения Марса из-за провала миссии «Марс Обзервер». Вместо одного крупного космического аппарата Америка планировала запустить к Марсу серию маленьких аппаратов, включающих орбитальные и посадочные модули. Эта программа началась в конце 1996 года с запуска спутника «Марс Глобал Сервейор» (МГС) и миссии «Марс Пасфайндер». «Сервейор», по размеру примерно вдвое меньший, чем «Марс Обзервер», начал картирование Красной планеты с полярной орбиты в марте 1999 года и успешно продолжал это дело до ноября 2006 года. Благодаря данным альтиметрии «Сервейору» удалось обнаружить бассейн, представляющий собой углубленную и относительно некратерированную часть марсианского северного полушария. Эта часть оказалась приблизительно столь же плоской, как земное морское дно, а значит, могла быть дном марсианского океана [5]. Еще более поразительны две фотографии одного и того же кратера (рис. 2.1), которые МГС сделал в 2001 и 2005 годах. На снимках можно увидеть появление нового водяного протока как раз в период между съемками [6]. Такое могло произойти только из-за временного стекания воды по стенке кратера где-то между 2001 и 2005 годами, что доказывает существование на Марсе подповерхностных водоемов с жидкой водой. «Марс Пасфайндер» высадился на Марс 4 июля 1997 года с помощью парашютов, тормозных ракет и воздушных подушек. Пережив несколько скачков со скоростью от 60 до 90 километров в час, «Пасфайндер» выпустил на поверхность Марса маленький ровер, получивший имя «Соджорнер» в честь Соджорнер Трут, боровшейся за отмену рабства. «Соджорнер» два месяца двигался по долине Ареса, которая, вероятнее всего, была прорезана водой, собирал геологические данные и раз за разом обнаруживал скругленные булыжники и группы камней, указывающие на существование здесь в прошлом воды.

Рис. 2.1. Фотографии одного и того же кратера, сделанные орбитальным аппаратом «Марс Глобал Сервейор» (МГС) в 2001 и 2005 годах, демонстрируют водяные подтеки, появившиеся за время между съемками. Подтеки указывают на существование под поверхностью Марса водоносного слоя (фото – Космические научные системы Малин/НАСА)

Американская автоматическая программа по изучению Марса ускорялась, дважды удалось успешно провести запуски в 1996–1997 годах. Тем временем финансовые трудности и злой рок повергли в хаос российскую программу. Попытка русских запустить миссию «Марс-96», в ходе которой планировалось сделать аппарат спутником Марса, а также задействовать две малые научные станции и два прибора для бурения марсианской поверхности, была сорвана из-за аварии ракеты-носителя осенью 1996 года. Это привело к тому, что вторую миссию, «Марс-98», которая должна была доставить на Марс орбитальный аппарат, ровер и аэростат, отложили на неопределенный срок. Русский «Марсоход» превышал бы по размеру американский аппарат «Пасфайндер» и, вместо того чтобы пройти 10 метров от места посадки, мог бы преодолеть около 50 километров. Аэростат, тянущий за собой вереницу инструментов, был разработан французским Национальным центром космических исследований, для того чтобы днем подниматься в марсианскую атмосферу на высоту до 4 километров, а ночью опускаться на поверхность. Аэростат, рассчитанный на десятидневный полет, должен был преодолеть несколько сотен километров. Поскольку российская экономика в следующем десятилетии переживала тяжелые времена, надежда на осуществление миссии таяла, и сейчас ее будущее неизвестно.

Рис. 2.2. Марсианский исследовательский ровер «Спирит», работающий на поверхности Марса (иллюстрация НАСА/ЛРД)

Американская программа исследования Марса также сильно пострадала: осенью 1999 года были потеряны сразу и «Марс Полар Лэндер», и «Марс Клаймэт Орбитер». Первый – из-за проблем с выходом на околомарсианскую орбиту а второй – при маневрировании перед посадкой. НАСА продолжило ускорять работу над десятилетним планом, и в октябре 2001 года удалось успешно вывести на орбиту вокруг Марса «Марс Одиссей». Успешно работающий до сих пор аппарат с помощью системы инфракрасных камер и спектрометр-гамма-лучей составил карту минеральных соединений на марсианской поверхности, при этом среди прочего открыл высокоширотные области размером с континент, где почвы содержат более 60 % воды по весу [7].

После этого успеха НАСА запланировало в середине 2003 года запустить на Красную планету два аппарата среднего размера – марсианские исследовательские роверы. Прибыв на Марс через шесть месяцев, оба марсохода совершили посадку на воздушных подушках в двух сильно удаленных друг от друга точках планеты. Марсоход «Спирит» высадился 3 января 2004 года в кратер Гусева – образование размером со штат Коннектикут в 15 градусах к югу от марсианского экватора. Кратер Гусева привлек внимание ученых, поскольку в его край врезается 900-километровая извилистая долина. Скорее всего, эта долина была проложена руслом реки в далеком прошлом, и однажды через нее кратер мог заполниться водой. «Спириту» предстояло поискать свидетельства этих событий. В итоге «Спириту» пришлось проделать нелегкий путь от места посадки, чтобы отыскать доказательства. Второй ровер, «Оппортьюнити», высадился на три недели позже примерно на противоположной стороне Марса в области плато Меридиана, одного из самых гладких и плоских мест на планете. Разработчики миссии опять ориентировались на свидетельства существования воды, выбирая место посадки. Инструменты на борту «Марс Глобал Сервейор» обнаружили, что эта область богата редким серым гематитом. Оксид железа в форме гематита встречается на Земле и обычно образуется во влажной среде. Когда «Оппортьюнити» стал передавать первые изображения, команда исследователей одновременно была удивлена и восхищена тем, что ровер совершил посадку, заехал в маленький кратер и сел на поверхность напротив обнажения слоистого камня. Более удачное место посадки трудно было и представить.

Рис. 2.3. «Спирит» отбрасывает тень на поверхность Марса (фотографии: Космические научные системы Малин/НАСА)

Миссии каждого из роверов были запланированы на 90 солов. До того как закончилось номинальное время работы, оба аппарата нашли веские доказательства существования жидкой воды в марсианском прошлом. В марте 2004 года научная команда программы марсианских исследовательских роверов объявила, что «Оппортьюнити» нашел убедительные свидетельства тому и в составе, и в морфологии изученных камней. Через несколько дней команда объявила, что «Спирит» открыл отложения соли, остатки древней береговой линии в кратере Гусева. С таким заделом оба ровера активно продолжили работу.

Рис. 2.4. Следы гусениц марсохода «Оппортьюнити» на Марсе: а) вид с марсохода; б) вид с аппарата «Марс Реконнэйсенс Орбитер» (МРО) (фото: Космические научные системы Малин/НАСА)

В течение шести с лишним лет марсоходы продолжали научные исследования, осторожно передвигаясь по поверхности Марса во время марсианских зим, пылевых бурь, невзирая на механические неисправности и временные приступы амнезии. «Спирит» оправдал свое название (в переводе с английского – «дух»), преодолев многочисленные сложности, включая проблемы с правым передним колесом, которое стало плохо работать в июне 2004 года. Роверу приказали дать задний ход, при этом неисправное колесо подрагивало, передвигаясь по гладким участкам поверхности. Инженеры заставляли марсоход очищать камни от пыли и наскакивать на крупные булыжники, исследовали почвы в мельчайших деталях, наблюдали прохождение Фобоса по диску Солнца, запечатлели пылевые смерчи, мчащиеся по поверхности Марса, и даже видели метеоры в небе над планетой. Библиотека необработанных изображений с марсоходов включает невероятное множество снимков: от изумительных панорамных пейзажей до крупных планов мельчайших песчинок. Все кадры можно посмотреть в Интернете, если у вас есть время пролистать более четверти миллиона фотографий [8].

В мае 2009 года колеса «Спирита» проломили корку поверхностного слоя грунта и увязли в рыхлом песке. Из песка марсоход вызволить не удалось, и НАСА объявило «Спирит» стационарной научной платформой. За время, проведенное на Марсе, аппарат преодолел 7730 метров пути. Сотрудники команды изучили грунт, в котором застрял «Спирит», и детальный анализ разрытых слоев снова указал на то, что в прошлом на Марсе могла существовать вода. Чуть меньше чем через год ровер замолчал, последняя передача сигнала состоялась в марте 2010 года. Тем временем «Оппортьюнити» продолжал работать. Жизнестойкий двойник «Спирита» годами колесит от одного удивительного объекта к другому. На конец 2010 года он проделал больше половины пятнадцатикилометрового пути к кратеру Индевор. Если он переживет еще одну зиму и если марсианские ветра сдуют пыль с его солнечных батарей, «Оппортьюнити» продолжит поездку.[10] Несмотря на те впечатляющие достижения роверов, самым большим успехом все же нужно считать тот факт, что благодаря этим открытиям НАСА смогло в чем-то убедить Конгресс США. В марте 2009 года он единогласно выразил одобрение работе марсоходов, признавая «…успешность и значимый научный вклад марсианских исследовательских роверов НАСА».

В 2004 году поверхности Марса достиг первый европейский зонд. В рамках амбициозной миссии «Марс Экспресс» на Красную планету были отправлены французско-итальянский орбитальный аппарат и английский посадочный модуль «Бигль II». Хотя «Бигль II» разбился при посадке, орбитальный модуль функционировал успешно, передавая на Землю огромное количество данных, включая информацию об обнаружении следовых количеств метана в марсианской атмосфере [9]. Сначала они казались спорными, но теперь их достоверность окончательно подтверждена. В 2009 году команда исследователей из центра полетов имени Годдарда НАСА объявила, что удалось не только подтвердить наличие метана в атмосфере Марса на основании наблюдений, сделанных на поверхности планеты, но и обнаружить многочисленные «плотные шлейфы» газа, которые появляются при потеплении весной и летом. Эти струи газа, обнаруженные в северном полушарии Красной планеты, были видны над областями, которые имеют отметины, характерные для древнего подпочвенного льда или текущей воды [10].

Рис. 2.5. «Марс Реконнэйсенс Орбитер» (рисунок предоставлен НАСА/ЛРД)

Была и еще более интригующая новость: исследовательская группа узнала, что на Марсе действует некий механизм, который удаляет метан из атмосферы с такой высокой скоростью, какую нельзя объяснить только фотохимическим разрушением под действием ультрафиолета. Что-то разрушает газ не за столетия, а всего за четыре земных года или даже за шесть месяцев. То есть наличие метана в современной марсианской атмосфере показывает, что где-то на Марсе должен быть источник, где вырабатывается метан, и этот источник действует сейчас. Такое явление может объясняться биологическими или гидротермальными геологическими процессами, а значит, либо на Марсе есть жизнь, либо как минимум под поверхностью есть условия, подходящие для жизни. Таким образом, если бы исследователи пробурили породы и взяли образец среды, в которой выделяется метан, они, с высокой вероятностью, нашли бы там живые организмы. Изучая их в своей лаборатории, астронавты смогли бы определить, подчиняется ли марсианская жизнь тем же биохимическим процессам, что земная, или развивалась совсем иначе. Вся жизнь на Земле – будь то грибы, люди, крокодилы или бактерии – существует благодаря сходным биохимическим процессам, в которых задействованы одни и те же аминокислоты, и методу передачи структурной информации от поколения к поколению через РНК и ДНК. Но должна ли жизнь подчиняться тем же правилам во всех уголках Вселенной? Или же мы – один из примеров среди огромного множества возможностей? Эти вопросы ключевые для понимания жизни вообще. Открытие метана станцией «Марс Экспресс» подсказывает, что ответы могут ожидать нас на Красной планете.

Аппарат НАСА «Марс Реконнэйсенс Орбитер» (МРО) был выведен на орбиту в 2006 году. Он начал картировать Марс, используя камеру, которая позволяла непосредственно видеть «Спирит» и «Оппортьюнити» из космоса и управлять ими на маршруте. С помощью фотографий, сделанных МРО, мы можем отобрать для высадки аппаратов места, где нет булыжников, чтобы обеспечить безопасность будущих исследователей, автоматических или живых. В 2008 году «Феникс», названный так потому, что его построили из запасных частей, оставшихся после неудачной программы «Марс Полар Лэндер» 1999 года, сумел все-таки успешно высадиться на северный полюс Марса. С тех пор как Кристиан Гюйгенс открыл яркие полярные шапки Марса в 1672 году, их состав был предметом научных споров. «Феникс» обнаружил чистый водяной лед, решив вопрос раз и навсегда, по крайней мере для северного полюса Марса.

Рис. 2.6. Марсианская научная лаборатория «Кьюриосити» (рисунок предоставлен НАСА/ЛРД)

Следующей миссией НАСА, которую собирались отправить на Марс, была «Марсианская научная лаборатория» («Марс Science Laboratory»). Сейчас она переименована в «Кьюриосити» (по-русски «любопытство») по предложению двенадцатилетней жительницы Канзаса Клары Ма), запуск запланирован на ноябрь 2011 года, а высадка на Марс – на август 2012 года.[11] «Кьюриосити», питаемый радиоизотопным генератором, который позволит ему работать вне зависимости от количества солнечного света или времени года, будет нагружен научной аппаратурой в 11 раз больше, чем «Спирит» или «Оппортьюнити», и сможет путешествовать намного дальше и быстрее. Уровень технической оснащенности (и финансовых вложений) можно оценить по данным из табл. 2.1, в которой сравниваются «Кьюриосити» и его предшественники – марсианские исследовательские роверы.

Таблица 2.1. Сравнение «Кьюриосити» с марсианскими исследовательскими роверами «Спирит» и Оппортьюнити»

«Кьюриосити» будет оснащен комплексом камер, позволяющих создавать полноцветные трехмерные фотографии и фильмы. Камеры были разработаны специалистами по изображениям из космического научного центра Малин при участии создателя «Аватара» Джеймса Кэмерона. Роботизированная рука «Кьюриосити» будет оснащена микроскопом, который позволит увидеть останки микроорганизмов, если они обнаружатся в исследуемых камнях и почвах. Также на марсоходе будет установлен лазер от лаборатории Лос-Аламос, способный испарять камни на расстоянии до 7 метров, и французский спектрометр для изучения химического состава полученного пара. Дополнительные инструменты для определения элементного и минералогического состава образцов грунта включают канадский рентгеновский спектрометр на α-частицах, российский нейтронный спектрометр и американский прибор, использующий в своей работе рентгеновскую дифракцию и флуоресценцию, для изучения химического и минералогического состава образцов. Также «Кьюриосити» будет оборудован газовым анализатором, разработанным совместно с Французским космическим агентством (CNRS), который будет не только искать в марсианской атмосфере следы органических газов, таких как метан, но и определять на основании изотопного состава, имеет газ геохимическое или биологическое происхождение. Испанский метеорологический блок позволит измерять атмосферную влажность, давление, скорость ветра и его направление, температуру воздуха и почвы, а также уровень ультрафиолетового излучения. И кроме того, «Кьюриосити» оборудован американо-германским прибором RAD, который будет измерять и давать характеристику спектру излучения марсианской поверхности для подготовки к появлению людей-исследователей.

Таким образом, «Кьюриосити» обещает быть значимой, но рискованной миссией, поскольку НАСА пренебрегло стратегией использования множества маленьких зондов вместо одного большого после неудачного запуска «Марс Обзервер». Действительно, в 2008 году, еще задолго до запуска «Кьюриосити», когда программа марсианских исследований уже была близка к провалу, научный руководитель НАСА смалодушничал и попытался поставить на миссии крест, основываясь на прогнозе о 20 %-ном перерасходе средств (после того как 80 % суммы уже израсходовали).

Дело спасли только бурная ответная реакция защитников миссии, среди которых был и я, и решительный настрой строгого руководителя НАСА Майкла Гриффина, готового взять всю ответственность на себя. Итак, нам всем остается ждать, затаив дыхание, когда «Кьюриосити» будет проходить взлетное и посадочное испытания огнем.

Рис. 2.7. Копии трех поколений марсианских роверов выставлены в Лаборатории реактивного движения. В центре – маленький «Соджорнер», который высадился на Марс в 1997 году. Слева – один из марсианских исследовательских роверов («Спирит» или «Оппортьюнити»), которые оказались на Марсе в 2004 году. Справа – «Кьюриосити», прибывший на Марс в 2012 году (рисунок предоставлен НАСА/ЛРД)

Также в расписании полетов на 2011 год стоял запуск совместной российско-китайско-финской миссии «Фобос-Грунт».[12] Запуск был произведен с космодрома Байконур с использованием украинской ракеты-носителя «Зенит». Планировалось, что в миссии будут задействованы первый китайский межпланетный орбитальный зонд «Инхо-1» (созданный для изучения ионосферы и магнитосферы Марса), два финских метеорологических посадочных модуля «Метнет» (так-то, страны, не стремящиеся быть космическими державами!),[13] а также российский модуль, который должен был высадиться на Фобос, изучить его с помощью российско-китайского набора инструментов, собрать образцы грунта и вернуться с ними на Землю. Если бы миссия оказалась успешной, она стала бы первой межпланетной кампанией по сбору образцов грунта, которая могла бы проторить дорогу для последующих российских проектов по сбору проб с астероидов, комет и спутников далеких планет.

В ближайшие годы планируется еще некоторое количество автоматизированных миссий, в том числе миссия НАСА под названием MAVEN (Марс Atmosphere and Volatile EvolutioN – «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе») для изучения ионосферы и атмосферы Марса, запланированная на 2013 год,[14] и запуск аппарата «Марс Сайенс Орбитер» (Mars Science Orbiter) 2016 года – его задачей будет поиск метановых шахт, которые могут привести нас к местам под поверхностью Марса, где теплится жизнь. Также на 2016 год запланировано появление роверов-близнецов ExoMars («Экзомарс»).[15] Их совместно разрабатывают НАСА и Европейское космическое агентство (ЕКА) как часть их общей инициативы по исследованию Марса. Эти аппараты будут искать следы прошлой или настоящей жизни на поверхности Красной планеты.[16] В стадии обсуждения находится множество дополнительных будущих миссий, включая Mars Aerial Platform («Марс Эриал Платформ», МЭП), которая разработана мной и моими коллегами по «Мартин Мариетта».[17] МЭП – проектный вариант малобюджетной миссии, которая передаст на Землю десятки тысяч фотографий марсианской поверхности в высоком разрешении, проанализирует и проведет картографирование глобальной циркуляции атмосферы, а также изучит поверхность и подповерхностные слои Марса с помощью методов дистанционного зондирования. В основе миссии лежит высокотехнологичный вариант очень простой идеи – использования воздушных шаров. МЭП будет работать следующим образом: одна ракета-носитель серии «Дельта» доставит полезную нагрузку МЭП на траекторию, ведущую к Марсу. Полезная нагрузка будет состоять из космического аппарата с восемью капсулами, в каждую из которых упакованы воздушный шар, оборудование для развертывания и корзина, несущая научную аппаратуру. За десять дней до прибытия на Марс космический аппарат, вращаясь как волчок, выпустит капсулы в направлениях, которые гарантировали бы их посадку на больших расстояниях друг от друга. По мере того как каждая капсула начнет снижаться, проходя через атмосферу, раскроется парашют, который замедлит капсулу для подхода к точке, в которой можно надуть шар. Каждый из них будет изготовлен из широкодоступного материала – капрона, толщиной всего 12 микрон – одна треть толщины стандартного пластикового мешка для мусора. Несмотря на кажущуюся легкость, эти шары окажутся удивительно прочными. В таком нейлоне отсутствуют поры, а значит, шары из него не будут пропускать наружу заполняющий их газ и смогут сохранять форму не в течение нескольких дней, а хотя бы несколько месяцев. После надувания шаров парашют, капсула и вспомогательное снаряжение отстреливаются, обеспечивая метеорологическому оборудованию мягкую посадку на марсианской поверхности. Теперь свободные от постороннего оборудования шары начинают странствие над Марсом, которое может продлиться сотни дней.

Шары диаметром 18 метров будут парить над Марсом на высоте 7–8,5 километра и, в отличие от французского воздушного шара, который проектировался для аппарата «Марс-98», смогут оставаться на этой высоте и днем, и ночью. Такую возможность обеспечивают новый материал и компактные размеры (благодаря очень легкой корзине). Воздушные шары получатся достаточно крепкими, поэтому, когда давление газа внутри шаров будет возрастать из-за дневного нагрева, они смогут удержать газ, не стравливая его. А если не нужно спускать газ днем, то нет никакой необходимости сбрасывать балласт в ночное время, поэтому такие шары могут почти вечно находиться на постоянной высоте. Согласно современной модели движения марсианской атмосферы предполагается, что ветры будут сносить воздушные шары в первую очередь по направлению запад-восток примерно на 50–100 километров за час. При таких скоростях каждый шар может облетать Марс кругом каждые десять-двадцать дней, и, предполагая, что среднее время жизни шара составляет сто дней (если считать с запасом), мы вправе ожидать, что шар обогнет Марс по меньшей мере четыре раза. Каждый шар будет нести 8 килограммов инструментов: научную аппаратуру для исследования атмосферы, приборы для записи и передачи данных, аккумулятор, панель солнечной батареи и самый ценный груз – фотоаппаратуру. Фотографическая система будет состоять из двух наборов оптики: для изображений высокого и среднего разрешения. Сделанные с их помощью снимки в значительной степени расширят наши представления о марсианский геологии, кроме того, они позволят нам выбрать посадочные площадки для будущих миссий и области для поиска прошлой или настоящей марсианской жизни. Лучшие изображения, полученные с орбитального модуля «Викинг», позволяли различить на поверхности Марса детали размером с бейсбольную площадку, изображения с «Марс Глобал Сервейор» – детали размером с большой автомобиль, качество изображений с МРО позволяет найти ровер «Оппортьюнити», а камеры МЭП позволят обнаружить детали размером с кошку (но это не означает, что мы увидим марсианских кошек). Каждые пятнадцать минут в дневное время камеры на каждом шаре одновременно будут делать два снимка: один черно-белый высокого разрешения, а другой цветной умеренного разрешения с центром в той же области (последняя фотография поможет определить местоположение участка, снятого камерой высокого разрешения, на карте планеты). МЭП передаст на Землю ошеломительное количество фотографий. Каждые сто дней флот из восьми шаров будет облетать Марс, а МЭП будет пересылать 32 тысячи фотографий высокого разрешения и столько же снимков общих планов с разрешением выше, чем у лучших изображений, переданных «Викингом».

МЭП обрушит на нас лавину научных данных, которые изменят наши представления о марсианской геологии и метеорологии, геоморфологии и поведении атмосферы. Инженеры и ученые получат данные, которые помогут им разрабатывать новые миссии, определять места для биологических исследований и вероятные источники воды. Но наибольшая польза от МЭП будет наименее осязаема: я говорю о влиянии на интеллектуальную деятельность человечества в целом.

Сегодня, почти через пятьсот лет после Коперника и Кеплера, Браге и Галилея, большинство людей до сих пор считают, что Земля – единственный мир во Вселенной. Другие планеты остаются всего лишь светящимися точками, чьи перемещения по ночному небу интересны немногим избранным, абстракциями из школьного учебника. Камеры миссии МЭП предлагают человечеству взглянуть на другую планету так, как никогда не смотрели раньше. С их помощью мы увидим Марс в эффектном разнообразии: его огромные каньоны, исполинские горы, его высохшие озера и русла рек, его каменистые равнины и ледяные поля. Мы увидим, что Марс – действительно другой мир, уже не абстрактное понятие, а возможная цель путешествия. И точно так же, как Новый Свет привлекал и очаровывал моряков здесь, на Земле, Марс поманит новое поколение путешественников, поколение, готовое построить корабли, паруса которых наполнит космический ветер.

Миссия «Доставка марсианского грунта»

Священный Грааль автоматических программ по исследованию Марса – это миссия по доставке марсианского грунта (ДМГ). Если бы образцы, полученные «Викингом», оказались в одной из наших лабораторий, мы бы подвергли их серии тестов и испытаний, которые бы развеяли все сомнения. Что ж, почему бы не привезти образцы марсианского грунта? Сравнительно недавно при обсуждении планов по исследованию Солнечной системы НАСА запланировало именно такую миссию на 2020 год. Есть три способа реализовать этот проект. Первым и самым простым в идейном плане является метод грубой силы. В этом случае будет использована тяжелая ракета-носитель, способная доставить на орбиту 30 тонн груза, которая отправит на поверхность Марса очень большую полезную нагрузку, в том числе миниатюрную ракету массой около 500 килограммов, с достаточным количеством топлива для взлета с Марса и возвращения на Землю. Также на борту посадочного модуля будет автоматический ровер, который отправится исследовать окрестности (при помощи дистанционного управления) и собирать геологические образцы. Затем образцы погрузят в капсулу на борту ракеты. Когда примерно через год-полтора после прибытия откроется окно для запуска с Марса, ракета отправится обратно на Землю. Спустя восемь месяцев при подлете к Земле капсула отделится от остальной части корабля и на высокой скорости войдет в плотные слои атмосферы, во многом напоминая пилотируемые капсулы «Аполлона», а затем приземлится в намеченном пустынном районе. В зависимости от конструкции торможение капсулы будет происходить с помощью парашюта или сминающегося материала, наподобие пробкового дерева или пенопласта, чтобы смягчить удар. Идея этой миссии довольно проста, но проблема заключается в том, что, вероятнее всего, она будет очень дорогой, как обычные беспилотные исследовательские миссии. Потребуется ракета-носитель, превосходящая по возможностям существующие тяжелые ракеты класса «Атлас-V». Разработка и ракеты, и большого взлетно-посадочного модуля, необходимого для доставки такого тяжелого груза на поверхность Марса, вероятно, обойдутся очень дорого. Таким образом, метод грубой силы всегда приводил к оценкам стоимости, которые обрекали миссию на провал. В надежде снизить затраты также были рассмотрены некоторые другие методы. Один из самых популярных вариантов – проект марсианского орбитального рандеву (МОР). В этой схеме на Марс отправляют два космических аппарата, каждый запускается с помощью сравнительно недорогой (55 миллионов долларов каждая) ракеты-носителя «Дельта-2». Одна из ракет доставляет на околомарсианскую орбиту возвращаемый на Землю аппарат и спускаемую капсулу, а другая доставляет на поверхность Красной планеты полностью заправленный марсианский взлетный модуль (МВМ), в котором будет ровер и контейнер для образцов грунта. Ровер приступит к сбору образцов, которые поместит в контейнер. Когда задание будет выполнено, МВМ стартует с поверхности Марса на орбиту, где он в автоматическом режиме пристыкуется к ВЗА. Контейнер с образцами будет перемещен из МВМ в спускаемую капсулы на борту ВЗА. Затем два корабля расстыкуются, МВМ больше нужен не будет, а ВЗА останется ждать на марсианской орбите, пока не откроется окно для возвращения на Землю, а в нужный момент запустит свой двигатель и возьмет курс на Землю. Остальная часть миссии выполняется так же, как было описано выше.

Следует отметить, что план МОР обойдется значительно дешевле по сравнению со методом грубой силы. Так как МВМ должен только долететь до Марса, а его возвращение на Землю не предусмотрено, и его задача – поднять на орбиту только контейнер с образцами, а не многоразовый спускаемый аппарат, он может иметь сравнительно скромные размеры. То есть посадочный модуль, который доставит МВМ на Красную планету, можно сделать меньше, легче и дешевле и для запуска на Марс использовать менее мощную ракету-носитель. Тем не менее существуют серьезные проблемы, связанные с планом МОР. В первую очередь нужны две ракеты-носителя, что удваивает риск неудачного запуска и, значит, провала миссии. Кроме того, нужны два полноценных космических аппарата, каждый из которых должен быть спроектирован, построен, проверен на стадии сборки, а также потребуется предполетная подготовка (при запуске космический корабль подвергается сильным вибрациям и акустическим нагрузкам, которые до запуска воссоздаются в дорогостоящих установках), и каждый аппарат должен быть встроен в ракету-носитель. По сути, все эти работы удваивают стоимость миссии. Далее, стыковочные детали двух космических аппаратов должны сохранять идеальную точность после запуска и многих лет космического полета, несмотря на перепады температур в космосе и на поверхности Марса. Изготовители не могут этого гарантировать, поскольку такие нагрузки нельзя воссоздать при испытаниях. Наконец, технологии для стыковки в автономном режиме и передачи образцов на орбите Марса еще не разработаны, поэтому обойдутся очень дорого и также не могут быть проверены до начала миссии. Это еще больше увеличивает риск провала и без того почти неосуществимой миссии.

В попытке сделать план МОР более привлекательным его сторонники прибегли к оригинальным методикам, позаимствованным в бухгалтерском учете, например распределению стоимости двух необходимых запусков на отдельные миссии. В более экзотических вариантах ровер доставляет на Марс некая предшествующая миссия, так что расходы на его отправку и обслуживание можно списать на других исполнителей. В этом случае посадочный модуль, несущий МВМ, должен выполнить посадку в непосредственной близости от ровера. Возможность этого, опять же, нельзя проверить заранее, а в настоящее время мы умеем сажать беспилотные спускаемые аппараты на поверхность Марса только с погрешностью до 100 километров. Видимо, чтобы привнести элемент новизны, сторонники орбитального рандеву также предложили перенести место встречи с марсианской орбиты в межпланетное пространство. Это сэкономит топливо для ВЗА, потому что теперь ему не нужно будет выходить на орбиту Марса или сходить с нее. Однако потребуется больше топлива для МВМ, к тому же он должен будет взлететь в строго определенное время (что также невозможно заранее протестировать), чтобы успеть произвести стыковку с ВЗА в глубоком космосе. При этом ВЗА будет удаляться от Марса со скоростью 5 километров в секунду. Такую точность тяжело гарантировать с учетом работы инженерных систем одного только МВМ, не говоря уже о возможных плохих погодных условиях в назначенный день взлета.

Так что же остается, если план грубой силы слишком дорогостоящ, а схема МОР слишком рискованна?

Есть третий план, который я и мои коллеги-инженеры: Джим Френч, Кумар Рамохалли, Роберт Эш, Дайан Линн и еще несколько человек – развиваем уже несколько лет. Он называется «Доставка марсианского грунта с использованием топлива, произведенного на Марсе» (ДМГ).

В плане ДМГ используется одна ракета-носитель «Дельта-2», которая доставит на Красную планету один незаправленный марсианский взлетный модуль вместе с ровером. Пока ровер будет собирать образцы грунта, МВМ запустит у себя на борту небольшой химический завод, чтобы перерабатывать газ, закачиваемый из марсианской атмосферы в ракетное топливо (я предпочитаю комбинацию метан/кислород, хотя также возможен вариант угарный газ/кислород), и заполнить баки МВМ. Ко времени открытия стартового окна для полета обратно на Землю будет заготовлено необходимое количество топлива, и МВМ с образцами взлетит с Марса и направится прямо к Земле – так же, как в плане грубой силы. Непосредственное возвращение на Землю можно осуществить с помощью спускаемого модуля, использованного при запуске ракеты «Дельта», потому что «Дельта» и ее спускаемый аппарат должны будут всего лишь доставить на поверхность Марса незаправленный МВМ (предположительно массой порядка 70 килограммов) вместо гораздо более тяжелого заправленного МВМ.

Миссия ДМГ на сегодняшний день является самой дешевой из обсуждаемых планов такого типа, потому что вместо использования новой ракеты-носителя, способной доставить на орбиту 30 тонн и несущей один большой космический аппарат, или двух ракет «Дельта» с двумя маленькими космическими аппаратами можно запустить одну «Дельту» с одним небольшим космическим кораблем. Риск этой миссии значительно ниже, чем у плана МОР, потому что необходимое технологическое новшество – завод по производству ракетного топлива на Марсе (ЗПТМ) – может быть полностью протестировано заблаговременно на Земле в камере, где смоделированы марсианские условия. В дополнение к этому завод представляет собой не самый сложный прибор (основанный на идеях химической инженерии XIX века) по сравнению с бортовой электроникой, необходимой для автономной стыковки аппаратов во время рандеву на орбите Марса, не говоря уже о стыковке в космическом пространстве. Как отмечалось ранее (и как будет детально описано позже), в «Мартин Мариетта» мы построили и продемонстрировали успешную работу полномасштабной копии ЗПТМ, производящей метан и кислород. Она обошлась в 47000 долларов – незначительная сумма на фоне остальных затрат на миссию ДМГ. Разумеется, аппарат для производства топлива, изготовленный в «Мартин Мариетта», был экспериментальным образцом, не готовым к полету, но нужно понимать, что риски связаны не с готовностью оборудования, а с возможностью его протестировать. Поскольку технологию производства топлива на Марсе можно отработать и проверить заранее, связанный с ней риск будет заметно ниже, чем в случае с технологиями, необходимыми для космического рандеву. Кроме того, если НАСА примет решение реализовать план ДМГ с использованием двух космических кораблей, они будут одинаковыми (и, следовательно, обойдутся дешевле, чем два разных космических аппарата в случае миссии МОР), и если хотя бы один вернется на Землю, то миссия окажется успешной. И наоборот, если в миссии МОР хотя бы один космический аппарат потерпит неудачу, неудачной будет признана миссия целиком.

Как мы увидим, использование топлива, произведенного на Марсе, – единственная возможность для человечества исследовать Красную планету. Когда речь идет о планировании миссии ДМГ, следует продумать убедительную стратегию. Ценность миссии ДМГ резко возрастет, если с ее помощью продемонстрировать ключевые технологии, необходимые для полетов людей на Марс. Посудите сами: миссия ДМГ позволит доставить лишь приблизительно один килограмм образцов грунта с поверхности Марса, которые при удачном стечении обстоятельств будут собраны в нескольких километрах от места посадки аппарата. Поскольку маловероятно, что сейчас на поверхности Марса существует жизнь, поиски биологической активности на Марсе в значительной степени сведутся к поиску окаменелостей. Роботизированные роверы с их ограниченной подвижностью при большой временной задержке (до 40 минут из-за скорости распространения радиосигналов) при передаче команд с Земли на Марс будут очень плохим подспорьем в таких поисках. Если вы в этом сомневаетесь, представьте, что ровер вроде «Спирита» или «Кьюриосити» отправили в Скалистые горы. Скорее наступит следующий ледниковый период, чем ровер найдет останки динозавра. Поиск ископаемых требует мобильности, проворства и развитой интуиции, чтобы немедленно уловить даже еле заметные подсказки. Другими словами, нужны исследователи-геологи и старатели. Охота за ныне существующей жизнью повлечет за собой установку и запуск буровых машин, рытье шахт глубиной до сотни метров, сбор образцов, а затем проращивание культур в питательной среде, фотографирование и анализ результатов в лаборатории. На все это роверы не способны. Если Марс создан, для того чтобы открыть нам свои секреты, «люди, которых не отпугнут однообразные мрачные просторы космоса», должны отправиться туда сами.

Глава 3

Разработка плана

Через тернии к Марсу

20 июля 1989 года президент Джордж Буш-старший стоял на ступеньках Национального музея авиации и космонавтики в Вашингтоне. Позади него в прохладных залах музея располагались артефакты величайших космических достижений Америки. Среди них были напоминающий формой желейную конфету космический аппарат «Колумбия» и командный модуль «Аполлона-11». Люди, которые добирались на «Колумбии» домой с лунной орбиты, – Нил Армстронг, Майкл Коллинз и Базз Олдрин, экипаж «Аполлона-11» – стояли рядом с президентом, который готовился по случаю двадцатой годовщины первой высадки человечества на Луне объявить о смелой космической кампании.

Буш говорил о проблемах и пользе освоения космоса, о том, что нации следует взять на себя обязательство – осуществить длительную программу освоения человеком Солнечной системы, и даже о том, чтобы заселить космическое пространство. Это были слишком громкие слова, пусть они и прозвучали через двадцать лет после того, как астронавты США впервые ступили на поверхность другого мира. Президент продолжал речь, говоря о необходимости выработать план на срок более 10 лет, о долгосрочных обязательствах по исследованию космоса. Затем Буш озвучил свою программу: «Во-первых, в следующем десятилетии – в 1990-е годы – орбитальная станция «Фридом»… И потом – в новом веке – возвращение на Луну… После него – в более далеком будущем – путешествие на другую планету – пилотируемый полет на Марс».

Так родилась программа, которая стала известна как «Инициатива исследования космоса» (ИИК). Начало было хорошее, но потом все пошло под откос.

Обширная команда, представляющая все подразделения НАСА, которую поддержали все крупные аэрокосмические подрядчики, начала выяснять, как можно осуществить программу Буша. Через три месяца команда представила документ под названием «Отчет о 90-дневном изучении возможностей исследования Луны и Марса человеком», который вскоре стали просто называть «90-дневный отчет» [11]. В отчете говорилось, что перед тем, как человечество сможет отправиться на Марс, американцам потребуется тридцать лет на разработку космической инфраструктуры и это будет самая большая и самая дорогостоящая программа правительства США со времен Второй мировой войны.

НАСА собиралось построить спроектированную ранее космическую станцию, но теперь планируемый размер хотели увеличить втрое, добавив «сдвоенные кили» с большими ангарами для строительства межпланетных космических кораблей. Также требовалось построить множество дополнительных орбитальных объектов: отдельные криогенные хранилища топлива, доки для технического обслуживания, подсобные помещения для экипажа и так далее. Такой огромный и сложный комплекс вспомогательных сооружений был необходим для создания и обслуживания кораблей для полета на Луну (для доставки каждого из них на орбиту Земли потребуются три ракеты-носителя тяжелого класса и один шаттл). Те, кто помнит, что для каждого из «Аполлонов» требовался всего один запуск, почешут в затылке и подумают: «В прошлый раз долететь до Луны было не так тяжело…» В течение десяти лет эти лунные корабли должны были переместить на Луну все необходимые материалы и оборудование, чтобы создать обширную лунную базу. Вместе с орбитальными сооружениями она стала бы основой для строительства серии действительно громадных кораблей – тяжелее 1000 тонн – как «Звездный крейсер "Галактика"» – для полетов на Марс. Эти корабли работали бы на реактивной тяге и за счет других технологий, совершенно отличных от тех, использовались бы в лунных кораблях и, следовательно, потребовали бы больших затрат на разработку и на дополнительную инфраструктуру. В первых миссиях на Марс дорога заняла бы около полутора лет, причем на орбите Марса экипаж мог бы провести около одного месяца. Затем на поверхность планеты должен был спуститься маленький космический аппарат, способный поддерживать жизнь и работу небольшой команды исследователей в течение примерно двух недель, тем самым давая возможность астронавтам установить флаг США и совершить некоторые другие действия. Космические корабли вылетали бы к Марсу тяжело нагруженными и возвращались на орбиту Земли совсем легкими, сбросив все лишнее после каждой миссии (пустые топливные баки, марсианские роверы, подушки аэроторможения), таким образом навязывая дополнительные расходы на каждую последующую операцию вроде установки флага на Марсе. «90-дневный отчет» не включал оценки стоимости программы, однако в итоге эта информация просочилась в прессу. Минимальная оценка составляла 450 миллиардов долларов.

Вряд ли при такой стоимости программу можно было воспринимать всерьез. Длительность получалась большой, а разрекламированные преимущества колонизации космоса не вызывали энтузиазма у публики, заинтересованной в космических исследованиях. Предложения, озвученные в «90-дневном отчете», также были восприняты скептично. До тех пор пока предложенную стоимость программы в 450 миллиардов долларов не удалось бы значительно уменьшить, ИИК была нежизнеспособна. Это стало очевидно в последующие месяцы и годы, когда Конгресс продолжал отклонять каждый финансовый проект НИК, который попадал на рассмотрение.

На самом деле в «90-дневном отчете» не было ни внутренней логики, ни по-настоящему новых идей. Скорее, это был пересказ навязчивых идей, перекликавшийся с Die Marsprojekt – шестидесятилетней давности проектом пилотируемых миссий на Марс, который немецкий конструктор ракет Вернер фон Браун и его коллеги начали разрабатывать в конце 1940-х годов. Его техническая часть легла в основу программы пилотируемого полета к Марсу в рамках миссии «Аполлон», которая была предложена НАСА, но отклонена в 1969 году. Для фон Брауна и его сотрудников пилотируемая межпланетная миссия была поводом для самых смелых конструкторских фантазий: огромный межпланетный космический корабль (или еще лучше флот из огромных межпланетных космических кораблей), собранный на космической станции и запущенный с околоземной орбиты. Что происходило бы потом на поверхности Марса, было делом второстепенной важности. На базе этой навязчивой идеи – гигантские космические станции для сборки гигантских космических кораблей – обширный коллектив, работавший над «90-дневным отчетом», продолжал предлагать технологии, которые или уже существовали, или планировались в рамках программы технологического развития НАСА. Чтобы привлечь к процессу как можно больше людей, совет разработал самые сложные варианты архитектуры миссии, какие только можно было придумать, – вот пример того, как не нужно заниматься проектированием.

Создание логически последовательной Инициативы исследования космоса

К концу 1989 года для многих стало очевидно, что архитектура миссии, описанная в «90-дневном отчете», была внутренне противоречивой. В попытке разработать систематизированный критический анализ я написал следующий меморандум, который я впоследствии использовал в качестве введения к каждой большой серии статей о плане «Марс Директ» (см., например, [12]). По сути, этот меморандум обобщает рассуждения, которые привели к разработке миссии «Марс Директ», и я привожу его здесь в полном объеме.

В настоящее время существует необходимость разработать для Инициативы исследования космоса логически последовательную архитектуру. Под логически последовательной архитектурой следует понимать прозрачный и логичный набор целей и простой, четкий и экономически оправданный план их реализации. Выбранные цели должны вести к максимальному результату и возможности достигнуть еще более амбициозных целей в будущем. Чтобы упростить план, сделать его более надежным и дешевым, нужно отказаться от создания взаимозависимых миссий (то есть лунных, марсианских и околоземных орбитальных), поскольку в такой зависимости нет необходимости. В то же время план должен опираться на использование довольно разнообразных технологий, которые позволят достичь большого количества целей, – таким образом можно снизить расходы за счет многофункциональности оборудования. И, наконец, самое главное – следует выбрать технологии, которые повысят эффективность миссий. Недостаточно просто слетать на Марс, важно сделать что-то полезное, когда мы там окажемся. Миссии, не дающие весомых результатов, не имеют никакой ценности.

Несмотря на то что вышеизложенные принципы могут показаться очевидными, от них отступали много раз при разработке деталей ИИК (то есть «90-дневного отчета»), и, в результате ИИК стала такой дорогой и непривлекательной, что финансирование программы Конгрессом оказалось под сомнением. Высокая стоимость объясняется тем, что в плане предлагалось использовать совершенно разные ракеты-носители для полетов к Луне и к Марсу и принципиально разные

;устройства для передвижения по поверхности Луны и Марса. Кроме того, план навязывал полностью искусственную зависимость полетов на Марс от лунных миссий и требование связать лунные миссии с огромным орбитальным комплексом космической станции «Фридом», где производилась бы сборка и заправка космических кораблей. Более того, обе исследовательские миссии, и лунная, и марсианская, имели бы близкую к нулевой научную значимость, не было сделано серьезных попыток обеспечить мобильность аппаратуры на поверхности небесных тел, а исследователи Марса должны были провести на Красной планете меньше 5 % времени всего путешествия.

Чтобы сделать план внутренне согласованным, достаточно изменить структуру ИИК в нескольких строго определенных направлениях.

1. Простота и четкость требуют, чтобы лунные и марсианские миссии не зависели от любого рода инфраструктуры на низкой опорной орбите Земли. Помимо того что такую инфраструктуру чрезвычайно дорого проектировать, строить и обслуживать, она еще и крайне ненадежна, и ее трудно ремонтировать, а ее использование увеличивает риски для всех связанных с такой станцией межпланетных миссий, поскольку качество любой космической конструкции сложно проверить. Отказ от инфраструктуры на НОО приведет к использованию усовершенствованных разгонных блоков и/ или топлива, произведенного на планете назначения. Оба варианта позволят сократить массу миссии до такого значения, при котором сборка корабля на орбите вообще не требуется.

2. Низкая стоимость требует, чтобы для миссий к Луне, Марсу или даже другим планетам использовались одинаковые ракеты-носители, разгонные технологии и (по возможности) транспортные средства для исследования поверхности выбранного небесного тела. Также необходимо отказаться от инфраструктуры на земной НОО, так как запуск с ее помощью многоразовых ракет-носителей позволит сэкономить недостаточно средств, чтобы оправдать стоимость самой инфраструктуры. По текущим оценкам, она обойдется примерно в тысячу раз дороже, чем элементы будущего космического аппарата (двигатели, бортовая электроника) – то есть все то, на чем ремонт на орбите позволил бы сэкономить. Другими словами, потребуется подготовить к полету около тысячи миссий, прежде чем такой план окупится. Также, чтобы уменьшить расходы, мы всегда должны использовать наиболее экономичные траектории – то есть проводить запуски в те моменты времени, когда Марс находится в соединении с Землей (что означает экономию топлива и длительную экспедицию на поверхности Марса), – и отказаться от первоначально запланированных миссий с запуском во время противостояния Марса и Земли (большие затраты топлива, краткосрочное пребывание экипажа на поверхности Марса). Последние к тому же требуют принципиально иного оборудования.

3. Чтобы добиться высокой эффективности, астронавты должны получить три основных ресурса, как только достигнут места назначения. Эти ресурсы следующие.

A. Время.

B. Мобильность.

C. Энергия.

Само собой, время потребуется, если астронавтам предстоит выполнять какие-либо полезные исследования, что-то строить или экспериментировать с использованием ресурсов на поверхности планеты назначения. Это означает, что семейство марсианских миссий в противостоянии (полтора года полета и 20-дневное пребывание на поверхности Марса) не представляет интереса. Это также означает, что архитектура миссии с использованием лунного или марсианского орбитального рандеву (ЛОР, МОР) очень нежелательна по простой причине: если время пребывания на поверхности будет большим, то таким же будет время пребывания на орбите. Возникает затруднительное положение: или кого-то из членов экипажа придется оставить без дела в основном корабле на орбите на время длительной высадки на поверхность, подвергая воздействию космических лучей и суровых условий невесомости; или оставить основной корабль беспилотным на долгое время и надеяться на то, что он сохранит свою функциональность к возвращению экипажа. Если корабль окажется хотя бы частично поврежден, положение астронавтов безнадежно.

Альтернативой ЛОР и МОР являются такие варианты, где предусмотрено прямое возвращение с Марса на Землю. Это возможно, если речь идет о полете на Луну с использованием топлива земного производства, однако содержательную часть такой миссии можно было бы значительно расширить, если использовать для возвращения на Землю жидкий кислород, произведенный на Луне. Непосредственное возвращение астронавтов на Землю с поверхности Марса возможно только при использовании топлива марсианского производства.

Мобильность абсолютно необходима, если на небесном теле размером с Марс или даже Луну запланирована любая полезная исследовательская деятельность. Мобильность также требуется для транспортировки природных ресурсов из отдаленных мест на базу, где их можно переработать, и для того чтобы экипаж мог посетить удаленные объекты, такие как группа оптических и радиотелескопов на Луне. Ключ к мобильности как на Луне, так и на Марсе – производство топлива из местных ресурсов для заправки энергоемких роверов и реактивных летательных аппаратов. Самый важный ресурс для топлива на Луне – жидкий кислород, который может быть сожжен с земными компонентами топлива вроде водорода или метана. На Марсе комбинации химического топлива и окислителя, такие как смесь метана и кислорода или угарного газа и кислорода, можно производить как для устройств, передвигающихся по поверхности, так и для и летательных аппаратов, и, кроме того, можно использовать реактивные аппараты, работающие за счет «сырого» топлива – углекислого газа, нагретого тепловым ядерным двигателем.

В больших количествах энергию, необходимую для производства ракетного топлива из местных компонентов и на Луне, и на Марсе, можно генерировать только с помощью ядерных реакторов. Когда нужное количество топлива на Марсе будет заготовлено, реакторы станут очень удобным подспорьем для запасания ядерной энергии, тем самым обеспечивая исследователей ее мобильными источниками, например генераторами на 100 кВт, работающими независимо от двигателя внутреннего сгорания лунохода или марсохода. Наличие больших запасов энергии и на базе, и на удаленных объектах имеет принципиально важное значение для астронавтов, поскольку дает им возможность проводить широкий спектр научных исследований и использовать природные ресурсы. Таким образом, мы видим, что требования простоты, четкости, низкой стоимости и высокой эффективности приводят ИИК к варианту, который предполагает непосредственный запуск на Луну или Марс с помощью существующих средств запуска и передвижения в космосе, а также прямой возврат на Землю с поверхности планеты за счет топлива «местного» производства, которое также используется для передвижения по поверхности и служит мобильным источником энергии [12].

Такова цепочка рассуждений, которая привела к разработке принципиально нового плана миссии, известной как «Марс Директ».

Рождение «Марс Директ»

К январю 1990 года стало ясно, что «90-дневный отчет» с треском провалился. Чтобы обсудить действия в сложившейся ситуации, в отеле «Бродмур» в Колорадо Спрингс было устроено выездное совещание избранных членов правления «Мартин Мариетта». Доктор Бен Кларк, менеджер нижнего звена «Мартин Мариетта», который был одним из четырех ведущих разработчиков миссии «Викинг» в 1976 году (он разработал эксперимент по рентгеновской флуоресценции), и я, тогда только старший инженер, тоже были приглашены. Оба мы имели в компании репутацию «идейных людей», но занимали там самое скромное положение по сравнению с другими присутствовавшими.

Мы с Беном поразили собравшееся руководство смелым замыслом: подобрать в «Мартин Мариетта» небольшую команду специалистов и разработать собственный идеализированный проект полета на Марс, свободный от предрассудков НАСА. Было бы достаточно сложно создать здравый, экономически выгодный и выполнимый в ближайшем будущем проект пилотируемой марсианской миссии, не привлекая кучу торговых агентов, которые придут и скажут, что мы должны в первую очередь угодить какому-то менеджеру или группе менеджеров из космического центра Джонсона или Маршалла НАСА. Наша команда должна быть свободной от таких влияний. В конце концов, именно попытка угодить всем привела к тому, что «90-дневный отчет» получился провальным.

Это предложение было очень радикальным. Основное негласное правило в управленческой среде аэрокосмической промышленности: всегда говорить покупателям (НАСА или ВВС США) только то, что они хотят услышать, другими словами, следовать линии партии. Очевидно, это самый простой способ продать товар. Мы предлагали противоположный подход: продумать несколько достойных вариантов, а затем сообщить покупателю то, что он должен услышать, причем не важно, понравится ему это или нет.

Самой значительной, хотя и не самой высокопоставленной, фигурой на встрече был Эл Шалленмюллер, недавно назначенный вице-президентом гражданских космических систем «Мартин Мариетта» в подразделение, отвечающее за ИИК. Шалленмюллер набрался опыта как инженер, работая на Келли Джонсон в легендарном «Сканк уоркс» – исследовательском подразделении «Локхида». Он знал, что большие и сложные программы можно создавать дешево и быстро, если взяться за дело с нужного конца. В 1976 году он работал одним из ключевых инженеров в программе «Викинг». Он раз за разом мог рассказывать, как захватывающе было изучать первую фотографию поверхности Марса, полученную «Викингом». Шалленмюллер действительно хотел «вернуться» на Марс. Он знал, что, если не появится что-то лучше, чем «90-дневный отчет», программы покорения Марса не будет вообще. Он поддержал наше предложение.

А в феврале 1990 года в «Мартин Мариетта» сформировали команду из двенадцати человек под руководством Эла Шалленмюллера и предоставили ей полномочия разработать «новые масштабные стратегии» освоения космического пространства человеком. Большинство членов команды, например Бен, я и Дэвид Бейкер, специалист в области систем управления космическими кораблями, были инженерами широкого профиля. Но среди нас было и несколько узких специалистов, например Билл Уилкоксон из «Мартин Мариетта», занимавшийся торможением аппаратов в атмосферах планет (Биллу предстояло сыграть ключевую роль в успешном торможении космического аппарата «Магеллан» в атмосфере Венеры), Эл Томпсон, лидер области в искусственной гравитации, а также Стив Прайс, специалист «Мартин Мариетта» по проектированию роверов.

Больше всего идей по проекту внешнего вида аппаратов миссии на Марс было у меня и Бена, но мы соглашались друг с другом далеко не во всем. Мы сходились в том, что нужно экономить топливо (то есть стоит ориентироваться на старт, близкий к моменту, когда Марс будет в соединении с Землей), что можно обойтись без лунной базы как пересадочной станции по пути на Марс и что использование орбитальной инфраструктуры для строительства кораблей на орбите было бы очевидной ошибкой. А в остальном наши представления расходились. Бен считал, что роботизированной технике и бортовым манипуляторам можно доверить сборку корабля из деталей, доставленных на орбиту Земли. Поскольку Бен очень хотел собрать свой космический корабль на орбите, он, в отличие от меня, не стремился уменьшить массу миссии. Несмотря на то что он годами продолжал активно интересоваться возможностями изготовления ракетного топлива на Марсе, он не видел необходимости встраивать эту стратегию в свой план полета. Бен также не считал нужным увеличивать время, которое экипаж проведет на поверхности Марса, – достаточно полутора лет. Значительную часть этого срока астронавты должны были находиться на орбите, выбираясь на поверхность лишь на тридцать дней на небольшом посадочном корабле. Бен предлагал использовать химические реактивные двигатели, которые можно приобрести у уже существующих производителей. Результатом таких размышлений была относительно традиционная миссия (если вообще можно называть «90-дневный отчет» и подобные ему планы традиционными), предусматривающая создание 700-тонного орбитального космического аппарата. Однако в этом проекте отсутствовали развитые в «90-дневном отчете» дорогостоящие идеи по строительству инфраструктуры на Луне и орбите Земли. Первоначально Бен называл свой план «Концепция 6», но позже изменил название на «Подход прямолетящей стрелы».

Я с рассуждениями Бена не согласился, так как не доверял схеме роботизированной самосборки. Кроме того, при требовании каждый раз запускать 700 тонн на низкую опорную орбиту Земли к Марсу отправят не так уж много миссий, а тридцать дней на поверхности не позволят детально исследовать планету. Насколько я понимаю, мы стремимся на Марс не ради нового рекорда, мы хотим изучить и начать обживать Красную планету.

Длительное присутствие на Марсе требует большого количества повторных миссий, а это возможно, только если масса и, следовательно, стоимость миссии будут снижены. Лучший способ добиться этого – использовать для возвращения на Землю топливо марсианского производства. В 1989 году я уже провел исследования, показывающие, что, если объединить такую стратегию с использованием ядерного реактивного двигателя при возвращении миссии с Марса на Землю, осуществить пилотируемый полет к Марсу можно с помощью одной ракеты-носителя «Сатурн-5» времен миссии «Аполлон». Если рассчитывать на одну ракету-носитель, все компоненты миссии можно собрать на мысе Канаверал, и вопрос о сборке армады межпланетных кораблей на орбите будет неактуален. Далее, используя топливо местного производства, можно высадить на Марсе всю необходимую технику, ничего не оставляя на орбите. Это позволит организовать длительные экспедиции на поверхность, которые я считаю абсолютно необходимыми, если мы хотим получить во время пребывания на Марсе какой-то результат. Прямой запуск одной ракеты-носителя тяжелого класса, использование ядерного реактивного двигателя при возвращении с Марса на Землю и старт напрямую с поверхности Марса за счет топлива местного производства – это лучший способ реализации миссии на Марс.

Теперь о варианте, предложенном Дэвидом Бейкером. Бейкер был высококлассным инженером во времена, когда системы космических кораблей и их внешний вид создавали, вдохновляясь программой разработки транспортного средства для лунной миссии в «Мартин Мариетта». Когда Бейкер трудился над этим проектом, его выводили из себя взбалмошные требования НАСА. Например, чтобы проектируемый модуль был в состоянии высадиться на Луне даже в случае отказа любых двух двигателей. (Лунный посадочный модуль «Аполлона» имел только один двигатель.) Тогда, чтобы соблюсти симметрию силы тяги, требовалось спроектировать модуль с пятью двигателями, хотя было достаточно, чтобы работал только один. При этом сила тяги стала бы слишком большой, и пришлось бы снизить мощность двигателей на 10 %, а значит, появлялась необходимость в новой дорогостоящей программе разработки. Кроме того, НАСА требовало, чтобы двигатели были многоразовыми. Другими словами, по пути к Луне и обратно пришлось бы нести пять тяжелых двигателей – что означало дополнительную нагрузку и серьезное увеличение стоимости миссии, – а потом проводить технический осмотр и встраивать их в следующую конструкцию стоимостью в многие миллиарды долларов. И все это для того, чтобы выполнить работу, с которой легко справится один двигатель «Пратт энд Уитни RL-10» стоимостью в 2 миллиона долларов. Бейкер сделал все, что мог, работая в проекте лунного транспортного модуля, но однажды признался мне: «Ничего из этого не имеет смысла».

Бейкер участвовал в более ранних исследованиях для других марсианских миссий, стиль работы над которыми заставлял вспомнить «90-дневный отчет», но было ясно, что логика проектов (или ее отсутствие) оставляла ощущение дискомфорта. Я высказал ему свои идеи, с некоторыми он сразу согласился, а в разумности других, например замысла использовать изготовленное на Марсе топливо для возвращения астронавтов на Землю, я смог убедить Бейкера постепенно. Однако с другими моими предложениями он согласен не был. В частности, он не считал нужным использовать ядерные реактивные двигатели для первых миссий к Марсу. Он утверждал, что разработка таких миссий будет слишком дорогой и поэтому общественность не поддержит эту идею. Я с его аргументами не согласился: затраты на разработку ядерного ракетного двигателя окупятся благодаря удешевлению запусков уже после двух или трех миссий, и если общественности нужна долгосрочная программа исследования Марса, придется смириться с тем, что для нее необходимы ядерные ракетные двигатели. Бейкер возразил, что, если настаивать на их использовании с самой первой миссии, придется задержать всю программу и задержка может оказаться фатальной.

Этот аргумент задел меня за живое. Я понимал, что отправлять людей на Марс нужно с минимальными промежутками. Оперативные запуски уменьшают расходы на программу, поскольку затраты – это количество людей, умноженное на время. К тому же каждый год любой крупный проект должен заново рассматриваться в Конгрессе, чтобы получить финансирование, и всегда существует риск отказа – причем дело может быть в межличностных разногласиях, которые не имеют никакого отношения к программе. Каждое рассмотрение – игра в русскую рулетку. Остается только надеяться, что повезет много раз подряд.

В 1961 году Джон Кеннеди призвал нацию добраться до Луны к 1970 году. К 1968 году президент и его администрация сменились, и, когда астронавты программы «Аполлон» высадились на Луне, президент Ричард Никсон собирался прекратить программу. Если бы Кеннеди призывал граждан Америки добраться до Луны за двадцать лет, а не за десятилетие, в 1969 году НАСА только-только завершало бы программу «Меркурий», Луна по-прежнему оставалась бы далекой целью. Программу могли бы отменить, и сегодня высадка на Луну казалась бы несбыточной мечтой. Если мы хотим отправить людей на Марс, нельзя растягивать программу на тридцать лет, даже двадцать – это слишком большой срок. Десять лет – это все, на что можно рассчитывать.

Я допускал, что ядерные ракетные двигатели могли бы подождать, но миссия на Марс ждать не могла. Следовало использовать ядерные ракетные двигатели во что бы то ни стало, как только они появятся, поскольку они позволяют увеличить грузоподъемность ракеты и сократить затраты на запуск (примерно в два раза). Но не следует откладывать миссию, пока она еще не разработана. Надо лететь на Марс как можно быстрее, используя то, что имеется под рукой. Улучшить миссию можно позже. Когда мы с Бейкером начали проводить больше времени за обсуждениями, говоря об особенностях транспортных средств и дизайне миссии, как с технической, так и с философской сторон, мы все более сходились во мнениях. Мы решили сотрудничать.

Во многих отношениях мы были сильно непохожи. Я ниже среднего роста, Бейкер – очень высокий. Я – холерик, он – флегматик. Я – оптимист, он – пессимист. Я – романтик, он – экзистенциалист. Мой любимый фильм – «Касабланка», его – «Бразилия». Мои мысли скачут, его – движутся по прямой. Мое кредо согласуется со словами Гегеля: «Ничто великое в мире не совершается без страсти». Когда однажды я сказал это Бейкеру, он с отвращением вышел из комнаты. Для Бейкера страсть и инженерное дело несовместимы. По-видимому, ему достаточно отлично выполнять свою работу и хорошо жить. А я хочу изменить мир.

Тем не менее мы работали вместе, и в течение некоторого времени в 1990 году – чрезвычайно эффективно. Мы дополняли друг друга. У меня было очень хорошее академическое образование в широких областях математики, естественных наук и инженерии, а он обладал огромным инженерным опытом и блестяще ориентировался в своей области знаний. Я обеспечивал креативность и задор, он – дисциплину. Мы так и не стали близкими друзьями, но как команда сработались.

Как уже упоминалось выше, в 1989 году я показал в ряде работ, что, если бы были доступны ядерные ракетные двигатели, а для взлета с Марса и возвращения на Землю мы сумели бы использовать произведенное на Марсе топливо, пилотируемую миссию к Марсу можно было бы запустить с помощью одной ракеты-носителя класса «Сатурн-5». Бейкер разработал такую тяжелую ракету-носитель для НАСА. Он назвал ее «Шаттл Зет» в честь «Кода Зет», подразделения НАСА, которое отвечало в то время за разработку планов по пилотируемому освоению космоса. «Шаттл Зет» был создан на основе предварительного проекта аппарата НАСА «Шаттл Си», у которого орбитальный аппарат заменили на увеличенный грузовой отсек. «Шаттл Си» может доставить на НОО около 70 тонн груза. Добавив мощную верхнюю ступень, работающую на смеси водорода и кислорода, внутрь увеличенного бокового грузового отсека, Бейкер создал «Шаттл Зет» и увеличил грузоподъемность ракеты до 130 тонн (на НОО), это всего на 10 тонн меньше, чем способен поднять «Сатурн-5». Поскольку все ключевые компоненты «Шаттла Зет» были взяты из запаса деталей для шаттла, мы могли бы разработать транспортное средство быстро и недорого, а это ключевое требование для программы, рассчитанной на десятилетие.

Итак, у нас была ракета-носитель, но не было ядерного ракетного двигателя, для того чтобы хотя бы долететь с Земли на Марс или наоборот. Если отправлять наше оборудование к Марсу, не пользуясь ядерными двигателями, то потребуются два запуска. Само по себе это не было препятствием, но делало архитектуру нашей миссии по меньшей мере неизящной. В нашем проекте возвращаемый на Землю аппарат располагался над обитаемым модулем, который, в свою очередь, находился над частично заполненной верхней ступенью «Шаттла Зет», которая крепилась над еще одной почти заполненной ступенью. Эта цепочка была бы собрана на орбите с помощью стыковки и маневрирования в доках, причем первые три элемента (ВЗА, обитаемый модуль и одна частично заполненная ступень) были бы доставлены одним «Шаттлом Зет», а четвертый элемент (еще одна почти заполненная ступень) – вторым «Шаттлом Зет».

По ряду причин этот вариант показался нам не слишком привлекательным. Для начала, длинная цепочка устройств неудобна в использовании, и какая бы ракета ни доставляла первой полезную нагрузку на НОО, за несколько месяцев значительное количество топлива в верхней ступени испарится. По прибытии на Марс ВЗА и обитаемый модуль будут располагаться позади тормозной подушки – оболочки в форме гриба или тупого конуса, – и их станет замедлять марсианская атмосфера. Вес ВЗА и обитаемого модуля получился бы настолько большим, что было бы сложно изготовить парашют достаточного размера, который уместился внутри головного обтекателя «Шаттла Зет». Но на Марсе возникли бы еще более серьезные проблемы.

Когда стало понятно, что без ядерного реактивного двигателя не обойтись, я разработал реактивную установку, которая бы просто сжимала и запасала марсианский углекислый газ, а затем нагревала его в ядерном реакторе для получения высокотемпературного ракетного выхлопа. Марсианская атмосфера почти на 95 % состоит из диоксида углерода, который сжижается при марсианских температурах, если приложить давление около 6,8 атмосферы. Механически такая система производства топлива очень проста. Фактически нужен насос. В рамках такого плана было бы разумно предположить, что астронавты начнут добывать топливо для своего возвращения, после того как высадятся на Марс. Однако без ядерного реактивного двигателя любое топливо, произведенное на Марсе, пришлось бы изготавливать с помощью какой-то иной формы химического синтеза. Это было бы значительно сложнее, чем просто сжатие и хранение двуокиси углерода. Несомненно, НАСА вполне резонно настаивало на том, чтобы все ракетное топливо, необходимое для возвращения на Землю, было бы заготовлено до того, как экипаж займется исследованием Марса; в противном астронавты могут оказаться в безвыходном положении, если процесс производства сорвется.

В 1989 году Джим Френч, независимый технический консультант, опубликовал в журнале Британского межпланетного общества статью, содержавшую некоторые из этих рассуждений. Френч предложил отправить на Марс завод по производству ракетного топлива до прибытия экипажа. Завод будет производить и накапливать топливо для возвращения экипажа. Но оставалась проблема: как посадить космический корабль на таком расстоянии от топливного склада, которое не превышало бы длины шланга? Задача казалась настолько трудной, что Френч в завершении статьи признавал: использование марсианского топлива останется непрактичным до тех пор, пока на Марсе не будут обустроены база для астронавтов и местная инфраструктура, которая обеспечит защиту от любого рода непредвиденных обстоятельств.

Дела обстояли следующим образом: отказавшись от ядерного ракетного двигателя, мы получили возможность сократить время подготовки миссии, но вместе с тем получили целый ворох проблем. Наиболее сложным был вопрос транспортировки топлива, произведенного нашим заводом, из «складских» баков в ВЗА. Зависеть от заранее доставленного на Марс роботизированного бензовоза? Слишком рискованно. Разыскивая решение, я придумал новый вариант архитектуры миссии, который сейчас кажется очевидным. Не нужно посылать команду вместе с ВЗА – сначала нужно отправить ВЗА, совмещенный с топливным заводом. Эта идея разом решала практически все проблемы. Обитаемый модуль и ВЗА сами по себе достаточно легкие, чтобы запустить каждый из них непосредственно на Марс одним «Шаттлом Зет». Нам по-прежнему потребуются два запуска, но теперь один «Шаттл Зет» может нести ВЗА, а другой – экипаж и жилой модуль. Чтобы объединить полезную нагрузку из ВЗА и обитаемого модуля, потребовалась бы огромная система торможения, что стало бы серьезной проблемой ее разработчиков. Но для отдельных запусков можно изготовить отдельные удобные в управлении системы торможения, которые соответствуют размерам головного обтекателя «Шаттла Зет». Чтобы гарантировать, что наш марсианский экипаж не окажется в затруднительной ситуации из-за отсутствия топлива, ВЗА полетит на Марс во время стартового окна, предшествующего запуску астронавтов, то есть за двадцать шесть месяцев до них. Таким образом, все топливо будет заготовлено даже до того, как экипаж покинет Землю, и так как завод для производства ракетного топлива будет отправлен на Марс совместно с ВЗА, не придется переживать из-за места посадки. Трубопровод, который доставит изготовленное на Марсе топливо из модуля химического синтеза в топливные баки ВЗА, будет смонтирован еще на Земле.

Лучше всего, если ни на одном этапе миссии не требуется сборка на орбите или любого рода рандеву на ней. Единственное необходимое рандеву состоится на поверхности Марса, и оно легко выполнимо. Во время программы «Аполлон» мы высадили экипаж в пределах 200 метров от корабля «Сервейор», который прибыл на Луну несколькими годами ранее, а имеющаяся в нашем распоряжении современная бортовая техника намного точнее. Если во время орбитального рандеву промахнуться на 10 метров, стыковки не произойдет. А при встрече на поверхности можно высадиться в 10 километрах от цели, а затем просто дойти или доехать до нужного места. Кроме того, в качестве части полезной нагрузки жилого модуля мы предусмотрели герметизированный ровер, который может проехать до 1000 километров; нужно очень плохое пилотирование, чтобы высадиться от ВЗА на большем расстоянии. И что бы ни говорили о бюрократии НАСА, в штате астронавтов НАСА состоят одни из лучших в мире пилотов. Несомненно, встреча на поверхности Марса окажется удачной.

Хотя отправка экипажа на Марс отдельно от ВЗА кажется отчаянной мыслью, на самом деле она будет гораздо безопаснее, чем высадка экипажа вместе с транспортным средством, которое отправит людей обратно на орбиту Марса. Причина проста: если ВЗА высадится первым, астронавты еще до своего старта будут знать, что их ждет полностью работоспособная система для взлета с Марса и возврата на Землю, которая уже выдержала испытание посадкой на Марс. Для сравнения, если экипаж высаживается с системой возвращения на Землю, можно только догадываться, в какой состоянии взлетный модуль будет после того, как они переживут удар о поверхность Марса. Кроме того, согласно нашему плану экипаж отправится на Марс одновременно с еще одним ВЗА, который приземлится в пределах досягаемости герметизированного ровера. Этот второй ВЗА начнет производить топливо для второго пилотируемого полета на Марс, но в случае возникновения чрезвычайной ситуации он может служить резервным жилым модулем для экипажа первой миссии.

К тому же два ВЗА на поверхности Марса и собственный жилой модуль первого экипажа дают нам в общей сложности три жилых объекта, которые могут обеспечить астронавтам комфортное существование. Что касается безопасности марсианских миссий, это лучшее, что можно придумать.

Чем дольше мы продумывали новую архитектуру миссии, тем лучше она становилась. Мы продолжали прорабатывать необходимые подсистемы и конструкции оборудования. Я сосредоточился на синтезе марсианского ракетного топлива. Основным направлением работ в этой области в 1990 году было исследование нового способа расщепления диоксида углерода (СО) на угарный газ (СО) и кислород (O_2), которые затем можно сжечь вместе как ракетное топливо. Единственный ингредиент для этого процесса – CO_2 – на Марсе так же доступен, как воздух на Земле.

Однако существовало и множество недостатков. Процесс был изучен недостаточно. Чтобы сделать реактор, способный обеспечить энергией пилотируемую марсианскую миссию, потребовались бы десятки тысяч маленьких хрупких керамических трубок с высокотемпературными (около 1000 °C) заслонками на концах. Кроме того, двухкомпонентное ракетное топливо из угарного газа и кислорода, производимое таким способом, имело бы низкое качество и удельный импульс лишь около 270 секунд. (Удельный импульс – это время, за которое производится фунт, то есть около 450 граммов, ракетного топлива, чтобы создать тягу в 1 фунт.[18] Чем выше это число, тем лучше. Удельный импульс двигателей немецких ракет «Фау-2», использовавшихся во время Второй мировой войны, составлял около 230 секунд, а современные двигатели «Пратт энд Уитни RL-10», работающие на смеси водорода и кислорода, имеют удельный импульс в 450 секунд. Ядерный ракетный двигатель на водороде может иметь удельный импульс в 900 секунд.) Не самые удачные показатели смеси угарного газа и кислорода привели бы к тому, что для осуществления полета с Марса на Землю на Красную планету пришлось бы везти очень большие и тяжелые топливные баки. Кроме того, температура пламени при горении этой смеси очень высока, и до сих пор не существует двигателя, который мог бы работать при таких условиях. Разработка такого двигателя обойдется недешево и будет грозить отставанием от графика полетов миссии.

Существует альтернатива: использовать смесь метана и кислорода (СН_4/О_2). Главное ее преимущество заключается в том, что смесь метан/кислород обладает высочайшим значением удельного импульса (380 секунд) среди химических соединений, ее легко запасать на длительный срок прямо на поверхности Марса. Поскольку двигатели СН_4/O_2 не выпускаются в промышленных масштабах, эта комбинация была успешно испытана в двигателях RL-10 на тестовом стенде, и производители двигателей «Пратт энд Уитни» опубликовали данные, показывающие, что модификация RL-10 для СН_4/O_2 будет работать без затруднений и обойдется недорого. Но есть одна проблема: чтобы произвести метан, потребуется водород, который сложно найти на Марсе. Так где же на Марсе раздобыть водород? В 1976 году профессор Роберт Эш, сейчас работающий в Университете Старого Доминиона, и некоторые его единомышленники из ЛРД опубликовали статью с изложением некоторых чрезвычайно простых, надежных и хорошо проверенных (еще в газовую эру) идей химической инженерии, которые позволяют получить двухкомпонентное топливо из метана и кислорода на Марсе при условии, что будет найден какой-то источник воды. Вода – вот в чем главная сложность. Добыча воды из марсианской вечной мерзлоты не самый эффективный вариант для первой автоматической миссии, а конденсация воды из крайне сухой атмосферы Марса крайне сложна. Поэтому Эш принялся исследовать производство смеси угарного газа и кислорода. Рассматривая предложение Эша, я понял, что единственная проблема его группы – чрезмерный пуризм, то есть упор на то, что все компоненты топлива должны иметь марсианское происхождение. На самом же деле для поддержания предложенного ими химического процесса нужно использовать водород, масса которого составит всего 5 % от общей массы произведенного топлива. Так почему бы просто не привезти относительно небольшое количество водорода с Земли? Я проконсультировался с экспертами по хранению криогенных (сверххолодных) жидкостей из «Мартин Мариетта», и они были единодушны во мнении, что с хранением примерно 6 тонн водорода для восьмимесячного полета с Земли на Марс вполне можно справиться при условии, что мы начнем с количества примерно на 15 % больше, чтобы компенсировать потери на испарение в пути (на Марсе испаряющийся водород можно направлять непосредственно в метановый реактор и тем самым избежать потерь). В теории это решит проблему производства подходящего для марсианских условий ракетного топлива.

Тем временем, благодаря помощи Сида Эрли, аналитика траекторий космических аппаратов из «Мартин Мариетта», Бейкер переработал «Шаттл Зет» в «Арес», ракету-носитель, способную не только поднимать полезную нагрузку на низкую околоземную орбиту, но и отправлять непосредственно в межпланетное пространство (рис. 3.1). Бейкер также выдвинул предложение использовать отработавшую верхнюю ступень «Ареса» как противовес на конце вращающегося троса для создания искусственной гравитации в жилом модуле экипажа во время полета на Марс. Идея создать искусственную гравитацию с помощью троса не была принципиально новой, но наш план выглядел гораздо более надежным, чем другие, поскольку объект на конце троса не имел большой важности для миссии. В более традиционных миссиях из-за огромной массы корабля, стартующего с Земли, сила тяжести создавалась следующим образом: содержимое корабля делилось на две части, и необходимые для миссии компоненты, такие как ступени с химическими реактивными двигателями, без которых нельзя вернуться на Землю, перемещались на дальний конец троса. Если такой трос порвется, когда придет время смотать его, миссия будет провалена. А в нашей схеме трос вообще не нужно сматывать. Скорей всего, его просто выпустят или перережут пироболтом, когда обитаемый модуль достигнет Марса. Это можно назвать ключевым преимуществом нашей архитектуры для снижения рисков миссии.

Рис. 3.1. Эволюция ракет-носителей от «Шаттла Си» до «Шаттла Зет» и «Ареса»

Так обстояли наши дела. Бейкер предложил использовать два модуля космической станции в качестве основы для хаба, поскольку к началу миссии они, по всей видимости, уже будут запущены в серийное производство. Модули космической станции – длинные и тонкие, как фюзеляж самолета, их форма разработана таким образом, чтобы они помещались внутрь грузового отсека шаттла диаметром 5 метров. Я выяснил, что реальная работа по конструированию модулей космической станции велась так, чтобы подстроиться под размеры системы жизнеобеспечения и других внутренних систем, а не наоборот. Более широкая конструкция, напоминающая по форме банку тунца, лучше соответствовала 10-метровому в диаметре обтекателю «Ареса», давала больше возможностей для создания интерьера жилого модуля, где члены экипажа чувствовали бы себя комфортно во время длительного путешествия, чем пара модулей космической станции, и весила бы к тому же значительно меньше. После того как были сделаны наброски жилого модуля с различными интерьерами, Бейкер согласился, что вариант в форме высокой банки с тунцом действительно лучший, и мы остановились на нем. Жилой модуль прекрасно и симметрично размещался в неподвижном центре одного из разработанных Биллом Уилкоксоном тормозных парашютов внутри обтекателя «Ареса». Поскольку мы хотели создать набор транспортных средств, которые подходили бы для лунных миссий так же, как и для марсианских (в качестве дополнительной цели, а не промежуточного шага), мы решили разделить двигатель ВЗА на две ступени. В верхней ступени топлива хватало бы ровно на то, чтобы напрямую вернуться на Землю с поверхности Луны, в то время как обе ступени вместе обеспечивали бы возвращение ВЗА с Марса на Землю. Поскольку верхняя ступень сама по себе получалась намного меньше нижней, «Арес» можно было бы использовать для доставки полностью заправленного ВЗА на лунную поверхность (изготовить ракетное топливо на Луне возможно, но для первой миссии это нежелательно, так как пришлось бы дробить лунную породу). Таким образом, были спроектированы «Арес», жилой модуль, ВЗА с двухступенчатым двигателем и система торможения в атмосфере – вместе они составляли компактный (и, следовательно, недорогой) набор элементов, которые можно комбинировать для осуществления как лунной, так и марсианской миссий в рамках инициативы исследования космоса. С помощью системы автоматизированного проектирования инженер Боб Спенсер и художник из «Мартин Мариетта» Роберт Мюррей (да, все верно, хороший художник-инженер может сильно помочь при разработке дизайна, стимулируя ваш мыслительный процесс и объясняя, что с чем можно соединить и что куда передвинуть) превратили все эскизы в трехмерные чертежи.

Из соображений минимализма Бейкер настаивал на экипаже из трех человек; я предлагал команду из пяти. Мы проработали логистику миссии, и обнаружилось, что расчетная грузоподъемность позволяет составить экипаж из четырех человек.

Поэтому членов экипажа стало четверо. (Выбирать было просто. Однако по причинам, которые я изложу позже, я убедился, что четверо – это в самый раз для начала миссии.)

За день до завершения работы по проектированию я вошел в офис Бейкера и сел на его стол. Я сказал: «Нашему плану нужно название, что-нибудь передающее его суть. Мы собираемся прямо на Марс, и по программе – избегая промежуточных этапов на орбите Земли или на Луне, и физически – запуская ракету прямо к Красной планете и возвращая аппарат с поверхности Марса прямо на Землю. Я обдумывал варианты вроде «Прямолинейный план» или «Директ Марс»». Бейкер посмотрел на меня и сказал: «Хорошо… как насчет… "Марс Директ"?» Ему не пришлось повторять дважды. У миссии появилось имя.

После завершения работы мы отдали наш план на ознакомление группе, разрабатывающей программы полетов, и начальству. Бен Кларк составил список серьезных вопросов и замечаний по поводу миссии, занявший несколько страниц. Мы дали письменный ответ. Эл Шалленмюллер, вице-президент сектора гражданской космонавтики «Мартин Мариетта», очень заинтересовался миссией. Все необходимое для выполнения нашего плана могло быть без затруднений создано в ближайшем будущем. Опираясь на свой опыт работы в «Сканк уоркс», он согласился с моей оценкой, согласно которой «Марс Директ» может быть подготовлен в течение десяти лет. Шалленмюллер решил отправить нас в Центр космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, чтобы мы представили свой план сотрудникам НАСА. Ни Бейкер, ни я не ожидали, что брифинг пройдет хорошо. Центр имени Маршалла считается одним из самых консервативных в НАСА, и казалось маловероятным, что тамошняя аудитория благосклонно воспримет радикальную идею вроде «Марс Директ». Регионализм тоже мог стать настоящей проблемой, которая значительно усилила бы настроение «вас сюда не звали». Я предсказывал Бейкеру, шутя только отчасти, что скорее всего сотрудники центра Маршалла ответят: «Мой отец не отправлял такие миссии на Марс, и его отец не отправлял такие миссии на Марс, и нам не нужно, чтобы сюда приезжали проклятые янки и учили нас, как запускать миссии на Марс».

Я не мог ошибиться сильнее. Мы с Бейкером представили доклад о миссии вместе, в командном стиле. Отклик был потрясающий. Группа планирования ИИК из центра Маршалл действительно была консервативной и именно по этой причине очень воодушевленно встретила «Марс Директ». Эти люди месяцами разбирались с грандиозными планами по сборке на орбите огромных межпланетных космических кораблей, хотя сами считали эти планы бредом сивой кобылы. Когда мы объяснили, как осуществить пилотируемый полет на Марс с помощью двух запусков ракет типа «Сатурн-5», у ветеранов программы «Аполлон», сидевших в зале, начали загораться глаза: «А ведь это мы действительно можем выполнить!» Джен Остин, руководитель организации по ИИК в центре Маршалла, пригласил нас с Бейкером к себе в офис и говорил о плане два часа (нечто неслыханное!), сначала расспрашивая о концепции, а затем давая нам советы о том, как рассказать о миссии в космическом центре Джонсона и в других организациях.

Брифинг в центре Маршалла состоялся 20 апреля 1990 года. В следующие несколько недель с подобными докладами мы посетили все крупные центры НАСА, участвующие в ИИК, и везде мы приводили людей в восторг. В День памяти павших[19] мне дали возможность выступить с заключительным докладом пленарной сессии на национальной конференции Национального космического общества в Анахайме. Это был первый рассказ о «Марс Директ» для широкой публики. Мне аплодировали стоя. Через неделю мы с Бейкером выступали с докладом о миссии на конференции «Курс на Марс» (проводится раз в три года сообществом «Марс Андеграунд», о котором я расскажу чуть позже) в Боулдере и вообще выступали везде, где только можно было. На следующий день Boston Globe на первой полосе опубликовала статью своего опытного научного корреспондента Дэвида Чандлера под названием «Предложен новый план полета на Марс», которую перепечатали сотни других газет. Миссия «Марс Директ» получила широкую огласку.

До конца лета Бейкер и я по отдельности и вместе продолжали выступать на открытых конференциях и брифингах НАСА. Также мы опубликовали подробное описание миссии в специальном разделе журнала «Аэроспейс Америка», специализированном ежемесячном издании об авиационной промышленности. Где бы мы ни выступали, у нас появлялись единомышленники, но контратака уже готовилась. Влиятельные люди из НАСА, причастные к программе космической станции, совсем не были рады существованию «Марс Директ». Так как мы не использовали станцию или хотя бы наработки (которые только должны были появиться) по методам сборки на орбите, выходило, что мы подрываем доверие к их программе. Сотрудникам НАСА, которые были дружественно настроены к миссии «Марс Директ», сказали держаться от нас подальше. Эта заставило нас снизить активность. Некоторые (но не все) представители сообщества инженеров, занимающихся разработками в области реактивного движения, также были настроены враждебно. Они тоже почувствовали, что «Марс Директ» уменьшает значимость их проектов, и выдвигали к будущим миссиям такие требования, которым могли удовлетворить только разработанные ими системы. На то чтобы опровергнуть необходимость этих требований, у нас ушло немало сил. То, что началось как интеллектуальный блицкриг, превращалось в окопную войну.

Темперамент Бейкера не подходил для такой затяжной битвы. Становилось все очевиднее, что преодолеть косность мышления наших оппонентов будет непросто, а глупое стремление бюрократов из НАСА реализовать их фантастический проект стоимостью 450 миллиардов долларов приводило к тому, что Конгресс продолжал отказывать в финансировании ИИК. Бейкер все сильнее унывал. В феврале 1991 года он уволился из «Мартин Мариетта» и пошел получать степень магистра в Университете Колорадо, чтобы затем открыть собственную консалтинговую фирму.

Оставаясь оптимистом, я упорно продолжал ездить по стране, выступил с десятками докладов и написал многочисленные статьи для журналов. Администрация Буша привлекла независимых экспертов из группы «Синтез», возглавляемой бывшим астронавтом программы «Аполлон» генералом Томасом Стаффордом, чтобы попытаться разработать новую архитектуру для ИИК взамен неудачного «90-дневного отчета». Я встретился с ними и коротко изложил свою идею, а затем побеседовал с ключевыми людьми в комиссии. Когда в мае 1991 года был опубликован отчет группы «Синтез» [13], я был разочарован. Они проигнорировали «Марс Директ» и отдали предпочтение исследованию Марса с помощью слегка обновленной версии гигантских космических аппаратов на ядерных реактивных двигателях из плана Вернера фон Брауна за 1969 год. Но хотя мой план и не попал в отчет целиком, ключевые моменты в нем все таки были отражены. Сборка аппаратов на орбите теперь считалась нежелательной. Большой срок, проведенный на Марсе, теперь рассматривали как плюс миссии – наконец-то исследования признали ее важной составляющей. Так, в то время считалось, что полет на Марс во время его противостояния с Землей (что предполагало большие энергозатраты и короткое время пребывания на Марсе) будет выбран для первой миссии, а все последующие миссии будут запущены во время соединения Земли и Марса (энергозатраты меньше, а время пребывание на Марсе более длительное). Предложенная мной технология производства марсианского ракетного топлива из метана и кислорода вызвала одобрение, в отчете было сказано, что проект необходимо реализовать, правда, не в рамках самых первых миссий. Все это свидетельствовало о прогрессе. Потом осенью 1991 года свет в конце тоннеля забрезжил еще ярче, когда Майк Гриффин, один из надежнейших людей в группе «Синтез», был назначен руководителем отдела планетных исследований НАСА и ответственным за ИИК. Говорили, что Гриффин очень умен и не похож на среднестатистического бюрократа. «Если бы только я мог с ним побеседовать», – подумал я. Я не мог подобраться к Гриффину напрямую, поэтому начал убеждать его друзей – некоторые из них также были моими друзьями. Наконец в июне 1992 года мне выпал шанс поговорить с Гриффином в его офисе. Все прошло хорошо. Гриффин прочел некоторые мои статьи, но у него были кое-какие вопросы. Личная встреча дала мне возможность на них ответить. Гриффин позвонил Биллу Боллхаусу руководителю сектора гражданской космонавтики в «Мартин Мариетта» (Шалленмюллер к тому времени почти отошел от дел), и «попросил» его («просьба» руководителя подразделения НАСА в аэрокосмической промышленности – это значительно больше, чем просто просьба) выделить средства для того, чтобы я подготовил более детальное обсуждение миссии «Марс Директ» в Космическом центре имени Джонсона. Они обязательно воспримут миссию всерьез.

Обсуждение состоялось, и не одно – тогда я не знал, что миссия «Марс Директ» настолько понравилась Гриффину. Он даже побеседовал с будущим руководителем НАСА Дэном Голдином, который также стал моим сторонником. В итоге, когда я появился в центре имени Джонсона в октябре 1992 года, чтобы провести серию подробных брифингов о «Марс Директ», моя аудитория определенно была готова слушать.

Группа исследовательских программ из центра Джонсона выслушала меня, и людям понравилось то, что они услышали, но у них по-прежнему оставались вопросы. Члены группы чувствовали, что мои оценки массы миссии сделаны с запасом, и хотели, чтобы в экипаже было шесть человек. А значит, потребовалась бы более мощная ракета, чем «Арес». Дэйв Уивер, главный архитектор миссий в группе, также с подозрением отнесся к тому, что весь план критически зависит от производства ракетного топлива на Марсе. Действительно, если топливо будет изготовлено перед тем, как экипаж, который в нем нуждается, покинет Землю, проблем не возникнет. Но если запасание топлива на Марсе не состоится, вся миссия окажется провальной. Уивер и я пошли в его офис, взяли мел и разработали компромиссную архитектуру миссии, которая отвечала на все вопросы [14]. Я назвал этот план «Марс Полудирект» (рис. 3.2). В рамках одной миссии вместо двух запусков выполняются три. Один доставляет на поверхность Марса спускаемый аппарат, который сам будет производить топливо, а также большое количество оборудования и расходных материалов. Еще один доставляет возвращаемый на Землю модуль экипажа вместе с метаново-кислородным реактивным двигателем на высокую околомарсианскую орбиту. С помощью последнего запуска к поверхности Марса отправят хаб с экипажем. Следовательно, нет необходимости производить достаточное количество топлива для отправки возвращаемого на Землю аппарата прямо с поверхности Марса. Нужно лишь послать модуль с поверхности Марса на орбиту и провести там стыковку жилого модуля с ВЗА, после чего находящийся на орбите химический реактивный двигатель доставит экипаж домой. Модуль для взлета с Марса достаточно легкий, поэтому, если с ним не отправлять никаких дополнительных грузов, полностью заправленный вариант может быть доставлен на поверхность Марса одной тяжелой ракетой-носителем. То есть, если на Марсе производство ракетного топлива не заладится, программу по-прежнему можно спасти с помощью запуска с Земли четвертой ракеты-носителя. Этот вариант архитектуры мне нравился меньше, чем классический «Марс Директ», поскольку ограничивал возможности миссии. Вместо двух запусков и двух космических аппаратов для плана «Марс Полудирект» потребовалось бы по три запуска и три аппарата, что увеличило бы стоимость программы. Кроме того, критически важное рандеву на орбите Марса было запланировано на вторую половину миссии. Это явно было необыкновенным прогрессом по сравнению с прежней убежденностью НАСА: теперь весь полезный груз собирались доставить на Марс сразу с помощью одной ракеты-носителя, не требовалась сборка гигантского корабля на орбите Земли, планировалось длительное пребывание экипажа на Марсе и использование местных ресурсов с самой первой миссии. Это был компромисс, но компромисс жизнеспособный, я бы его поддержал. Майкл Дьюк и Гамболт «Гам» Манделл, два уважаемых в центре Джонсона человека, почти сразу одобрили план «Марс Полудирект», с тех пор мы могли рассчитывать на большую поддержку центра.

В 1993 году Уивер сблизился с большой командой из разных подразделений НАСА, для того чтобы проработать план «Марс Полудирект». Я участвовал в этой работе как консультант. И опять в большой команде стали появляться сепаратистские настроения. Представители различных программ пытались обеспечить ведущую роль своим системам. Работать с такой командой – это все равно что пасти котов. Тем не менее удалось сформировать вполне работоспособный план, основанный на «Марс Полудирект». Эта расширенная версия была проанализирована той же группой оценки финансовых затрат из центра Джонсона, которая выдала цифру в 450 миллиардов долларов для «90-дневного отчета». Анализ включал разработку всех необходимых технологий, в том числе тяжелой ракеты-носителя (то есть подзадача о полете по программе исследования Луны не ставилась), а также запуск трех полноценных пилотируемых миссий на Марс. Итого: 55 миллиардов долларов, или одна восьмая часть стоимости традиционного плана ИИК. В июле 1994 года весть об этой работе достигла журнала Newsweek и попала на обложку. «Пилотируемый полет на Марс?» – спрашивал Newsweek. «Технология уже отрабатывается. И стоимость в 50 миллиардов долларов – одна десятая часть суммы, в которую оценивался прежний план, – нас устраивает».

Изучив вопрос, специалисты пришли к выводу, что умеренный по стоимости, технически выполнимый план, который поддержат политики и который действительно позволит доставить человека на Марс, – это план, основанный на концепции «Марс Директ». Это программа не для наших далеких потомков, а для нас и наших современников. Это миссия, которую могут разработать современные инженеры, основываясь на имеющемся у нас техническом потенциале, миссия, которая может быть осуществлена астронавтами, состоящими сегодня на службе в вооруженных силах США.

Рис 3.2. Последовательность запусков для миссии «Марс Полудирект». Каждые два года запускаем три ракеты-носителя. Одна доставляет на Марс экипаж в обитаемом модуле (хабе), две другие в беспилотном режиме доставляют полезную нагрузку, состоящую из самостоятельно заправляющегося Марсианского взлетного модуля (МВМ) и ВЗА. Когда приходит время возвращаться домой, экипаж перемещается в МВМ и отправляется на околомарсианскую орбиту для стыковки с уже обращающимся вокруг Марса ВЗА, который затем доставляет экипаж на Землю. Жилой модуль, отправляемый в первый год, летит на Марс без экипажа, чтобы послужить запасным модулем для первой пилотируемой миссии, экипаж которой прибудет на Марс на третий год в своем обитаемом модуле

В следующих главах мы более детально рассмотрим план «Марс Директ», увидим, как эта миссия работает пошагово. Я докажу, что этот проект пригоден не только для отправки человека на Марс, но для исследования, заселения и преобразования Красной планеты.

Историческая справка – «Марс Андеграунд»

Иногда небольшая группа обычных людей может поднять такой шум, что ее услышат в самой безразличной толпе. Однажды так получилось и с марсианской миссией.

В течение десяти лет после программы «Аполлон» планы по разведыванию Марса человеком по сути были заброшены, поскольку НАСА пыталось запустить проект шаттла. Но примерно с начала 1980-х годов идея отправить людей на Красную планету стала распространяться в сообществе специалистов, близких к космическим исследованиям, благодаря усилиям небольшой группы энтузиастов, которые в скором времени стали известны как «Марс Андеграунд». Чтобы понять, с чего началась история этого сообщества, нам придется вернуться в 1978 год, в «сонный» период между «Скайлэб» и шаттлом. Последний рейс «Аполлона», экспериментальный полет «Союз – Аполлон» осуществили в июле 1975 года, и целью тогда была не Луна, а низкая околоземная орбита, где произошла стыковка с советскими коллегами. Со времен «Скайлэб-4» (ноябрь 1973 года) до проекта «Союз – Аполлон» ни один американец не летал в космос. «Вояджеры», которые должны были исследовать газовые гиганты и дальние области Солнечной системы, запустили в 1977 году. «Пионер-Венера-1» и «Пионер-Венера-2» стартовали к второй планете Солнечной системы и должны были достичь цели к концу 1978 года. Шаттл полетел только в апреле 1981 года. В общем, это было время затишья в космическом сообществе, время, когда пытливые умы искали, над чем бы эдаким поразмышлять – например, над модернизацией какой-нибудь планеты. И тогда Крис Маккей, в те времена аспирант-астрогеофизик из Университета Колорадо, начал проводить семинар о терраформировании Марса.

Семинар появился благодаря коридорным дискуссиям и болтовне за пивом аспирантов и старшекурсников, которые обсуждали удручающие, но интригующие результаты миссии «Викинг». Согласно находкам «Викинга», Марс выглядел безжизненным, но в то же время казалось, что не должен оставаться таким – если разумно применить планетную инженерию, или терраформирование, то в будущем Марс опять может стать теплой и влажной планетой. К Маккею присоединились Кэрол Стокер, также аспирант-астрогеофизик, Пенелопа Бостон, студентка-старшекурсница, специализирующаяся на биологии, давняя подруга Маккея, Том Мейер, руководитель собственной инженерной фирмы и давний друг Стокер, специалист в области информатики Стив Уэлч и еще несколько человек – всего не более двадцати пяти участников. Чарльз Барт, возглавлявший кафедру физики атмосферы и космоса в Университете Колорадо, выступал в качестве наставника и консультанта группы, помогая превратить дружеские разговоры в официальный семинар «Условия для жизни на Марсе».

В течение первого семестра участники семинара с ненавязчивой помощью Барта осознали, что терраформирование Марса – трудная задача даже для аспирантов. Они также поняли, что теоретическая база у них была значительная, а вот фактических данных не хватало. Несмотря на то что обсуждения получались увлекательными и интригующими, без дополнительной информации о планете они ни к чему не приводили. Участникам семинара нужно было больше знать о нынешней атмосфере Марса, о ее прошлом, о летучих соединениях, ресурсах и множестве других аспектов – о тех данных, которые могли бы собрать на Марсе исследователи. Поэтому группа сосредоточилась на пилотируемых полетах на Марс, которые осуществимы в недалеком будущем, и в конце концов наработки были объединены в «Предварительный отчет группы изучения Марса». Барт доставил этот отчет в штаб-квартиру НАСА, и вскоре распространилась весть о том, что группа аспирантов и их единомышленников из Боулдера с энтузиазмом – и толком – исследует возможность пилотируемых полетов на Марс, а также занимается новой областью науки, известной как терраформирование (о которой речь пойдет далее). Некоторые из участников семинара вскладчину арендовали машины, чтобы ездить на различные конференции и встречи по исследованию космоса. Там можно было повстречать единомышленников, людей, которых бы вдохновили энтузиазм, цели и интеллектуальные способности группы из Боулдера.

Весной 1980 года Маккей и Бостон встретились с Леонардом Дэвидом на заседании Американского общества астронавтики в Вашингтоне. Дэвид в последние несколько лет посещал студенческие форумы по исследованию космоса и слышал о группе из Боулдера. Эти трое довольно быстро поладили, и то, что началось как беседы об освоении Марса, закончилось предложением Дэвида, что хорошо бы провести конференцию по исследованию Марса человеком. Эта идея была в новинку, аспиранты двадцати с небольшим лет от роду обычно не проводят конференции по планетным исследованиям, но почему бы не попробовать? Им действительно было нечего терять. И сторонники исследования Марса начали потихоньку планировать встречу. Маккей, Бостон, Уэлч, Мейер, Стокер и Роджер Уилсон, еще один студент Университета Колорадо, работали над списком возможных тем для обсуждения и возможных докладчиков. Используя «партизанские» методы, они напечатали около сотни копий объявлений о конференции и отдали их распространителям. Ко всеобщему удивлению, начали поступать запросы и от тех, кто хотел присутствовать, и от исследователей, желавших выступить с докладом. Позаимствовав название для конференции у судьбоносной статьи, озаглавленной «Людям пора на Марс» (The Case for Humans on Mars), которую ученый Бен Кларк из команды миссии «Викинг» написал в 1978 году, в конце апреля 1981 года группа из Боулдера провела первую конференцию «Курс на Марс».

Конференция получилась скромной – всего присутствовало около ста человек, – но для организаторов это было очень много. До конференции они чувствовали себя одинокими путниками в пустыне. Лишь у немногих, как думали аспиранты из Боулдера, были интерес и опыт, чтобы провести серьезное изучение пилотируемых миссий на Марс. А теперь они оказались в гуще событий, посреди собственной конференции с докладами об использовании ресурсов, обеспечении жизни на поверхности Марса, о возможностях реактивных двигателей. Понимание того, что другие люди разделяют их страсть, вдохновляло, волновало и окрыляло. Леонард Дэвид приехал из Вашингтона со свертком красных значков. На логотипе «Курса на Марс» художник Картер Эммарт изобразил фигуру, напоминающую витрувианского человека Леонардо да Винчи, внутри астрологического символа Марса. Внизу были написаны слова «Марс Андеграунд». Эта небольшая надпись утверждала, что владелец значка теперь стал членом «Марс Андеграунд» – небольшого коллектива почитателей планеты Марс («Крепко связанные, но неплотно сотканные»). Носить значок следовало незаметно, под отворотом одежды или под пиджаком. За четыре дня многочисленных обсуждений и презентаций «Марс Андеграунд» сформулировал план пилотируемых исследований Марса: основные положения программы; миссии, предшествующие пилотируемым полетам; планы миссий; список действий по исследованию поверхности планеты для астронавтов. Неплохой результат для конференции, задуманной и организованной командой аспирантов.

Эти конференции проводились в течение пятнадцати лет раз в три года. Каждая отражала настроение эпохи и опиралась на ранние договоренности. По итогам второй конференции, проведенной в 1984 году, был разработан полный подробный проект марсианской миссии, который члены «Марс Андеграунд» использовали в качестве основы для двухчасового доклада об исследованиях Марса, представленного в штаб-квартире и других центрах НАСА. Конференция 1984 года также была примечательна тем, что удалось добраться до группы людей, имеющих большое политическое влияние, например до бывшего руководителя НАСА Томаса Пейна. В 1985 году президент Рейган назначил Пейна главой независимой Национальной комиссии по космосу, затем под его началом комиссия рекомендовала Соединенным Штатам поставить целью космической программы через тридцать лет создание на Марсе форпоста. Белый дом ответил на этот отчет созданием организации «Код Зет» и программ «Пасфайндер» в штаб-квартире НАСА для того, чтобы соответственно спланировать стратегию миссии и разработать ключевые технологии для освоения Луны и Марса. Именно эти организации образовали сеть из информированных лиц, которые посодействовали появлению озвученного Бушем требования создать НИК в июле 1989 года.

Третья конференция «Курс на Марс» ускорила развитие событий, а Карл Саган выступил с речью перед аудиторией из более чем тысячи человек, в числе которых было много журналистов из разных стран мира. Я впервые услышал о «Марс Андеграунд» после второй конференции «Курс на Марс» и наряду с более чем четырьмя сотнями представителей технических специальностей посетил «Курс на Марс III», чтобы прослушать почти двести докладов и поучаствовать в шестнадцати семинарах. В двухтомных трудах конференции излагаются стратегии исследования Марса, которые охватывают и технические требования, и государственные интересы, и политические тонкости – все необходимое, для того чтобы пилотируемые полеты на Марс стали реальностью. К четвертой конференции в 1990 году (которая, как и всегда, проводилась в Боулдере) то, что десять лет назад считалось в НАСА почти запретной темой, – люди на Марсе – было заявлено нынешним президентом как наша долгосрочная цель в космосе. Кэрол Стокер, которая отвечала за расписание конференции, посетила частное заседание по миссии «Марс Директ» в исследовательском центре Эймса НАСА в Калифорнии, и ей план понравился. Она оказала Дэвиду Бейкеру и мне высокую честь открыть первое пленарное заседание и рассказать о «Марс Директ» собравшимся представителям «Марс Андеграунд». На следующий день новость о том, что разработан недорогой план пилотируемой миссии на Марс, появилась в Boston Globe и десятках других газет.

Построение траектории космического аппарата – относительно простая задача, и в ее решении мы ограничены только законами физики. А вот провести идею сквозь хитросплетения политической системы – дело рискованное. К речи, произнесенной Джорджем Бушем-старшим на ступенях Музея авиации и космонавтики в 1989 году, привело множество причин. Но я не сомневаюсь: конференция «Курс на Марс» и небольшая группа людей, которые стали ядром «Марс Андеграунд», сумели доказать, что путешествие людей на Марс – реальная, достижимая цель для космической программы США. Конференции «Курс на Марс» послужили стартовой площадкой для идей, которые продемонстрировали миру значимость пилотируемых полетов на Марс и зарядили энергией сообщество исследователей и энтузиастов. Для организации, членом которой становятся благодаря энтузиазму и стараниям, а не толстому кошельку или тяге к престижу, общество «Марс Андеграунд» и конференции «Курс на Марс» обладают очень большим влиянием, несопоставимым с их скромными размерами.

Я выбрал такое название для своей книги именно для того, чтобы отдать должное заслугам участников «Марс Андеграунд».

Глава 4

Добраться на Марс

Быстрые миссии и хорошие миссии

Планируя долгое путешествие, вы сначала продумаете маршрут и способ перемещения. То же справедливо и для путешествия на Марс.

Многие считают, мы не достигнем Марса, поскольку Красная планета находится так далеко от Земли. Пока нам не доступны принципиально более совершенные типы космических двигателей, утверждают скептики, дорога окажется слишком долгой. Давайте рассмотрим это возражение.

Марс действительно далеко. При самом удачном расположении, когда он располагается на линии Солнце – Земля – Марс прямо напротив Земли и ближе всего к ней (древние астрономы, с их геоцентрической картиной мира, описывали это положение как «противостояние», о нем подробнее будет сказано далее), расстояние составляет 56 миллионов километров, или 38 миллионов миль. При максимальном удалении от Земли, то есть когда Марс находится за Солнцем на линии Земля – Солнце – Марс (древние астрономы называли такую конфигурацию «соединение»), расстояние составляет около 400 миллионов километров (рис. 4.1). Сейчас не существует даже чертежей реактивных двигательных систем, которые могли бы напрямую доставить аппарат с Земли на Марс, когда планеты находятся в противостоянии. Дело обстоит так, потому что космический корабль, покидая Землю, обладает ее скоростью – около 30 километров в секунду, и, таким образом, космический корабль продолжит обращаться вокруг Солнца в том же направлении, что и Земля, пока не израсходует огромное количество топлива на изменение курса. В самом деле, как показал немецкий математик Вальтер Гоман в 1925 году, если в качестве топлива используется бензин, лучшее время для путешествия с Земли на Марс – соединение планет, когда они находятся на максимальном расстоянии друг от друга с противоположных сторон от Солнца (рис. 4.2). Это самый простой путь, поскольку корабль движется по эллипсу, который одним краем касается орбиты Земли, а другим – орбиты Марса, таким образом необходимое изменение курса становится минимальным. Чем больше отклонение от такого плана полета, тем больше работы придется совершить двигателям и тем дороже обойдется миссия. Но даже если мы решим израсходовать дополнительное топливо, чтобы «срезать углы» и отклониться от полноценной траектории Гомана, нам скорее всего придется преодолеть дугу по меньшей мере в 400 миллионов километров, чтобы добраться с Земли на Марс. Четыреста миллионов километров. Это очень много. Для сравнения, Луна от Земли «всего» в 400000 километров. Таким образом, чтобы добраться до Марса, придется преодолеть расстояние в тысячу раз больше, чем пролетели в свое время астронавты миссии «Аполлон» по пути на Луну. На путь в одну сторону у корабля «Аполлон» ушло три дня. Значит ли это, что до Марса лететь 3000 дней, то есть восемь лет?

К счастью, нет. Астронавты миссии «Аполлон» летели к Луне со средней скоростью около 1,5 километра в секунду. Ограничение было установлено не технологией реактивного движения того времени, – третья ступень «Сатурна-5» могла разогнать «Аполлон» в два или даже три раза сильнее, – а выбранной траекторией полета. Астронавты миссии «Аполлон» могли мчаться к Луне со скоростью 4,5 километра в секунду и добраться туда в течение одного дня, но пришлось бы очень дорого заплатить: у них не было бы возможности остановиться. Из-за маленькой силы тяжести на Луне система ускорения космического корабля должна сработать так, чтобы аппарат вышел на орбиту Луны. Командный модуль «Аполлона» просто не смог бы снизить скорость аппарата, если бы он приближался к Луне быстрее, чем со скоростью 1,5 километра в секунду.

Рис. 4.1. Противостояние и соединение. В противостоянии Марс и Земля находятся по одну сторону от Солнца. В соединении Марс, если смотреть с Земли, находится за Солнцем

Рис. 4.2. Возможные траектории для полета на Марс: (А) орбита Гомана; (В) быстрая миссия во время соединения Земли и Марса; (С) миссия во время противостояния Земли и Марса

Марс же обладает существенной силой тяжести и атмосферой, которые могут поспособствовать торможению космического аппарата. Таким образом, если космический аппарат подлетит к Марсу на гораздо большей скорости, то все равно сможет выйти на его орбиту. Более важно, что корабль, покидающий Землю с гиперболической скоростью в 3 километра в секунду, не полетит с той же скоростью по Солнечной системе. Земля в этом случае играет роль быстро движущейся платформы, а поскольку она движется в одном направлении с аппаратом, он набирает дополнительную скорость в 30 километров в секунду, пока вращается с Землей вокруг Солнца. Итак, начальная скорость корабля составляет не 3 километра в секунду, а 33 километра в секунду, что более чем в двадцать раз превышает скорость командного модуля «Аполлона». (Этот эффект «подвижной платформы» нельзя использовать, чтобы облегчить путь до Луны, потому что Луна движется вокруг Солнца вместе с Землей.) По мере того как корабль покидает потенциальную яму Солнца и движется от орбиты Земли к орбите Марса, часть кинетической энергии, связанной с этой скоростью, преобразуется в потенциальную, и аппарат немного замедляется, но по-прежнему летит очень быстро. К счастью, Марс будет двигаться по своей орбите со скоростью 24 километра в секунду примерно в том же направлении, что и космический корабль. Когда тот достигнет орбиты Марса, его скорость относительно Красной планеты составит только около 3 километра в секунду (так как скорость его движения примерно 27 километров в секунду), и это достаточно медленно, чтобы можно было вывести аппарат на орбиту Марса. К тому времени, когда космический аппарат достигнет Красной планеты, он преодолеет расстояние в тысячу раз больше, чем астронавты миссии «Аполлон», но в среднем примерно в двадцать раз быстрее. Поделив тысячу на двадцать, мы получим время полета от Земли до Марса – 150 дней, в пятьдесят раз больше, чем трехдневное путешествие астронавтов миссии «Аполлон». Это и есть грубая оценка времени полета только в сторону Марса с использованием технологий реактивного движения эпохи программы «Аполлон», которые совпадают с современными. И это вполне хорошая оценка. Хотя на самом деле перелет по траектории Гомана занимает 258 дней. Сократить путешествие до 150 дней возможно, только если использовать дополнительное топливо.

Но добраться до Марса – это полдела, еще нужно вернуться назад. Земля и Марс находятся в непрерывном движении вокруг Солнца, и поскольку они движутся с разными скоростями, то постоянно смещаются друг относительно друга. Поскольку для запуска и возвращения миссии подходят только конкретные взаимные положения Земли и Марса, выбранная траектория не только определяет, как долго вам придется путешествовать, она также задает время, когда можно стартовать с планеты. Это сильно усложняет формирование плана миссии, но в итоге, по сути, у нас остается два варианта пилотируемой миссии на Марс, которая предусматривает возвращение на Землю. Эти два варианта известны как миссии класса соединений и противостояний. Типичные параметры обоих типов миссий приведены в табл. 4.1.

Одним из примеров миссии в соединении будет «миссия с минимальными затратами энергии», которая реализуется двумя маневрами Гомана между Землей и Марсом. Такая миссия будет самой дешевой, но в один конец придется лететь 258 дней. Этот вариант подходит для груза, но, если на Марс полетят люди, желательно ускорить процесс. Оказывается, что для сокращения времени полета до 180 дней при старте в период соединения Земли и Марса понадобится не слишком много дополнительного топлива, именно этот вариант мы предлагаем для миссии «Марс Директ». Тем не менее, если принять такой план полета, придется задержаться на поверхности Марса на 550 дней, пока не откроется стартовое окно для возвращения на Землю. То есть общая продолжительность миссии составит около 910 дней.

Таблица 4.1. Продолжительность полета и пребывания на Марсе

Первая половина миссии в противостоянии – полет с Земли на Марс – осуществляется таким же образом, как в случае миссии в соединении. Но обратный путь будет радикально отличаться. По дороге домой придется потратить топливо для старта с Марса, но не для непосредственного возвращения на Землю, а для выхода в межпланетное пространство. Затем придется обогнуть Венеру, производя гравитационный маневр, который благодаря эффекту пращи поможет набрать скорость для полета к Земле. Такой способ позволит астронавтам поймать стартовое окно для возвращения на Землю вскоре после прибытия на Марс. И хотя на обратный путь потребуется значительно больше времени, чем на маневр Гомана, миссия в противостоянии займет всего приблизительно 600 дней.

Разработчики миссии НАСА «90-дневный отчет» делали ставку на запуск в период противостояния, потому что хотели минимизировать общую продолжительность полета. Другие следовали их примеру, полагая, что противостояние – единственное удобное время для полетов на Марс. Но есть ли смысл у такого подхода? В рамках миссии в противостоянии к реактивным двигателям предъявляются значительно более строгие требования: например, изменение скорости на 7,8 километра в секунду, чтобы ускорить или замедлить космический корабль. Для миссии в соединении это значение составляет всего 6,0 километра в секунду. (ΔV – это изменение скорости, необходимое для перемещения космического корабля с одной орбиты на другую.) Если использовать для вывода корабля с опорной марсианской орбиты на ведущую к Земле траекторию хранящееся в космосе топливо, стартовая масса будет примерно вдвое больше, чем для миссии в соединении. Однако на самом деле все еще сложнее. Требования на ΔV, приведенные в табл. 4.1, относятся только к ускоряющему маневру отправки с НОО Земли и с высокоэллиптической орбиты Марса. Предполагается, что космический аппарат способен произвести торможение на земной или марсианской орбите. Но космический корабль для миссии в противостоянии может оказаться настолько массивным, что торможение в атмосфере будет трудновыполнимо или вообще невозможно. Если это так, для замедления придется использовать ракетные двигатели, что увеличит ΔV для всей миссии, а это приведет к увеличению массы аппаратов и стоимости. Так мы приходим к выводу, что миссия в противостоянии практически невозможна до тех пор, пока не ловится ЯРД, у которого скорость истечения вдвое выше, чем у химического реактивного двигателя, или что-то лучшее. (По этой причине миссии в противостоянии поддерживают некоторые сторонники разработки ЯРД.)

Но для чего нам уменьшать длительность миссии? Обычно называют классические причины: важно минимизировать воздействие на экипаж невесомости и различных типов космического излучения. В рамках миссии в противостоянии экипажу действительно гораздо дольше придется находиться в невесомости, так как почти все время полета люди проведут в межпланетном пространстве. Кроме того, доза радиации, полученная за единицу времени в межпланетном пространстве, примерно в четыре раза выше, чем на Марсе, где атмосфера и вещество поверхности обеспечивают существенную защиту (даже если не принимать дополнительные меры, такие как укрепление мешков с песком на крыше жилого модуля). Следовательно, доза радиации, полученная экипажем в миссии в противостоянии, скорее всего будет немного больше, чем во время миссии в соединении.

Несмотря на все сомнения по поводу радиации в полете на Марс, нужно понимать, что дозы, приведенные в табл. 4.1, особой угрозы не представляют. Если вдуматься, каждые 60 бэр радиации, полученные за длительный период времени, такой как многолетнее путешествие на Марс и назад, добавляют 1 % риска заболеть смертельной формой рака в будущем для женщины тридцати пяти лет, в то время как для тридцатипятилетнего мужчины аналогичная (по последствиям) доза составляет 80 бэр. Радиация – это не самый опасный фактор в пилотируемой марсианской миссии.

Таким образом, преимущества миссии в противостоянии иллюзорны, а вот недостатки реальны. Требования к реактивным двигателям для миссии в противостоянии возрастают, увеличивая массу аппарата и, следовательно, стоимость миссии. Сборка оборудования при такой огромной массе должна производиться на орбите, где невозможен полноценный контроль качества. Кроме того, масштабность и сложность такой сборки растут, тем самым увеличивая риск ошибок. Но и это еще не все. Для миссии в противостоянии потребуется больше топлива, чем для какой-либо другой, значит, двигатели будут работать дольше, что увеличивает риск их отказа из-за изношенности. Также растет время полета в один конец, значит, требуются более надежные системы жизнеобеспечения корабля (для миссии в соединении они должны гарантированно работать только 180 дней подряд; для миссии в противостоянии этот срок составляет 430 дней). Система жизнеобеспечения миссии в противостоянии также должна выдерживать перепады внешней температуры, вызванные тем, что по пути от Марса к Земле корабль пролетает мимо Венеры, где Солнце греет вдвое сильнее, чем у Земли. (Вот почему некоторые разработчики миссии в противостоянии говорят об этом маневре не «пролететь мимо Венеры», а «прожариться у Венеры».[20]) Наконец, когда корабль достигнет Земли, он войдет в атмосферу Земли намного жестче, чем более легкий космический аппарат для миссии в соединении. Возрастают силы, действующие на спускающийся корабль и экипаж при замедлении, а также увеличивается риск того, что в случае неудачного входа в атмосферу космический аппарат либо сгорит, либо оттолкнется от атмосферы, оставив экипаж в бездействии в межпланетном пространстве.

Но даже на фоне всех этих изъянов один недостаток выглядит особенно огромным и абсурдным: миссия в противостоянии даст практически нулевой результат. После шести месяцев пути длиной в 400 миллионов километров космический аппарат и экипаж проведут на Марсе всего тридцать дней. Проведя всего лишь месяц на орбите Марса, экипаж может надеяться в лучшем случае пробыть на поверхности две недели перед возвращением на Землю. А если погода на Марсе будет плохой, астронавты могут вообще не начать высадку. Вся миссия может оказаться бесполезной (вспомните, что «Маринер-9» после прибытия к Марсу вынужден был четыре месяца пережидать пылевую бурю). Я сравниваю план миссии в противостоянии с семейной рождественской поездкой на Гавайи: десять дней придется провести в пути, перелетая из одного аэропорта в другой, и еще половину дня – на пляже, если повезет с погодой. Проще говоря, план миссии в противостоянии – это просто глупая затея. Он донельзя увеличивает затраты и риск и сводит к минимуму научную результативность. Этот вариант поддерживают лишь те, кто хотел бы представить пилотируемый полет на Марс как несбыточную мечту, или те, кто пытается усложнить миссию в надежде получить финансирование для разработки новых реактивных двигательных систем. Те, кто действительно хочет достичь Марса, вообще не рассматривают всерьез миссии в противостоянии.

А вот миссии в соединении дают нам куда больше простора для выбора наиболее разумного варианта. План минимальных энергозатрат – самый дешевый, но план быстрого полета приводит к большей результативности, так как большая часть общего времени миссии будет потрачена на исследование Марса, а меньшая – на дорогу. Полет на Марс по короткой траектории в соединении резко уменьшает время, проведенное экипажем в невесомости, тем самым урезая возможные дозы радиации, и сводит к минимуму требования к надежности системы жизнеобеспечения на корабле. При этом, поскольку не предполагается, что миссия с минимальными энергозатратами, будет быстрой, корабль для нее можно сделать более тяжелым, с большим количеством резервных версий для различных критически важных для миссии систем: двигательной, управления и жизнеобеспечения. И если космический корабль для миссии с минимальными энергозатратами должен быть более надежным, чем для быстрой миссии, то сделать его таким поможет запас массы. (Космический корабль для миссии в противостоянии, который должен быть самым надежным, будет иметь наименьший запас массы, чтобы обеспечить надежность подсистем корабля и возможность их резервного дублирования.)

В данном случае нужно найти разумный компромисс между скоростью космического аппарата и возможностью резервного дублирования его ключевых систем. Но есть и дополнительное соображение. При определенных скоростях старта можно полететь на Марс по траектории, которая доставит корабль прямо назад, на Землю, если экипаж решит не лететь (или по какой-то причине не сможет лететь) вперед, чтобы выполнить маневр орбитального захвата на Марсе. Такие траектории известны как траектории свободного возвращения. Если система реактивных двигателей корабля полностью выйдет из строя во время полета с Земли на Марс или если миссию необходимо будет прервать по любой другой причине, то движение по таким траекториям позволит экипажу благополучно вернуться домой точно так же, как произошло в почти катастрофической миссии «Аполлон-13», где использовали траекторию свободного возвращения, чтобы добраться до Луны. Безопасность вылета к Марсу по такой траектории настолько очевидна, что вряд ли стоит рассматривать траектории несвободного возвращения для участка пути Марс – Земля, которые помогут в лучшем случае сэкономить тридцать дней. В таблице 4.2 мы перечисляем характеристики траекторий свободного возвращения для Марса. При скорости старта 3,34 километра в секунду и почти минимальной энергии (вариант А) полет до Марса занимает 250 дней, а полет с Марса на Землю займет три года (то есть два полуторагодичных орбитальных периода), что отлично подходит для грузового рейса, но не слишком хорошо – для пилотируемого полета. При скорости старта 5,08 километра в секунду (вариант В) сокращается транзит до Марса до 180 дней, а время полета по траектории свободного возвращения – до двух лет. Это явно лучший вариант для пилотируемой миссии. Во-первых, полет на Марс по траекториям свободного возвращения (варианты С и D) с большими затратами энергии приведет к гораздо большим затратам ракетного топлива в обмен на небольшое уменьшение времени полета. Во-вторых, облетать Марс придется делая большую петлю, а это приведет к тому, что экипаж потратит больше времени, чтобы добраться до дома, если придется, прибегнуть к свободному возвращению. В дополнение к этому высокоэнергетические варианты приведут к тому, что скорость аппарата при входе в марсианскую атмосферу будет слишком велика для безопасного торможения.

Возможность обеспечить свободное возвращение на Землю не является ключевым фактором в выборе траектории полета с Марса на Землю. Тем не менее уменьшение времени полета снижает шансы вернуться, если скорость старта превышает 4 километра в секунду. Чтобы двигаться намного быстрее, пришлось бы просто отказаться от части полезной нагрузки корабля и, таким образом, от критически важной дублированности его систем, при этом время полета снизилось бы почти незначительно.

Итак, мы выяснили, что наиболее удобными траекториями между Землей и Марсом во время пилотируемой марсианской миссии являются те, которые позволяют покинуть Землю со стартовой скоростью 5 километров в секунду (и не более) и покинуть Марс со стартовой скоростью около 4 километра в секунду. Для беспилотной грузовой миссии наиболее удобными будут траектории Гомана или вариант А с близкими к минимальным затратами энергии и стартовой скоростью 3,3 километра в секунду. И что же в итоге? Все это легко осуществить с использованием современных химических реактивных двигателей. От автора: ΔV, необходимое для миссии, и стартовая скорость миссии связаны, но это не одно и то же. Для интересующихся математические соотношения, связывающие их друг с другом, с удельным импульсом ракеты и массой миссии, приводятся в техническом разделе в конце этой главы.

Таблица 4.2. Траектории свободного возвращения между Землей и Марсом

Кто полетит?

После того как мы определили нашу траекторию, мы должны выбрать экипаж: кто полетит? Сколько всего человек?

Выражение «в тесноте, да не в обиде» отражает общую тенденцию, связанную с численностью экипажа для продолжительной миссии на Марс. Однако, так как размер экипажа определяет массу всех обитаемых модулей, двигательных установок и ракет-носителей, важно сделать его минимальным. К тому же, сколько резервных систем и вариантов прерывания ни включал бы в себя план миссии, мы должны понимать, что отправляем людей в опасную неизвестность. С этой точки зрения, чем меньше их будет на борту первой миссии, тем лучше. Наконец, как бы ни хотелось отправить в длительное путешествие большую группу астронавтов, достаточно изучить историю освоения Земли, чтобы понять: провести длительную экспедицию может один человек, два человека или любое другое число людей.

Тогда вопрос стоит переформулировать: сколько людей действительно необходимо для пилотируемой марсианской миссии? Иными словами, в ком мы действительно нуждаемся? Если миссии суждено провалиться, несомненно, наиболее вероятной причиной неудачи будет отказ одной или более критически важных механических и электрических систем (двигатели, управление, жизнеобеспечение). В таком случае самым важным членом экипажа будет механик, человек, от которого зависят жизни его коллег. Если угодно, можно назвать его бортинженером (он должен быть инженером вроде тех, что работали на старинных железнодорожных локомотивах или пароходах), но миссии нужен высококлассный механик, способный распознать проблемы до их возникновения и исправить все, что может быть исправлено. Эта работа настолько важна, что, несмотря на все ограничения, я бы порекомендовал взять двоих людей, способных ее выполнять.

Следующая наиболее важная для миссии роль – это обязанности ученого, работающего в полевых условиях. Помните, что исследования Марса являются сутью и смыслом пилотируемой миссии к Красной планете. Следующие по важности работники после тех, кто обеспечит путь на Марс и возвращение домой, – те, без кого не достичь исследовательских целей миссии. Поскольку нулевой научный результат будет фактически означать провал миссии, я снова рекомендую взять двоих ученых. Одного геолога – он займется разведыванием ресурсов и изучением геологической истории Марса, и одного биолога, который сосредоточится на особенностях Марса, способных прояснить вопрос о жизни на планете. Биолог также будет проводить эксперименты, чтобы определить химическую и биологическую токсичность марсианских веществ для земных растений и животных, а также пригодность местных почв для тепличных сельскохозяйственных работ.

Вот, собственно, и все. Если экипаж состоит из двух механиков и двух «ученых-полевиков», есть возможность разделить его на две группы, в которых никто не останется в одиночестве (один будет выезжать в поле на ровере, скажем, в то время, как другие остаются в базовом лагере). В этом случае всегда найдется кому починить неисправное оборудование и кому сделать научную работу. В людях, которые выполняют только особые функции, такие как «командир миссии», «пилот» или «доктор», нет необходимости. Разумеется, в экипаже миссии будет нужен кто-то, выполняющий обязанности командира, и человек, который может быть его заместителем, потому что в опасных ситуациях необходим человек, способный быстро принимать решения за всех, чтобы не устраивать голосования и обсуждения. Но для человека, который занят исключительно контролем над работой других, места нет. Аналогичным образом, на борту не должно быть человека, который отвечает только за пилотирование. Космический аппарат сможет совершить посадку в полностью автоматическом режиме, и навыки пилотирования окажутся полезны, разве что если вдруг откажет запасная система автоматизированного управления полетом – а это всего несколько минут за два с половиной года проведения миссии. Но в крайнем случае один или несколько членов экипажа могут пройти дополнительную подготовку – гораздо проще обучить пилотированию геолога, чем обучить пилота геологии. Наконец, врача на корабле не будет как такового. Великий норвежский исследователь Руаль Амундсен всегда отказывался брать врачей в свои экспедиции, заметив, что их присутствие пагубно сказывалось на моральном состоянии коллектива и что с подавляющим большинством медицинских проблем, которые возникают в экспедициях, опытные путешественники могут справиться сами. И если говорить честно, отбросив официоз, почти все космонавты ненавидят космических врачей. Вы бы на их месте тоже ненавидели: просто представьте, что во время выполнения тяжелой работы кто-то постоянно тычет в вас иголками, прикрепляет провода и ставит градусники. Всех членов экипажа обучат оказанию первой помощи, на борту работой терапевта займутся экспертные системы, а также можно будет получить медицинскую консультацию с Земли для диагностики легко излечимых заболеваний (ушных инфекций и тому подобного). Достаточно, чтобы среди членов экипажа был человек с опытом работы терапевтом или подготовкой фельдшера, а на борту имелся фельдшерский набор и запас антибиотиков широкого спектра действия. На роль такого человека, разумеется, хорошо подошел бы биолог. А вот иметь на борту первоклассного врача, который будет проводить свое время, читая медицинские статьи и оттачивая навыки по практической хирургии с использованием шлема виртуальной реальности, или хуже, мотая нервы коллегам углубленными обследованиями, – явное излишество.

Подводя итог в духе «Звездного пути», в пилотируемой миссии на Марс нужны два Скотти и два Спока. Капитан Кирк, Суду или Маккой не нужны, и что еще более важно, не придется обеспечивать их спальными местами и едой.

Мы можем достичь целей миссии с экипажем из четырех человек.

Прямой запуск

Все межпланетные миссии, проводившиеся до сих пор, осуществлялись «напрямую» – ракета-носитель поднимает космический корабль на НОО, а затем с помощью своей верхней ступени выводит его на траекторию к планете назначения. Так миссии «Маринер» и «Викинг» достигли Марса, так же корабли программы «Аполлон» достигли Луны. Но ни одна миссия не была отправлена за пределы НОО, чтобы поднять полезную нагрузку на обращающийся вокруг Земли космодром, с которого бы все это перенесли на свежезаправленный межпланетный лайнер, только что вернувшийся с Сатурна. Еще ни одна миссия за пределами НОО не выполнялась межпланетным кораблем, построенным в космосе. Из-за того что полет на Марс ассоциируется с такими футуристическими идеями, в умах множества людей пилотируемые исследования Красной планеты остаются чем-то из мира Будущего. Но если бы пилотируемый полет на Марс был бы осуществим путем прямого запуска, тогда мы могли бы это сделать. Если избавиться от космических лайнеров и космопортов, то полет человека на Марс перемещается из параллельной вселенной Будущего в нашу Вселенную. Если мы сможем осуществить прямой запуск, то 90 % того, что нам нужно для отправки людей на Марс, доступно уже сейчас.

Мы выбрали траекторию и размер экипажа. А сможет реально существующая тяжелая ракета-носитель не более чем за два последовательных запуска в рамках каждой миссии доставить на Марс все необходимое для четырех человек в соответствии с планом полета, который мы выбрали? Давайте посмотрим.

Ничего фантастического в тяжелых ракетах-носителях нет – США построили и эксплуатировали одну такую сорок пять лет назад. Ракета-носитель «Сатурн-5», которая отправила астронавтов программы «Аполлон» на Луну, была введена в эксплуатацию в 1967 году после пяти лет, потраченных на разработку и прослужила без отказов восемь лет до 1975 года, когда последняя рабочая ракета запустила американский модуль в рамках миссии «Союз – Аполлон». «Сатурн-5» мог поднять на НОО 140 тонн. Если мы хотим получить эквивалентную грузоподъемность сегодня, то надежным способом сделать это с «защитой от дурака» было бы повторное проектирование деталей и начало повторного производства «Сатурн-5». Однако есть и другие способы. Например, используя детали шаттла, можно произвести ТРН того же класса. Для этого нужно добавить блок из четырех главных двигателей шаттла (ГДШ) к нижней части внешнего топливного бака шаттла (ВБ), прикрепить два твердотопливных ракетных двигателя (ТРД) шаттла с какой-либо из сторон ВБ и разместить на вершине ВБ верхнюю ступень, работающую на смеси водорода и кислорода. Мы получим конструкцию ракеты-носителя «Арес», созданной Дэвидом Бейкером для миссии «Марс Директ». В зависимости от силы тяги, которую развивает двигатель верхней ступени, «Арес» может доставить на НОО от 121 тонны (при силе тяги в 250000 фунтов) до 135 тонн (при силе тяги в 500 000 фунтов). В России в 1980–1990-е годы существовала ТРН «Энергия», которую тоже нетрудно воссоздать. Продемонстрированная модель могла поднять на НОО только 100 тонн, но усовершенствованная конструкция, «Энергия-В», могла бы похвастаться грузоподъемностью в 200 тонн. За короткое время существования НИК НАСА разработало десятки проектов ТРН различных сортов с грузоподъемностью от 80 до 250 тонн. Проще говоря, если Соединенным Штатам нужна ТРН, то она обязательно будет.

Если на бумаге можно создать ракету-носитель любого желаемого размера, то в реальности все иначе. Были разработаны некоторые сверхТРН с грузоподъемностью в тысячу тонн (на НОО). Звучит великолепно, но старте такая ракета не оставила бы от Орландо (или по крайней мере от Космического центра имени Кеннеди) камня на камне. Поэтому давайте будем предельно осторожны в оценках и предположим, что Соединенные Штаты – современные – могут построить ТРН с грузоподъемностью не больше той, которой удалось добиться в 1960 году. Давайте ограничим грузоподъемность нашей ракеты 140 тоннами (на НОО) по аналогии с «Сатурн-5». Будет ли такой вариант достаточно надежен для прямого запуска «Марс Директ»?

Часть ответа на этот вопрос дана в табл. 4.3, где показано количество полезного груза, который будет доставлен на поверхность Марса одной ракетой-носителем, способной отправить на НОО 140 тонн, при условии что аппарат произведет маневр аэрозахвата в атмосфере Марса. Таблица дает информацию как для грузовых, так и для пилотируемых траекторий на участке Марс – Земля, а также для разных вариантов третьей ступени: для современного химического двигателя, работающего на смеси водорода и кислорода, с удельным импульсом 450 секунд, либо для ядерного ракетного двигателя, который будет разработан довольно скоро, с удельным импульсом 900 секунд.

Таблица 4.3. Доставка полезного груза на поверхность Марса с помощью ракеты-носителя тяжелого класса, способной вывести на НОО 140 тонн

Приведенные в табл. 4.3 показатели грузоподъемности рассчитаны исходя из предположения, что для выхода космического корабля в орбиту Марса используется атмосферное торможение. Это самый оптимальный способ выполнить орбитальный захват в миссии «Марс Директ», потому что вся полезная нагрузка предназначена для марсианской поверхности и поэтому в любом случае должна быть защищена обтекателем. Используя захват в атмосфере для проведения тормозного маневра, мы без усилий уменьшим используемую для разгона ΔV. Если бы вместо этого для торможения пришлось использовать ракетный двигатель, на поверхность Марса удалось бы доставить примерно на 25 % меньше груза. Если бы мы строили миссию согласно планам «90-дневного отчета» НАСА, использование атмосферы для тормозного маневра вызвало бы много технических трудностей. Торможение в атмосфере огромного звездного крейсера «Галактика» потребовало бы огромного обтекателя, который мог бы быть построен только на орбите, а это, как я уже отметил, безнадежная затея. Более того, для траекторий класса противостояния, используемых в «90-дневном отчете», предполагался действительно жесткий вход в марсианскую атмосферу, что увеличивало бы тепловую и механическую нагрузку на обтекатель. «Марс Директ» использует менее затратные по энергии траектории из класса соединения, для которых скорости входа более низкие и, следовательно, более низкие темпы нагревания, что приводит к значительному уменьшению сил аэродинамического торможения. Кроме того, космические аппараты, которые необходимо тормозить по сценарию «Марс Директ», относительно невелики, так что обтекатели для их защиты легко поместятся внутри головного обтекателя ракеты-носителя. Это может быть сделано одним из двух способов: либо с помощью растяжимого тканевого купола в форме зонтика, который складывается вокруг нижней части груза, как в оригинальном варианте «Марс Директ», либо заменой обтекателя ракеты-носителя жесткой, пулеобразной оболочкой, которая надевается на груз сверху. Оба варианта осуществимы, и в рамках миссии «Марс Директ» любой из них можно будет запускать сразу без необходимости сборки на орбите. Кроме того, требования к наведению, навигации и управлению при аэродинамическом торможении для корабля миссии «Марс Директ» ниже, чем в планах, предполагающих рандеву на орбите Марса, потому что по большому счету не важно, на какую именно орбиту аппарат попадает после захвата (после посадки данные об орбите будут стерты), до тех пор пока ее наклонение находится в пределах широких допусков, при которых есть доступ к назначенному месту посадки.

Для доставки полезной нагрузки мы также можем использовать принцип прямого входа. Как и при маневре аэродинамического торможения, полезная нагрузка замедляется при спуске не с помощью ракетного двигателя, а благодаря тому что атмосфера планеты оказывает аэродинамическое сопротивление ее движению. Однако между этими двумя подходами есть разница. При использовании маневра аэродинамического торможения космический корабль погружается в атмосферу планеты ровно настолько, чтобы замедлиться, а затем вновь выйти на нужную орбиту. В случае прямого входа космический корабль погружается глубоко в атмосферу, пока не погасит свою скорость, а затем переходит непосредственно к посадке. Аэродинамический захват считается лучшим вариантом для пилотируемой марсианской миссии потому, что в случае плохой погоды он позволяет экипажу при необходимости дождаться благоприятных условий для посадки на орбите. При прямом входе аппарат вынужден произвести посадку сразу после входа в атмосферу Марса. Тем не менее прямой вход был успешно использован при посадке на Марсе миссий «Пасфайндер», «Спирит», «Оппортьюнити» и «Феникс». Таким образом, накопился опыт, который может подтолкнуть разработчиков пилотируемой миссии на Марс также использовать этот маневр.

Однако в первую очередь важна полезная нагрузка, которую мы доставим на поверхность планеты. Если будут использованы химические двигатели, тогда беспилотная грузовая ракета-носитель, выводящая на НОО 140 тонн, может доставить на поверхность Марса 28,6 тонны, в то время как при самом быстром пилотируемом полете можно доставить на Марс 25,2 тонны. Реально ли разработать план пилотируемой миссии, уложившись в эти пределы массы? Если нельзя, мы всегда можем спроектировать более крупную ракету-носитель или наконец разработать ЯРД. Но давайте посмотрим, сумеем ли мы разработать миссию, имея в распоряжении только «Сатурн-5» и химические реактивные двигатели. Если у нас получится, то более продвинутые технологии или возможности двигательных установок и связанные с ними выгоды станут вишенкой на торте.

Продовольствие для экипажа

Достаточно ли нам имеющейся грузоподъемности? Что ж, давайте разберемся, какое продовольствие понадобится для миссии. В таблице 4.4 мы видим, какие продукты потребуются каждому члену экипажа ежедневно на каждом этапе миссии, а также их общее количество, необходимое для питания четверых астронавтов в каждом из двух жилых модулей, хабе (в котором экипаж будет жить во время полета с Земли на Марс и во время пребывания на поверхности Марса) и кабине ВЗА. Числа, приведенные в столбце «Необходимость/человек-день», являются стандартами НАСА (достаточно мягкими в отношении количества непитьевой воды, как вы можете заметить). Однако я заменил 0,13 кг/день обезвоженной пищи на 1 кг/день цельной пищи. Такая смешанная диета лучше повлияет на настрой экипажа во время длинной миссии, чем только обезвоженная пища, а стоимость миссии вырастет очень незначительно, так как влага, содержащаяся в цельных продуктах питания, послужит для восполнения потерь в системе рециркуляции питьевой воды. Для системы жизнеобеспечения экипажа предполагается довольно низкий КПД с физической и химической точки зрения, поскольку перерабатывает по 80 % кислорода и питьевой воды и 90 % технической воды (качество которой может быть более низким). Это намного проще и экономичнее, чем футуристические системы, основанные на экологии замкнутого пространства, где в теории пища, кислород и вода должны перерабатываться на 100 %.

Если вы умеете читать между строк, в табл. 4.4 вы сразу же обратите внимание на огромные преимущества, которые дают нам марсианские ресурсы. ВЗА будут производить не только горючее, но и большое количество воды и кислорода. Без маленького топливного завода на ВЗА нам пришлось бы доставить вместе с хабом дополнительные 7 тонн продовольствия. Получившиеся 14 тонн было бы очень трудно уместить, так как мы можем доставить на Марс только 25-тонный обитаемый модуль. Девять тонн воды, которые производятся каждым ВЗА, даже превышают требования НАСА, что должно хорошо сказаться на моральном состоянии тяжелоработающего экипажа на пустынной планете. По этим причинам в табл. 4.4 не упоминается доставка с Земли кислорода или воды. Мы также видим, что каждый хаб летит к Марсу с запасами пищи, рассчитанными на 800-дневную миссию, что дает более чем достаточное количество провизии для двухлетнего полета по траектории свободного возвращения, если высадку на Марс отменят. В этом случае экипаж в хабе будет вынужден эксплуатировать 5 тонн метаново-кислородного топлива из двигательной ступени, используемой при посадке на Марс, чтобы обеспечить себя дополнительными водой и кислородом (они не пригодятся в качестве топлива, если использовать траекторию свободного возвращения и затем маневр аэродинамического торможения в атмосфере Земли), и уменьшить использование непитьевой воды до 40 % от номинального уровня стандарта НАСА. Такие неудобства плохо повлияют на настрой экипажа, но их можно перетерпеть и выжить, а это единственное, что важно в случае аварийного прерывания миссии. Кроме того, в табл. 4.4 не показаны потери питьевой воды, потому что питьевая вода, потерянная из-за неэффективной рециркуляции, компенсируется водой, добавляемой к системе из цельной пищи.

Таблица 4.4. Требования по потреблению продовольствия для экипажа из четырех человек миссии «Марс Директ»

С учетом этих продовольственных требований можно назначить распределение массы для кабины ВЗА и хаба, оно представлено в табл. 4.5.

Таблица 4.5. Распределение массы для плана миссии «Марс Директ»

6,3 тонны водородного сырья из запаса полезной нагрузки ВЗА, показанного выше, после посадки будут преобразованы в 94 тонны метаново-кислородного топлива и 9 тонн воды. 82 тонны ракетного топлива из произведенных 94 тонн будут использованы для ракетных двигателей ВЗА, чтобы вернуть экипаж на Землю, а 12 тонн пойдут на заправку марсианских роверов с двигателями внутреннего сгорания. Если подсчитать только запасы воды и 12 тонн топлива для роверов и добавить их к массе других частей полезной нагрузки ВЗА, которые пригодятся на поверхности Марса (это кабина ВЗА с ее системами энергоснабжения и жизнеобеспечения, энергетический реактор, скафандры для внекорабельной деятельности (ВКД), легкий грузовик и т. д.), мы получим, что каждый ВЗА сможет доставить на поверхность Марса 36,5 тонны полезного груза. В распоряжении экипажа первой миссии будут два ВЗА (один доставят заранее для производства ракетного топлива, другой, резервный, запустят в тандеме с экипажем) и один хаб (который доставит на поверхность 24,7 тонны полезной нагрузки). В сумме это дает 97,7 тонны полезной нагрузки, которой экипаж будет пользоваться на поверхности Марса, – примерно в четыре раза больше, чем предполагалось в «90-дневном отчете» НАСА (начальная масса этой миссии более чем в два раза превышала бы массу нашей миссии). Полезная нагрузка, доступная экипажу на поверхности Марса, включает четыре герметизированных помещения, предназначенных для поддержания жизни: обитаемый модуль, два ВЗА и один ровер. То есть на случай перебоев в работе главной системы жизнеобеспечения хаба у экипажа останется несколько убежищ. Кроме того, у астронавтов будут 12 скафандров для ВКД, пять самоходных транспортных средств (герметизированный ровер, два открытых ровера и два легких грузовика), пять основных источников питания (два ядерных реактора на 80 кВт, три солнечные энергетические системы на 5 кВт каждая в обитаемом модуле и два ВЗА), пять резервных источников питания (двигатели на каждом из самоходных транспортных средств можно использовать, чтобы включить генератор), тонна полевого и лабораторного научного оборудования, 14 тонн продовольствия с Земли плюс 18 тонн произведенной на Марсе воды и 24 тонны топлива для роверов, два миниатюрных химических топливных завода, каждый из которых способен произвести из марсианского атмосферного углекислого газа примерно в пятьдесят раз больше кислорода, чем требуется экипажу для поддержания жизни. Поэтому предлагаемый план следует рассматривать как очень надежный. Но можно сделать его еще надежнее, воспользовавшись первым стартовым окном, чтобы отправить полностью укомплектованный хаб с продовольствием, но без экипажа, вместе с первым ВЗА на первое место посадки (то есть расписание программы запуска будет таким: два рейса ТРН каждые два года, начиная с первого). В этом случае астронавтам на Марсе будут доступны шесть обитаемых помещений, включая два полностью укомплектованных хаба, две полностью укомплектованные кабины ВЗА, плюс… Я надеюсь, вы уловили суть. Нам еще не доводилось исследовать какое-либо небесное тело, имея уровень резервной избыточности, хотя бы отдаленно приближающийся к этому. И все это мы сделали, используя технологии 1960-х годов – химические реактивные двигатели «Сатурна-5» – и не прибегая ни на одном из этапов миссии к орбитальной инфраструктуре, сборке, погрузке на орбите или орбитальному рандеву любого типа.

Таким образом мы можем почти неограниченно и с пользой для дела накапливать избыточную надежность лагеря на поверхности Марса – по сравнению с тем, с чем имеет дело экипаж в полете. И это еще одна причина, по которой проектировщики марсианской миссии должны попытаться максимально увеличить время, проводимое экипажем на поверхности, и свести к минимуму продолжительность пути. Все полезные наработки миссии можно накапливать и применять после высадки. Если это будет сделано, то поверхность Марса станет вторым по безопасности местом в Солнечной системе.

Перестраховка или прекращение миссии?

В прошлом многие марсианские миссии были построены вокруг следующего сценария: за несколько дней до прибытия или, возможно, во время прибытия на Марс экипаж понимает, что экспедицию необходимо прервать. Важно не то, в чем причина, а то, как это сделать. Как астронавтам достичь убежища? Что ж, очевидно, они должны вернуться на Землю и, хотя они планировали долго пробыть на поверхности в рамках миссии в соединении, к счастью, они взяли с собой достаточно топлива для быстрого возвращения на Землю по траектории из класса противостояния. Они могут направиться с Марса к Земле, включив двигатели и осуществив пролет мимо Венеры. Экипажу не нужно ждать, когда откроется стартовое окно для выхода на траекторию Гомана, да и кто стал бы так поступать в чрезвычайной ситуации? Но давайте все же подумаем об этом. Часть расходов на планирование идет на разработку опций прерывания миссии, а это непростая задача. Во-первых, такие миссии требуют дополнительной полезной нагрузки, необходимой как для длительного пребывания на поверхности Марса, так и для длительного полета на Землю. Во-вторых, необходимо дополнительное топливо, чтобы отправить весь груз на очень затратную по энергии траекторию для противостояния. Трудно представить себе более дорогостоящий подход к проектированию миссии. Более того, если прерывание не понадобится, доставка всего дополнительного груза будет напрасной. Кроме того, возвращение по траектории для противостояния обрекает экипаж на непрерывное воздействие больших доз космической радиации (и, вероятно, невесомости) на протяжении полутора лет, солнечного излучения во время пролета через внутреннюю часть Солнечной системы и на очень высокие перегрузки при посадке на Землю. В общем, такое возвращение станет тяжелым испытанием для экипажа, и даже если он выживет, миссия будет полностью бесполезной с научной точки зрения.

В конечном итоге планы такого рода мало увеличивают эффективность миссий, но значительно увеличивают их массу и стоимость. К счастью, мы сможем решить, что делать в случае чрезвычайной ситуации, задав один основной вопрос: должна ли Земля быть единственным убежищем? Ответ: однозначное «нет». Вовсе не обязательно строить все планы прерывания миссии вокруг возвращения на Землю. Правильная стратегия – заранее создать убежище на поверхности Марса и в случае необходимости прекращать миссию, эвакуируя астронавтов туда. Экипаж, летящий на Марс, сможет добраться до такого убежища гораздо быстрее, чем до Земли, а значит, мы гораздо надежней обеспечим безопасность для астронавтов. В этом случае основной вариант прерывания миссии не нарушает план ее первой части, не налагает никаких ограничений по массе, а его активация по-прежнему позволяет миссии осуществиться. Есть и вторичные варианты прекращения миссии, которые не связаны с выполнением научных задач, но миссия не разрабатывается вокруг этих вариантов. Иными словами, вместо того чтобы строить миссию, основываясь на ее возможной отмене, мы готовим список резервных планов. Так решаются проблемы в «Марс Директ».

Давайте рассмотрим миссию с НОО, чтобы понять, какие возможности для экстренного прерывания или резервные планы доступны экипажу. Первым крупным событием миссии является запуск двигателя, который выведет корабль на траекторию по направлению к Марсу. Общая ΔV для выполнения этого маневра равняется 4,3 километра в секунду, корабль будет выведен на быструю траекторию для соединения с возможностью свободного возвращения за два года, экипаж долетит на Марс за 180 дней или около того. Тем не менее ΔV= 3,7 километра в секунду вполне достаточно, чтобы отправить астронавтов на Марс по 250-дневной траектории с минимальными затратами энергии. Поэтому, если двигатель удастся запустить по крайней мере при ΔV= 3,7 километра в секунду, экипаж будет отправлен на Марс, чтобы выполнить задачи миссии. Если двигательная установка на этапе отправки корабля на траекторию в сторону Марса не сможет обеспечить ΔV=3,3 километра в секунду – такая ΔV требуется, чтобы улететь из поля притяжения Земли, – космический аппарат останется на эллиптической околоземной орбите. В этом случае экипаж будет использовать собственную двигательную систему хаба, чтобы аккуратно сместить перигей (самую близкую к Земле точку) орбиты корабля вниз, в самые верхние слои земной атмосферы. После ряда витков удастся снизить апогей (самую далекую от Земли точку) орбиты до высот, куда может добраться многоцелевой пилотируемый корабль «Орион» (такие медленные маневры с применением аэродинамического торможения в атмосфере для смещения апогея были успешно предприняты кораблями «Магеллан» на Венере в 1994 году, «Марс Глобал Сервейор» на Марсе в 1997 году и всеми последующими марсианскими орбитальными аппаратами). Затем небольшой толчок от двигателей обитаемого модуля поднимет перигей орбиты аппарата за атмосферу Земли, делая орбиту круговой и стабилизируя ее. После этого экипаж можно вернуть на Землю (хотя спешки нет, припасов на борту хватит почти на три года). Если двигательная система, выводящая аппарат на траекторию к Марсу, выйдет из строя при ΔV между 3,3 и 3,7 километра в секунду, экипаж может вернуться на околоземную орбиту, используя для тормозного маневра двигательную систему хаба. Для коррекции курса во время полета, системы реактивных маневров на орбите Марса и посадки на Марс хаб может обеспечить ΔV = 0,7 километра в секунду, этого более чем достаточно, чтобы нейтрализовать максимальный избыток ΔV в 0,4 километра в секунду, который способен оставить экипаж бездействовать между Марсом и Землей. Все это, однако, лишь гипотеза. Правильно спроектированный разгонный блок для вывода аппарата на марсианскую траекторию должен содержать несколько двигателей, каждый из которых имеет надежность порядка 0,99. Вероятность того, что сразу два таких двигателя потерпят неудачу, составляет около 1 к 10 000, незначительная часть общего риска миссии.

После того как разгонный блок для вывода корабля на марсианскую траекторию успешно отработал и промежуточная коррекция курса была завершена, хабу предстоит встреча с атмосферой Марса. В течение первых 95 % полета от Земли к Марсу могут быть задействованы несколько вариантов прерывания миссии, в том числе возвращение по свободной траектории и управляемые гравитационные маневры. Однако, когда спускаемый аппарат выходит на траекторию для аэродинамического торможения в атмосфере Марса (как правило, за несколько дней до входа в атмосферу), шансы использовать траекторию свободного возвращения или управляемый гравитационный маневр для возвращения на Землю становится все более незначительными. В какой-то момент, когда до аэродинамического торможения остается от нескольких часов до одного дня, возможность прервать миссию исчезает полностью. Но рано или поздно придется принимать окончательное решение, и не стоит пренебрегать тем фактом, что свободное возвращение возможно в течение первых 175 дней 180-дневного полета. Поскольку во время миссии «Марс Директ» орбитальное рандеву не требуется, точность орбиты захвата не важна до тех пор, пока ее наклон позволяет высадиться в выбранном районе (то есть больше или равен широте желаемого места посадки). Следовательно, после выхода на околомарсианскую орбиту экипаж сможет спуститься на поверхность к форпосту – то есть к первому запущенному ВЗА. Поскольку снижаются требования к точности аэродинамического захвата на орбите, снижаются и требования к точности наведения, навигации и управления, а значит, маневр торможения в атмосфере для миссии «Марс Директ» выглядит наиболее привлекательным. В случае неудачи, если хаб не будет захвачен атмосферой Марса, экипаж может использовать реактивные двигатели посадочного модуля (дающие скорость до 700 метров в секунду), чтобы увеличить эффективность маневра аэродинамического торможения. Теперь экипаж может оказаться не в состоянии спуститься на поверхность в жилом модуле, но корабль уже будет выведен на околомарсианскую орбиту. В распоряжении астронавтов две возможности. Первая: 600 дней остаться на орбите и ждать встречи с одним из ВЗА (самым первым или тем, который следовал за ними на Марс, любой ВЗА можно направить к обитаемому с помощью дистанционного управления), затем пересесть в ВЗА и вернуться на Землю. Во-вторых, астронавты могут подождать всего 90 дней или около того на орбите Марса, пока прилетит ВЗА, который был отправлен вслед за ними, а затем состыковаться с ним до его посадки. У экипажа будет возможность забрать некоторое количество топлива с ВЗА в жилой модуль, тем самым обеспечивая посадку жилого модуля (но жертвуя ВЗА). Или же астронавты переберутся в ВЗА и высадятся на Марс в нем, оставив хаб на орбите. Это можно сделать сразу после стыковки в том случае, если на Марсе уже будет другой жилой модуль. Тогда астронавты продолжат исследования на поверхности планеты, начатые предыдущим экипажем. Если речь идет о первых астронавтах миссии «Марс Директ», то они могут отложить посадку и провести большую часть экспедиции на орбите Марса (где в их распоряжении будут просторные помещения на борту хаба и большой запас продовольствия), а затем осуществить кратковременную высадку на поверхность, используя два ВЗА как базу.

Однако, чтобы в чрезвычайной ситуации найти убежище на поверхности Марса и успешно завершить миссию, туда нужно сначала добраться. По этой причине, выполняя маневр торможения в атмосфере, лучше опуститься в нее слишком глубоко, нежели рисковать вылететь в межпланетное пространство. Так как в миссии «Марс Директ» не требуется выводить корабль на неустойчивую сильно вытянутую эллиптическую орбиту (как принято в традиционных миссиях – поскольку, чтобы покинуть ее, нужно меньше топлива), корабль можно направить на более надежную слегка эллиптическую или круговую орбиту вокруг Марса, с которой почти невозможно сойти. Если корабль войдет в атмосферу слишком глубоко, чтобы оказаться на стабильной орбите, экипаж может просто осуществить посадку хаба. В конце концов, план так или иначе сводится к посадке на поверхность Марса.

То, что рандеву на орбите Марса перед спуском не потребуется, делает миссию гораздо безопаснее, поскольку пропадает необходимость безукоризненно провести маневр торможения в атмосфере, который мог бы закончиться плачевно. Однако в «Марс Директ» мы заменили орбитальное рандеву на «встречу» на поверхности планеты. Как насчет этого? Что ж, давайте разбираться. План «встречи» на поверхности также предусматривает несколько резервных возможностей, призванных обеспечить успех миссии. Прежде всего, ВЗА будет на месте за два года до прибытия экипажа, получая возможность развернуть роботизированные передвижные транспортные средства, чтобы заранее дать исчерпывающую характеристику места встречи, а также поместить ретранслятор в непосредственной близости от наилучшего места посадки. На ВЗА также будет установлен радиомаяк, похожий на систему сигнализации для посадки в аэропорту, что даст экипажу точные данные о положении и скорости при заходе на посадку. Стоит помнить, что оба спускаемых аппарата миссии «Викинг» высадились в пределах 30 километров от предполагаемых мест без активного управления, а пилотируемые лунные спускаемые аппараты миссии «Аполлон» смогли приземлиться в 200 метрах от выбранного места, где находился аппарат «Сервейор». Система наведения с обратной связью и направляющий радиомаяк позволят осуществить посадку в пределах нескольких метров от заданного места. Тем не менее, если посадка будет проведена с ошибкой в десятки и даже сотни километров, «встреча» на поверхность останется благодаря привезенному в жилом модуле роверу, который способен преодолевать расстояния до 1000 километров. Так как экипаж прибыл в полностью оснащенном жилом модуле, а не в маленьком спускаемом аппарате с ограниченным запасом продуктов, астронавты смогут продержаться долго, если высадятся в изолированном месте. На этот случай есть третий и четвертый запасные сценарии. Согласно третьему, если модули окажутся друг от друга на расстоянии, сравнимом с размерами Марса, второй ВЗА, следующий на Марс за пилотируемым хабом (с разницей в несколько месяцев), можно отправить к его посадочной площадке. Четвертый вариант предполагает, что экипаж высадится на Марсе в хабе с достаточным количеством запасов, чтобы прожить на поверхности Марса два года. Если ничего не поможет, астронавты могут просто перетерпеть и дождаться, когда на Земле откроется следующее окно запуска и к ним отправят дополнительное продовольствие и еще один ВЗА.

Поскольку в плане «Марс Директ» для взлета с Марса используется топливо, произведенное на месте, вариант прерывания миссии на этапе спуска в атмосферу Красной планеты не предусмотрен. Если спуск начнется, обратного пути не будет. Тем не менее чрезвычайно сомнительно, что любой посадочный модуль, заправленный для взлета с Марса, действительно сможет успешно подняться на орбиту, отталкиваясь от края плотных слоев атмосферы и трясясь со сверхзвуковыми скоростями. (Такой маневр потребовал бы пролета поднимающегося модуля через сверхзвуковую ударную волну, отходящую от обтекателя, который должен развернуться в атмосфере, чтобы перевести двигатели из режима замедления в режим ускорения!) В обмен на отказ от иллюзорной надежды прервать миссию во время спуска к Марсу (находясь в полностью заправленном взлетном модуле, экипаж традиционной миссии, конечно, предпочел бы иметь такой вариант про запас) экипаж «Марс Директ» получает реальную безопасность. То есть астронавты еще до отлета с Земли знают, что на Марсе их ожидает полностью заправленный ВЗА, который уже благополучно пережил посадку. Кроме того, во время собственного спуска они будут находиться в большом и прочном обитаемом модуле с несколькими герметизированными отсеками и исправно работающей системой жизнеобеспечения, рассчитанной на длительный срок эксплуатации, и на момент посадки в модуле почти не останется ракетного топлива. В противоположность этому, экипаж, спускающийся на Марс в полностью заправленном модуле, предназначенном и для последующего взлета, будет вынужден ютиться в небольшом помещении с системой жизнеобеспечения, рассчитанной на минимальную продолжительность полета, – в модуле, до краев наполненном взрывоопасным ракетным топливом.

Как уже говорилось в предыдущем разделе, миссия «Марс Директ» концентрирует все свои активы на поверхности Марса, а не на орбите, и все системы, необходимые экипажу для 600-дневного пребывания на поверхности, многократно продублированы, а степень надежности увеличивается по мере того, как на Марс прибывают новые обитаемые модули. Когда придет время возвращаться на Землю, у астронавтов на поверхности Марса будут два готовых ВЗА, каждый из которых способен доставить их домой без какой-либо помощи извне, причем оба можно проверить вручную перед вылетом. Это радикальное улучшение по сравнению традиционным планом миссии. Тот предполагает, что экипаж должен подняться с поверхности Марса на единственном доступном для этих целей аппарате, чтобы осуществить критически важную для миссии стыковку с материнским кораблем, который, возможно, прождал на орбите уже полтора года, при этом никто не заботился о продовольствии и запчастях для ремонта. Астронавты миссии «Марс Директ» могут лично проверить свой ВЗА, прежде чем полететь на нем, и у них в базовом лагере есть все необходимые ресурсы для ремонта или корректировки. В случае если оба ВЗА окажутся в плохом состоянии, астронавты могут просто терпеливо ждать несколько месяцев на марсианской базе, пока еще один хаб, загруженный продовольствием, и еще один ВЗА не прибудут согласно расписанию. Да, в таком случае людям придется прожить на Марсе на два года дольше, чем планировалось, но это значительно лучше, чем погибнуть.

Варианты с усовершенствованными технологиями

Используемая в плане «Марс Директ» система транспортировки, о которой в этой книге рассказывалось до сих пор, может быть создана с использованием уже существующих технологий: «Сатурн-5» или эквивалентная по грузоподъемности ТРН, химические реактивные двигатели и т. д. Но, конечно, если появятся более совершенные технологии, план следует откорректировать, чтобы воспользоваться ими. Хотя сейчас предлагаются многие формы передовых космических транспортных систем – среди ярких примеров можно назвать ядерный и солнечный электрический (ионный) двигатели, солнечные и магнитные паруса, ракеты на энергии термоядерного синтеза и даже антивещества, – лишь немногие из этих систем могут быть разработаны к моменту первого пилотируемого полета на Марс. Это ядерные ракеты (ЯР) и тесно с ними связанные в технологическом плане солнечные тепловые ракеты (СТР), которые могли бы заменить ракеты с химическими реактивными двигателями в качестве космических транспортных средств, и ракеты, выходящие на орбиту благодаря работе одноступенчатого двигателя (РОСД), которые могли бы заменить одноразовые многоступенчатые ТРН для запуска с Земли. То есть нельзя сказать, что ионные ракетные двигатели, магнитные паруса, термоядерные ракетные двигатели и другие передовые системы никогда не появятся. Напротив, вероятно, именно на них будет держаться лет через сто сфера коммерческих межпланетных перевозок. По этой причине мы рассмотрим перечисленные новшества позже в одной из следующих глав этой книги, когда речь пойдет о более футуристических аспектах колонизации Марса. Однако точно так же, как Колумб не уплыл бы очень далеко, если бы дожидался появления пароходов или самолетов «Боинг-747», так и первому поколению исследователей Марса придется рассчитывать на более примитивные технологии по сравнению с теми, что будут доступны путешественникам следующих поколений. Колумб пересек Атлантику на кораблях, предназначенных для средиземноморского и атлантического прибрежного судоходства. Только после того как в Америке выросли европейские форпосты, появились технологии, позволившие перейти от довольно простых судов, использованных Колумбом, к трехмачтовым каравеллам, клиперам, океанским лайнерам и самолетам. Аналогичным образом обустройство поселений на Марсе подстегнет создание более совершенных космических двигательных установок. По этой причине до сих пор мы рассуждали о полетах на Марс, полностью полагаясь на современное первобытное состояние космических технологий. Это консервативный подход. Но есть технологии, которые потенциально могут быть взяты на вооружение в относительно близком будущем, что могло бы значительно повысить эффективность миссии или сократить издержки. Давайте поговорим об этом подробней.

Ядерные и солнечные электрические ракеты – наиболее вероятные претенденты на то, чтобы заменить собой химические ракеты. Идея таких систем очень проста. Источником тепла является либо ядерный реактор, либо параболическое зеркало для фокусировки солнечных лучей. Жидкость нагревается до очень высоких температур, превращаясь в ультрагорячий газ, который затем вырывается из сопла ракеты, создавая тягу. Другими словами, тепловая ракета – это просто летающий паровой котел. Производительность таких систем ограничена главным образом максимальной температурой, которую может выдержать материал двигателя, и, как полагают, она близка к 2500 °C. Самая высокая скорость истечения и, следовательно, максимальный удельный импульс, получаемый такой ракетой, будут обеспечиваться топливом, имеющим минимально возможную молекулярную массу. Поэтому предпочтение отдается водородному топливу. ЯР или СТР с использованием водородного топлива может достичь удельного импульса в 900 секунд (скорости истечения в 9 километров в секунду), это вдвое больше, чем у лучших водородно-кислородных химических ракетных двигателей.

Такие тепловые ракеты – это не просто теория. В 1960 году в США разрабатывали программу под названием NERVA (сокр. от nuclear engine for rocket vehicle applications, что переводится как «ядерный двигатель для применения в ракете-носителе»), в рамках которой построили и провели наземные испытания около десятка модификаций ядерных ракетных двигателей, развивающих от 10 000 до 250 000 фунтов тяги. Эти двигатели действительно работали и действительно давали удельные импульсы более 800 секунд, что превосходит самые смелые мечтания любого разработчика химических ракет. Вернер фон Браун планировал использовать ЯР в качестве двигательных установок для пилотируемого полета на Марс, который НАСА надеялось осуществить после миссии «Аполлон» в начале 1980-х годов. Но, когда администрация Никсона отменила марсианские планы НАСА, программа NERVA тоже пошла прахом. Двигатели никогда не проходили полетных испытаний, а наземные полигоны остались ржаветь. Многие ветераны программы NERVA все еще работают где-то рядом, хотя большинство из них уже вышли на пенсию. Даже сейчас, когда я пишу эту главу, их бесценный опыт по работе с такими системами испаряется. Тем не менее теперь мы знаем, что их возможно создать.

В период, когда ИИК еще была жива, группа сотрудников НАСА во главе с идейным вдохновителем (но не руководителем) доктором Стэном Воровски из Космического исследовательского центра имени Льюиса НАСА (теперь он носит имя Гленна) в Кливленде предприняла попытку возродить американскую программу исследования и разработки ЯРД. Эта попытка, которую я энергично поддержал, столкнулась со многими препятствиями в политической среде, не последним из которых был тот факт, что чрезмерная оценочная стоимость ИИК убедила Конгресс не тратить ни копейки ни на что, с ней связанное. Также были и другие проблемы. В 1960-е годы движение против ядерной энергетики еще не оформилось в серьезную политическую силу, и испытания ЯРД под открытым небом были обычной практикой, при этом потенциально радиоактивный выхлоп извергался прямо в воздух полигона в Неваде. Сейчас ничего подобного не разрешили бы. Современные испытания ЯРД должны проходить внутри закрытых объектов, содержащих поглотители, которые устранят все радиоактивные продукты из выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду. В зависимости от размера ЯРД полигон может быть очень большим и стоить очень дорого – порядка миллиарда долларов, а также необходимы разрешения экологов, которые способны задержать проведение программы на многие годы. Был потрясающий полигон под названием LOFT, уже сертифицированный Национальной инженерной лабораторией Айдахо, который при незначительных изменениях можно было бы использовать для тестирования небольшой ЯРД примерно с 15 000 фунтами тяги. Это позволило бы сэкономить много времени и денег. Такая небольшая ЯРД была бы достаточно большой, чтобы вывести космический корабль миссии «Марс Директ» с НОО на траекторию к Марсу, а также достаточно маленькой, чтобы быть полезной для множества других проектов, включая запуск беспилотных зондов во внешние части Солнечной системы и вывод военных спутников на геостационарную орбиту. Эти проекты, в отличие от ИИК, имеют реалистичные бюджеты.

По этой причине я и еще несколько человек долго и яростно отстаивали этот вариант. Тем не менее в начале 1990-х годов, когда дискуссия была в разгаре, НАСА еще не приняла «Марс Директ», а ЯРД с 15 000 фунтами тяги был слишком мал, чтобы запустить звездный крейсер «Галактика» к Марсу. То есть из-за громоздкого проекта миссии, предложенного планировщиками из НАСА, считалось, что нужны двигатели с тягой в диапазоне от 75 000 до 250 000 фунтов. Более того, многие из людей, сплотившихся тогда вокруг Воровски, были представителями учреждений, руководство которых надеялось получить огромные деньги для работы по строительству нового гигантского испытательного стенда, и поэтому они оказывали на Воровски соответствующее давление. К тому же начальники Воровски по программе ЯРД были чиновниками из НАСА, которые в целом поддерживали идею сделать разработку большого ЯРД долгосрочной программой и, следовательно, не одобрили бы любой ускоренный и более дешевый проект. Поэтому в конце концов сторонники большого двигателя победили. НАСА мешкало с ИИК, составив план программы ЯРД на 6 миллиардов долларов, причем для применения ЯРД исключительно к НИК, с большими полигонами и срок разработки в двенадцать лет. Когда ИИК отменили, то же сделали с ЯРД. После того как программа была прекращена, крысы бежали с корабля, оставив Воровски бороться за начало программы по небольшим ЯРД. С тех пор все приостановлено.

Я считаю, что мы могли бы запустить программу небольших ЯРД и произвести готовые к полету двигатели с 15 000 фунтами тяги и удельным импульсом в 850 секунд в течение четырех лет при стоимости от 500 миллионов до 1 миллиарда долларов. Эти оценки основаны на детальных обсуждениях и исследованиях, проведенных совместно с ветеранами NERVA и другими специалистами, работающими в этой отрасли в нескольких национальных лабораториях. Стоимость будет немаленькой, однако она сравнима со стоимостью одного запуска шаттла, и это позволило бы создать целый ряд новых космических возможностей для страны. Поскольку такой двигатель имеет широкую сферу применения, его разработка была бы мудрым решением независимо от того, планируем ли мы отправлять людей на Марс или нет.

Однако нельзя отрицать, что запустить программу ядерных космических ракет – трудная задача на сегодняшний день. Если исходить из того, что синица в руке лучше, чем журавль в небе, то можно понять, почему группа инженеров из лаборатории «Филлипс» ВВС США в Альбукерке, Нью-Мексико, выдвинула предложение по разработке солнечных тепловых ракетных систем. СТР – старая концепция, которая впервые была предложена ветераном разработки немецкой ракеты «Фау-2» Краффтом Эрике в 1950 году, но она так и не была запущена. Источником энергии для СТР служит собранный зеркалом солнечный свет, тем самым устраняя необходимость в ядерном топливе, но из-за проблем со сбором солнечного света (нужны зеркала больших площадей) и получаемой благодаря ему энергии трудно сделать СТР с тягой более 100 фунтов. Более того, по понятным причинам система совершенно неэффективна во внешней Солнечной системе. Поскольку тяга очень ограничена, СТР нельзя использовать для космических аппаратов миссии «Марс Директ» на пути от НОО до выхода на расчетную марсианскую траекторию. Но двигатель СТР может быть использован в длительной (до нескольких недель) серии маневров, известных как «толчок в перигее», во время которых двигатель включают примерно на тридцать минут каждый раз, когда космический корабль проходит самую низкую часть своей орбиты. Это позволило бы поднять космический корабль «Марс Директ» с НОО на вытянутую эллиптическую орбиту для того чтобы вскоре улететь от Земли. С этой орбиты космический аппарат полетит на Марс благодаря краткому включению химического двигателя, в то время как ступень с СТР двигателем будет либо отстрелена как отработавшая, либо вернется обратно на НОО, чтобы поднять на нужную высоту другой космический корабль. Поскольку для СТР ΔV, необходимая, чтобы поднять космический аппарат почти до выхода из поля притяжения Земли, составляет около 3,1 километра в секунду, а общая ΔV для выхода на траекторию к Марсу составляет от 3,7 (для груза) до 4,3 километра в секунду (для экипажа), СТР обеспечивает от 72 до 83 % работы двигателя для выхода на траекторию к Марсу. Таким образом, преимущества, предлагаемые СТР, сравнимы с возможностями ЯРД, хотя у СТР они несколько скромнее.

Чем эти системы могут быть полезны для «Марс Директ»? Как мы видели, они не будут использоваться для быстрых полетов на Марс. Если не вдаваться в подробное описание футуристических двигательных систем (двигатели на энергии термоядерного синтеза, антивеществе и т. д.), для которых не используются баллистические траектории, для доставки людей на Марс лучше всего подойдет двухлетняя траектория свободного возвращения, по которой корабль долетит до Марса примерно за 180 дней независимо от того, какая двигательная система используется. Но СТР или ЯР полезны тем, что позволят нам для одной и той же стартовой массы аппарата взять намного больше полезной нагрузки. Как мы уже видели, использование ЯР позволяет доставить на Марс на 60–70 % больше полезной нагрузки, чем в случае водородно-кислородного химического двигателя, который используют, чтобы выйти на траекторию к Марсу. СТР позволила бы увеличить полезную нагрузку примерно на 40–50 % по сравнению с химическими двигателями. Поэтому, если мы используем ту же ракету-носитель с грузоподъемностью 140 тонн к НОО, что мы выбрали для нашей миссии с химическими реактивными двигателями, ЯР или СТР позволит расширить численность экипажа до шести человек (три механика, три ученых для полевых работ, но никаких врачей!) и даст более широкий диапазон масс для всех возможных компонентов миссии.

Альтернативный вариант использования превосходных разгонных возможностей этих систем – уменьшение размера требуемой ракеты-носителя при сохранении всего распределения полезной нагрузки. Вместо ракеты-носителя с «нормой» в 140 тонн, выводимых на НОО, для запуска миссии можно использовать ракету-носитель грузоподъемностью от 85 (для ЯР) до 100 тонн (для СТР) в расчете для НОО. Первый показатель совпадает с грузоподъемностью «Шаттла Си» (в общем-то эта комплектация отличается от стандартного шаттла тем, что вместо орбитального ракетоплана размещается полезная нагрузка, такую ракету НАСА, по собственным оценкам, сможет разработать гораздо быстрее, чем носитель класса «Сатурн-5»). Последнее число (100 тонн) – это грузоподъемность российской ракеты-носителя «Энергия», хотя сравнительно узкий отсек ее головного обтекателя следовало бы расширить для размещения объемного водородного топлива, которого потребуется меньше для вариантов миссии с ЯР или СТР.

Но не исключено, что миссию можно провести вообще без тяжелой ракеты-носителя. В 1990-х годах Соединенные Штаты начали очень амбициозную программу разработки полностью многоразовой ракеты-носителя с одноступенчатым двигателем, способной выйти на орбиту Земли. Вдохновителями этой программы были «космические провидцы» Гэри Хадсон и Макс Хантер. Толчок ее развитию дала успешная демонстрация компактной суборбитальной многоразовой ракеты («Макдоннелл Дуглас DC–X») в рамках программы, разработанной на скорую руку под эгидой команды полковника Питера Уордена из организации противоракетной обороны. (Билл Гаубатц, руководитель программы DC–X, подготовил ракету к демонстрации за 60 миллионов долларов – вспомните эту цифру, когда вам скажут, что задуманный вами проект будет стоить 10 миллиардов долларов, а его разработка затянется навечно.) Проект, позже переданный НАСА и переименованный в Х-33, столкнулся со многими техническими препятствиями, потому что в случае использования водородно-кислородного ракетного двигателя (во всех вариантах конструкции Х-33) РОСД должна иметь сухую массу, равную только 10 % от ее массы в полностью заправленном состоянии. Этого очень сложно добиться, так как водородное топливо крайне неудобно в перевозке и транспортное средство должно иметь систему тепловой защиты, которая способна выдержать повторный вход в атмосферу (одноразовые ракеты могут иметь более тонкую и хрупкую обшивку). Для того чтобы сделать РОСД работоспособными, придется применять технологии, пока находящиеся за пределами наших познаний: нам нужны легкие строительные материалы, двигатели и системы тепловой защиты. Но нет никакой гарантии, что удастся достигнуть требуемых показателей, и фактически программа Х-33 изжила себя и была отменена, когда ее главный подрядчик, «Локхид Мартин», не смог в срок выполнить поставленные задачи, уложившись в рамки допустимого бюджета. Тем не менее можно было бы снова предпринять активные усилия на национальном уровне, ведь американская изобретательность редко подводила при адекватном финансировании и уверенности в том, что проблема будет решена. Давайте предположим, что программа оказалась успешной. Что полезного она принесла бы миссии «Марс Директ»?

Что ж, для того чтобы РОСД действительно были полезны для миссии «Марс Директ», хотелось бы иметь версию двигателей, которые способны одновременно работать и на смеси водорода и кислорода, и на смеси метана и кислорода. (Было бы хорошо, если бы РОСД могла работать сразу и только на метаново-кислородном топливе. По словам лидера программы РОСД Макса Хантера, такой двигатель столь же перспективен для применения в РОСД, как и водородно-кислородный. Большая плотность метанового топлива позволяет использовать более компактные и, следовательно, более легкие баки, компенсируя тем самым меньший удельный импульс по сравнению с водородом.) В этом нет ничего невозможного. Двигатели «Пратт энд Уитни RL-10», которые предназначены для работы на смеси водорода и кислорода, были успешно испытаны на стенде с использованием метаново-кислородного топлива. Кроме того, есть информация, что некоторые российские технологии позволяют запускать двигатели, предназначенные для смеси водорода и кислорода, с керосином и кислородом, хотя этот вид топлива менее удачен, чем трехкомпонентный вариант: водород, метан и кислород (потому что метан гораздо больше похож на водород, чем керосин).

Хорошо, предположим, что это нам нужно. РОСД имеет сухую массу 60 тонн, несет 600 тонн ракетного топлива (86 тонн водорода и 514 тонн кислорода) и может доставить на НОО полезную нагрузку в 10 тонн. То есть мы запускаем одну такую ракету с 10 тоннами полезной нагрузки, необходимой для марсианской миссии, и оставляем ее на орбите. В результате серии из более чем двадцати дополнительных рейсов РОСД мы доставляем на НОО еще 200 тонн ракетного топлива к орбитальной РОСД вместе с дополнительными 30 тоннами полезного груза. (Этот груз включает в себя 20 тонн жидкого водорода, который не сгорит в качестве топлива во время полета, а будет использован как водородное сырье для производства марсианского топлива. Его по-прежнему можно хранить вместе с остальными запасами водорода в топливных баках.) Итак, теперь у нас есть обращающаяся вокруг Земли РОСД, загруженная 40 тоннами груза и достаточным количеством топлива, чтобы отправить корабль к Марсу по траектории минимальной энергии. Назовем этот космический аппарат «ВЗА/РОСД 1». Ракета устремляется к Марсу, чтобы провести маневр аэродинамического торможения в его атмосфере и высадиться на планету с полным грузом, перевезенном на обычном для «Марс Директ» ВЗА (любая РОСД, предназначенная для спуска в атмосферу Земли, имеет более чем достаточную тепловую защиту чтобы пройти через атмосферу Марса). Как и в стандартной версии плана «Марс Директ», теперь будут запущены реактор и химический завод, чтобы превратить 20 тонн привезенного водорода в 332 тонны двухкомпонентного топлива из метана и кислорода (320 тонн для полета на Землю и 12 тонн для заправки роверов) и 9 тонн воды. (Придется произвести больше метана и кислорода, чем в стандартном варианте «Марс Директ», потому что РОСД имеет одну ступень, в то время как ВЗА «Марс Директ» является двухступенчатым аппаратом и содержит сравнительно массивные конструкции, необходимые для многоразовых операций. У каждой из них свои требования к топливу.) В это время еще одна РОСД поднимается на НОО с 10 тоннами груза. В ходе серии из 24 дополнительных полетов другой РОСД в первую загружаются еще 20 тонн полезного груза, дополнительные 220 тонн ракетного топлива, а в результате последнего полета – экипаж. Эта РОСД, или «хаб/РОСД 1», теперь уже с экипажем, 30 тоннами груза и достаточным количеством топлива, готова отправить аппарат на Марс по быстрой траектории для соединения за 180 дней. Предположим, что загрузка второй РОСД закончится незадолго до открытия стартового окна с Земли на Марс. В это время на поверхности Марса завершается заправка первой РОСД, и экипаж может стартовать к Марсу. Прибыв на Красную планету через 180 дней, он встречается на поверхности с ВЗА/РОСД 1. Вскоре после прибытия экипажа на место прибывает вторая беспилотная грузовая РОСД, ВЗА/РОСД 2, и начинает производить топливо для следующего пилотируемого полета (или же при необходимости выступает для экипажа хаба/РОСД 1 запасным вариантом), как и в стандартной последовательности этапов миссии «Марс Директ». Экипаж остается на поверхности в течение 600 дней, а затем оставляет свой хаб/РОСД 1 на поверхности и летит в ВЗА/РОСД 1 обратно на Землю. Вскоре после того как он покинет Марс, на базу прибудет другая РОСД (хаб/РОСД 2) с командой из четырех астронавтов, чтобы продолжить исследование Марса. Их будет сопровождать другая беспилотная РОСД, возвращаемая на Землю, ВЗА/РОСД 3. Экипаж хаба/РОСД 2 вернется на Землю в ВЗА/РОСД 2, и так далее, последовательность миссий может продолжаться таким образом сколь угодно долго, причем каждая миссия добавит к марсианской очередной хаб/РОСД. Все РОСД, не остающиеся на Марсе, вернутся на Землю для повторного использования, что делает план потенциально высокоэкономичным.

Заметим, что каждая пилотируемая марсианская миссия, проведенная по этому сценарию, потребует в общей сложности 49 рейсов РОСД. Это было бы совершенно нелепо, если бы РОСД эксплуатировались аналогично существующим ракетам-носителям – с частотой запусков около одного в месяц. Однако если сторонники РОСД приложат усилия, то эти ракеты можно было бы запускать как самолеты, быстро возвращая их на Землю, чтобы частота полетов выросла хотя бы до нескольких раз в неделю. План, по всей вероятности, жизнеспособный. Однако этот подход очень высокотехнологичен. Помимо требований к производительности и эксплуатационным качествам РОСД, которые до сих пор не достигнуты, необходимо, чтобы и жидкий кислород, и жидкий водород можно было бы перемещать из одного орбитального РОСД в другой в условиях невесомости. Сейчас и жидкий кислород, и жидкий водород являются криогенными (ультрахолодными) жидкостями, и перемещение таких жидкостей в условиях микрогравитации из одного бака в другой еще никогда не проводили. Эта операция чревата проблемами. В эластичном баллоне криогенные жидкости замерзнут, а насосы не будут работать, потому что в невесомости нет никакого способа заставить жидкость двигаться к точке всасывания (насос втянет небольшой объем и остановится, потому что новая жидкость к нужной точке не потечет). Можно было бы привести бак в движение, медленно ускоряя транспортное средство ракетными двигателями или разместить их на вращающейся платформе, также предлагались капилляры и другие устройства, которые используют поверхностное натяжение жидкости, чтобы управлять ее движением. Кроме того, по меньшей мере для кислорода существует возможность контролировать движение жидкостей с помощью магнитов. (Жидкий кислород – парамагнетик, его можно притянуть магнитом.) Короче говоря, пока ситуация не безнадежна, но нужно проделать большую работу, чтобы на этот план можно было положиться.

К настоящему моменту я склоняюсь к старомодному варианту «Марс Директ» с одноразовыми ТРН, химическими реактивными двигателями, роверами, запряженными лошадьми (ну, не совсем), и остальными примитивными атрибутами наших нынешних Темных веков освоения космоса. Возможно, существуют более удобные способы добраться на Марс, и, когда они окажутся доступны, мы будем их использовать. Но, скорее всего, этого не произойдет до тех пор, пока мы не начнем использовать то, что имеем сейчас, чтобы попасть на Марс и сдвинуться с мертвой точки. Что морские волки говорят о тех, кто покорил семь морей? Железные люди и деревянные корабли, а не деревянные люди и железные корабли. То же применимо и к Марсу.

Мы можем долететь на Марс, используя то, что у нас есть сейчас.

ΔV и гиперболическая скорость

В этой главе я много говорил о ΔV и гиперболической скорости. Это два различных понятия, но они взаимосвязаны.

Изменение скорости, или ΔV, измеряется в единицах скорости, таких как километры в секунду (км/с), и является фундаментальным понятием ракетостроения. Если у вас есть космический корабль с известной сухой массой М (то есть без топлива), определенное количество топлива, Р, и ракетный двигатель со скоростью истечения С, следующее уравнение, известное как «ракетное уравнение», показывает, насколько большую ΔV может произвести система:

(М + Р)/М = exp(ΔV/C) (1)

Величина (М + Р)/М, известная как «отношение масс» аппарата, возрастает по экспоненте пропорционально ΔV/C. Если ΔV/C = 1, то отношение масс равно е^1 = 2,72. Если ΔV/C = 2, отношение масс равно е^2 = 7,4. Если ΔV/C = 3, отношение масс равно 20,1. Если ΔV/C = 4, отношение масс равно 54,6. Экспоненциальная зависимость очень «сильная»: небольшое увеличение ΔV или уменьшение С может привести к очень большому скачку отношения масс. На самом деле ситуация еще хуже, потому что сухая масса М должна включать не только полезную нагрузку, которую вы пытаетесь запустить, но также массу топливных баков, в которых будет храниться топливо, и достаточно больших двигателей, которые будут разгонять космический корабль с его ракетным топливом, и оба этих паразитных веса также возрастают пропорционально Р. Поэтому при росте ΔV/C масса космического аппарата растет быстрее, чем по экспоненциальному закону, поэтому сильно зависит от легкости строительных материалов и плотности используемого топлива, и где-то между ΔV/C = 2 и ΔV/C = 3 масса космического корабля с одной ступенью будет уходить в бесконечность! По этой причине ракетостроители готовы на все ради того, чтобы уменьшить ΔV и увеличить С.

Кстати, если вам интересно, вы можете получить скорость истечения для ракеты в метрах в секунду путем умножения ее удельного импульса, Isp, на 9,8. Если вы хотите получить С в километрах в секунду, умножайте Isp на 0,0098.

С (м/с) = 9,8Isp

С (км/с) = 0,0098Isp (2)

Рис. 4.3. Соотношения между средним временем полета, стартовой скоростью (ΔV) и массой космического корабля для 20-тонного аппарата, покидающего низкую околоземную орбиту (НОО) в направлении Марса. Двигатели водородно-кислородные с удельным импульсом 450 секунд. Обратите внимание на то, что масса миссии резко возрастает для полетов длительностью менее 170 дней

Рис. 4.4. Путешествие с Марса на Землю. Соотношения между средним временем полета, стартовой скоростью (ΔV)и массой космического корабля для 20-тонного аппарата, покидающего низкую околомарсианскую орбиту (ОМО) в направлении Земли. Двигатели метаново-кислородные с удельным импульсом 380 секунд. Обратите внимание на то, что масса миссии начинает резко расти, когда длительность полетов становится меньше 170 дней

Гиперболическая скорость в виде относительной скорости вылета с планеты или прилета на планету – это не то же самое, что ΔV, или изменение скорости, которое должно быть создано двигателями ракеты. Тем не менее они связаны друг с другом и с максимальной скоростью повторного входа в атмосферу прибывающего космического аппарата следующим уравнением:

(V0 + ΔV)2 = Ve^2 + vh^2 = Vr^2, (3)

где V_0 – скорость космического аппарата в самой нижней точке орбиты, с которой происходит старт, ΔV – изменение скорости, создаваемое ракетными двигателями космического корабля, V – вторая космическая скорость для планеты (11 километров в секунду для Земли, 5 километров в секунду для Марса), Vh – гиперболическая скорость космического аппарата, а Vr – скорость повторного входа в атмосферу. На рисунках 4.3 и 4.4 мы показываем соотношения между временем полета, стартовой скоростью (или «гиперболической скоростью»), ΔV и массой миссии для 20-тонного космического корабля, покидающего НОО Земли или Марса для межпланетного полета.

Глава 5

Убивая драконов, избегая сирен

В старину, когда Земля была еще плохо изучена, картографы украшали неизвестные области своих карт фантастическими существами. Среди них были грозные драконы, которые могли целиком проглотить корабль, и очаровательные, но не менее опасные сирены, которые своим сладкоголосым пением заманивали моряков к скалам и обрекали на гибель. Пусть драконы были вымышленными, но они могли напугать и действительно пугали потенциальных путешественников и тем самым в течение многих столетий сдерживали освоение новых земель. И сиренам никогда не нужно было быть настоящими, чтобы их пение услышали, а его и правда услышали, судя по тому, сколько перспективных идей ни к чему не привело.

С тех пор мало что изменилось. Сегодня те, кто надеется снарядить миссию на Марс, обнаруживают, что на их картах тоже есть драконы. Сообщения об ужасных чудовищах с такими именами, как радиация, невесомость, человеческий фактор, пылевые бури и обратное загрязнение, вторгаются в обсуждение планов полетов к Марсу и тем самым пугают потенциальные экипажи (безуспешно), потенциальных планировщиков миссий (отчасти успешно) и потенциальных спонсоров миссий (очень успешно). И сирена тоже рядом, ее зовут Диана, она богиня Луны, и можно услышать, как она зовет «марсианских» моряков отклониться от курса и для начала направиться не к Марсу, а к Луне. Если мы собираемся на Марс, мы собираемся очистить карты. Драконы, циклопы и другие чудовища разума должны быть побеждены, и сирену следует уличить в мошенничестве.

Опасности радиации

Один из главных драконов, перегородивших путь к Марсу, известен под именем радиация. Нам говорят, что радиация смертельна, и мы можем быть уверены в безопасности путешествия, только если у нас появится сверхскоростной космический корабль, на которым мы промчимся через якобы заполненное радиацией пространство за невероятно короткое время. Или если сможем защитить астронавтов с помощью толстой обшивки огромного космического корабля, масса которого приблизится к массе астероида. Нас также предупредили, что космическая радиация обладает принципиально новыми свойствами и рискнуть и отправиться на Марс можно только после того, как мы в течении десятилетий изучим долгосрочные последствия ее воздействия на людей, находящихся в межпланетном пространстве.

Но на самом деле почти все утверждения, приведенные в предыдущем абзаце, являются вздорными. Единственное из них, близкое к правде, – первое: радиация смертельна. Это, безусловно, верно, но только если доза облучения очень велика.

Люди эволюционировали в среде, заполненной значительным количеством естественной фоновой радиации. В США в наши дни люди, живущие вблизи уровня моря, в год получают около 150 мбэр. (1 мбэр, или миллибэр, является тысячной долей от 1 бэр. Бэр – биологический эквивалент рентгена – основная единица, используемая для измерения дозы облучения в США. В Европе используют зиверты (Зв). 1 Зв = 100 бэр.) С другой стороны, те, кто может позволить себе жить в горах, например в Вейле или Аспене в штате Колорадо, ежегодно получают дозу выше 300 мбэр – поскольку лишены значительной защиты от космических лучей, которую предоставляет земная атмосфера. Поскольку мы эволюционировали под воздействием излучения, нам фактически необходима радиация, чтобы оставаться здоровыми. Это может идти вразрез с распространенным мнением и настроениями различных правительственных регулирующих организаций, но многочисленные исследования людей, помещенных в неестественную среду, лишенную радиации, показали значительное ухудшение их здоровья по сравнению с контрольной группой, подвергавшейся воздействию природного ионизирующего излучения. Это явление, известное как радиационный гормезис [15, 16], вызвано тем, что нашему организму для стимуляции механизмов самовосстановления необходим определенный радиационный фон. Пока неясно, каков оптимальный для человека уровень радиационного воздействия, но он точно не равен нулю.

Тем не менее, безусловно, верно, что очень большие дозы радиации, полученные за очень короткое время, как, например, в течение нескольких секунд после взрыва атомной бомбы или за несколько минут у выведенного из строя ядерного реактора, могут убить и убьют. Последствия таких разовых доз радиации хорошо известны по наблюдениям за жертвами бомбардировок Хиросимы и Нагасаки. Благодаря этим исследованиям удалось установить, что разовые дозы менее 75 бэр в не давали никаких видимых последствий. Если доза составляет от 75 до 200 бэр, лучевой болезнью (симптомами которой являются рвота, усталость и потеря аппетита) будут страдать от 5 до 50 % облученных, причем процент заболевших увеличивается при увеличении дозы. При этом уровне воздействия почти все пострадавшие восстанавливают здоровье через несколько недель. При 300 бэр лучевая болезнь возникает у всех без исключения, появляются случаи с летальным исходом, их количество вырастает до 50 % при 450 бэр и до 80 % при 600 бэр. При дозах 1000 бэр или более не выживает почти никто.

Таковы последствия разовых доз, то есть таких доз, которые человек получает за отрезок времени, значительно более короткий, чем те несколько недель, которые требуются организму для воспроизводства клеток и самовосстановления. Эта ситуация похожа на употребление алкоголя или любого другого химического токсина. Человек может пить по одному бокалу мартини за вечер в течение многих лет без заметных последствий, так как у его печени будет достаточно времени, чтобы очистить организм после каждого употребления напитка. Если бы человек выпил сто мартини в течение одной ночи, он бы умер. Сходным образом радиация наносит вред живым организмам, провоцируя в клетках химические реакции, в ходе которых вырабатываются токсичные вещества, способные убить отдельную клетку или нарушить ее нормальную работу. Если доза мала, то способности отдельных клеток к самовосстановлению оказываются достаточными, чтобы справиться с порожденным радиацией токсином и спасти клетку. При более значительных дозах ткани тела человека, действующие как единое целое, способны генерировать клетки взамен пострадавших до того момента, пока потеря этих пострадавших клеток не вызывает проблем у всего организма. И только тогда, когда радиация подавляет механизм самовосстановления клеток, у человека возникают серьезные проблемы со здоровьем.

В дополнение к тому, что чрезмерные разовые дозы вызывают лучевую болезнь и смерть, малые дозы при хроническом воздействии могут повысить вероятность развития рака у людей и животных. Это происходит потому, что радиационно-индуцированный токсин, попавший в клетку под воздействием радиации, может быть канцерогеном. Специалисты пока не пришли к согласию по поводу точного соотношения между такими хроническими дозами и отсроченными проявлениями рака, тем не менее это соотношение было изучено гораздо более детально, чем влияние на здоровье человека какого-либо из химических канцерогенов, присутствующих в нашей среде обитания. Например, в Великобритании до 1960 года для лечения анкилозирующего спондилоартрита (болезни Бехтерева) широко применяли облучение костного мозга позвоночника. Люди, проходившие такое лечение, стали участниками последующих многочисленных исследований лейкемии, вызванной облучением. В самом крупном из таких исследований в течение двадцати пяти лет после начала лечения отслеживали историю болезни 14554 взрослых пациентов, получивших дозы от 375 до 2750 бэр каждый. В этой группе от лейкемии умерли шестьдесят пациентов, этот результат хуже показателя для случайной группы современных жителей Великобритании, где в год из 1000 человек от лейкемии умирают шестеро. Тем не менее, несмотря на огромные дозы, смертность облученных пациентов составляла меньше 0,5 %. На основе этого и сотен подобных исследований Национальная академия наук США и Национальный исследовательский совет выпустили отчет [17], известный как «Отчет о биологическом влиянии ионизирующего излучения (БВИИ)», в котором оценили вероятность появления онкологических заболеваний с летальным исходом за тридцать лет хронического воздействия доз радиации мощностью 100 бэр на людей старше десяти лет (табл. 5.1).

Итак, по оценкам БВИИ, вероятность появления онкологических заболеваний с летальным исходом составляет 1,8 % в течение тридцати лет на каждые полученные 100 бэр. Если женщина-астронавт за 2,5 года марсианской миссии получит дозу в 50 бэр и после возвращения проживет тридцать лет, вероятность смертельно заболеть раком из-за воздействия радиации составит 50/100 × 1,81 % = 0,905 %. (Вероятность смертельно заболеть раком в течение одного года будет в тридцать раз ниже, то есть составит 0,03 %. Риск заболеть раком из-за воздействия радиации непосредственно в ходе миссии сам по себе практически нулевой.) Если астронавт – мужчина, вероятность будет немного меньше, 0,68 %, так как мужчины не болеют раком молочной железы. Учитывая, что астронавты не курят, вероятность того, что они умрут от рака, если не полетят на Марс, близка к 20 %. Следовательно, учитывая дозу, связанную с полетом, вероятность заболеть раком вырастет с 20 % до чуть менее чем 21 %.

Таблица 5.1. Оценки риска развития рака из-за хронического воздействия радиации общей мощностью 100 бэр

Выше я упоминал хроническую (не разовую) дозу в 50 бэр, которая может быть получена за два с половиной года марсианской миссии. Возникает вопрос: как параметры оборудования, доступного сегодня для пилотируемой марсианской миссии, способны повлиять на ожидаемые дозы облучения, которые может получить экипаж?

Есть два типа источников радиации, которые могут повлиять на астронавтов в марсианской миссии: солнечные вспышки и космические лучи.

Солнечные вспышки состоят из потоков протонов, вырывающихся из Солнца нерегулярно в непредсказуемые интервалы времени порядка раза в год. За несколько часов совершенно незащищенный астронавт может получить от одной солнечной вспышки дозу в сотни бэр, а этого, как мы уже знаем, достаточно, чтобы вызвать лучевую болезнь или даже смерть. Тем не менее частицы, составляющие солнечную вспышку, по отдельности могут нести энергию около одного миллиона электрон-вольт, и их нетрудно остановить умеренным слоем защиты. Например, если мы рассмотрим три крупнейшие в истории зарегистрированные солнечные вспышки, произошедшие в феврале 1956 года, ноябре 1960 года и августе 1972 года, мы обнаружим, что дозы, которые мог получить астронавт, защищенный только корпусом межпланетного космического корабля, как наш хаб (который вместе с обшивкой, мебелью, различными инженерными системами, оборудованием и другими объектами действует как защитный слой с поверхностной плотностью около 5 граммов на квадратный сантиметр массы, распределенной по его периферии, чтобы оградить обитателей), усреднились бы примерно до 38 бэр. А если бы астронавт ушел в кладовую хаба, которая одновременно является убежищем (поверхностная плотность экранирующей обшивки хаба «Марс Директ» составляет около 35 граммов на квадратный сантиметр, рис. 5.1), слой запасов уменьшил бы дозу приблизительно до 8 бэр [18, 19, 20]. Если бы астронавт сидел в хабе на Марсе во время вспышки, мощность которой была бы усредненной по сравнению с названными историческими случаями, он бы получил дозу около 10 бэр, если бы находился за пределами склада, или 3 бэр на складе. (Дозы радиации на поверхности Марса намного ниже, потому что атмосфера и поверхность планеты защищают от большей части излучения.)

Космические лучи несут различные дозы. Поскольку они состоят из частиц с энергиями до миллиардов электрон-вольт, для их остановки нужна обшивка толщиной в метры, то есть защититься от космических лучей во время межпланетного перелета практически невозможно. На Марсе, однако, сама планета поглощает все космические лучи, идущие снизу, а с помощью мешков с песком можно блокировать, по меньшей мере часть космических лучей, падающих на хаб сверху.

Рис. 5.1. Схема жилого модуля «Марс Директ». В случае солнечной вспышки кладовую можно использовать как убежище для экипажа

Кроме того, в отличие от солнечных вспышек, космические лучи не появляются в виде эпизодических потоков частиц. Скорее, они похожи на мелкий затяжной дождь из частиц. Астронавт, находящийся в хабе во время полета через межпланетное пространство, получит от космических лучей дозу, которая колеблется от 20 до 50 бэр в год, в зависимости от того, в какой части своего одиннадцатилетнего цикла активности находится Солнце. Самые большие дозы радиации от космических лучей поступают во время минимальной солнечной активности, тогда как во время так называемого солнечного максимума магнитное поле Солнца простирается далеко и фактически работает для всей Солнечной системы экраном против космических лучей из межзвездного пространства. Однако в среднем за год межпланетного полета можно получить от космических лучей дозу в 35 бэр. Если бы на Марсе экипаж не был защищен от них, доза составила бы около 9 бэр в год, в то время как под защитным навесом (мешки с песком на крыше хаба) она равнялась бы около 6 бэр в год. Поскольку на Марсе экипаж будет проводить основное, но не все время в хабе, среднее значение дозы от космических лучей в 7 бэр в год можно считать разумным для этого этапа миссии. Если объединить приведенные данные и рассчитать варианты для миссии в соединении и в противостоянии, предположив, что солнечные вспышки мощностью, равной среднему арифметическому мощностей трех сильнейших вспышек в истории, во время миссии происходят один раз в год, мы получим предсказанные дозы облучения, показанные в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Дозы облучения, получаемые во время марсианских миссий

Как уже говорилось в предыдущей главе, для миссии «Марс Директ» выбрана траектория в соединении, оценочная доза радиации для всей длительности миссии в этом случае варьируется между 41 и 62 бэр, в зависимости от того, находится ли Солнце в минимуме или максимуме одиннадцатилетнего цикла активности. Таким образом, оценка в 50 бэр для миссии на Марс в оба конца реалистична и отражает среднее значение для условий минимума и максимума солнечной активности. Мы также можем видеть, что в худшем случае ожидаемая доза от солнечных вспышек для миссии «Марс Директ» составляет около 5 бэр, что намного ниже порогового значения разовой дозы в 75 бэр, вызывающего лучевую болезнь.

Глядя на табл. 5.2, обратите внимание, насколько смешны аргументы в пользу миссии в противостоянии с точки зрения уменьшения дозы радиации. При значительно большей массе и стоимости и намного более низкой научной ценности миссии (из-за ограниченного времени пребывания на Марсе) полная доза радиации, которая будет получена при миссии в противостоянии, больше, чем для миссии в соединении, а ожидаемая разовая доза от солнечных вспышек на 75 % выше. Но в принципе хронические дозы, которые можно получить на любой из этих траекторий, предсказуемы, и ими можно пренебречь по сравнению со всеми другими рисками пилотируемых космических полетов. Единственная реальная опасность, связанная с радиацией, – это возможность солнечной вспышки с чудовищной разовой дозой, которая намного превышает все, что было измерено за последние пятьдесят лет. Вероятность этого намного выше для миссии в противостоянии из-за близкого прохода мимо Солнца. То есть аргумент об опасности радиации несостоятелен, и миссия в противостоянии не лучше выбранной для программы «Марс Директ» миссии в соединении или даже использования траектории минимальных энергозатрат. Как раз наоборот, с точки зрения радиационной опасности траектория в противостоянии – худший возможный выбор.

Кстати, вопреки страшным байкам, которые рассказывают люди, желающие получить большие средства на исследования в области радиационной защиты, в дозах облучения от космических лучей нет ничего экстраординарного по сравнению с другими типами радиационных доз. Космические лучи несут около половины дозы радиации, которую люди, живущие примерно на уровне моря на Земле, получают на протяжении всей жизни, а тем, кто живет или работает на большой высоте, достается больше. Например, пилот трансатлантической авиакомпании, выполняющий по одному рейсу пять дней в неделю, будет получать дозу около 1 бэр в год из-за космических лучей. За двадцатипятилетюю летную карьеру он получит более половины от общей дозы радиации из-за космических лучей, которую получили бы члены экипажа миссии на Марс длиной в два с половиной года. На самом деле, из-за того что дозы радиации от космических лучей на НОО Земли ровно в два раза меньше, чем аналогичные дозы в межпланетном пространстве, с десяток астронавтов и космонавтов (Вальц, Фоул, Крикалев, Соловьев, Поляков, Авдеев и несколько других), участвовавших в полетах на «Мир» или МКС, уже получили дозы радиации примерно вдвое больше, чем те, которые угрожают членам экипажа пилотируемой миссии на Марс, и ни один из них не испытал из-за этого проблем со здоровьем.

Итак, еще раз повторюсь, используя только химические двигатели, а не гиперпространственный двигатель, мы можем отправить к Марсу и вернуть домой экипаж, причем полученные им дозы облучения будут ограничены примерно 50 бэрами. Хотя такие дозы не рекомендуются обычным людям, они представляют собой лишь малую долю от общего риска не только для космических путешествий, но и для таких популярных видов отдыха, как альпинизм, скалолазание или виндсерфинг. Радиационные опасности нельзя считать непреодолимым препятствием для пилотируемых миссий на Марс.

Невесомость

Еще один дракон, которого мы встречаем на пути к Марсу, – это угроза невесомости. Говорят, что длительное воздействие невесомости на организм человека грозит ему серьезным истощением мышц и костной ткани и поэтому, прежде чем отправить астронавтов на Марс, мы должны изучить долгосрочное воздействие невесомости на людей на борту Международной космической станции. На эту программу потребуется несколько десятилетий, многие миллиарды долларов на «научные исследования жизни в условиях микрогравитации» и два-три десятка человек, готовых пожертвовать своим здоровьем ради «научных исследований».

Я считаю этот аргумент странным. Безусловно, верно, что длительное пребывание в невесомости вызовет истощение сердечнососудистой системы, вымывание кальция и солей из костей и общее ухудшение мышечного тонуса из-за отсутствия физических упражнений. Невесомость также угнетает некоторые реакции иммунной системы организма. Эти эффекты хорошо задокументированы не только по опыту американских астронавтов станции «Скайлэб», которые проводили на орбите до трех месяцев, и экипажей Международной космической станции, где стандартная вахта длится шесть месяцев, но и советских космонавтов – некоторые из них провели в невесомости на орбитальной станции «Мир» почти восемнадцать месяцев, что почти в три раза больше продолжительности пути по маршруту Земля – Марс или обратно в миссии «Марс Директ». Во всех этих случаях происходит почти полное восстановление мускулатуры и иммунной системы при возвращении на Землю и привыкании к земной силе тяжести. Минеральный баланс костей нормализуется довольно быстро, но восстановление костей до предполетного состояния, по-видимому, очень длительный процесс. В Советском Союзе экспериментировали с различными способами противодействовать невесомости, включая интенсивные упражнения, медицинские препараты и эластичные костюмы «Пингвин», которые заставляют космонавта прилагать значительные физические усилия для обычных движений. Как и следовало ожидать, программы интенсивных (три часа в день) упражнений доказали свою эффективность в поддержании общего мышечного тонуса и в некоторой степени в поддержании хорошего состояния сердечнососудистой системы. Однако все опробованные на данный момент меры показали малую эффективность в замедлении деминерализации костей. Следует понимать, что, хотя все эти последствия ощутимы и, безусловно, нежелательны, они не слишком катастрофичны; они никоим образом не помешали астронавтам или космонавтам удовлетворительно выполнять свои обязанности, находясь на орбите, и даже после самых долгих полетов члены экипажа успевали прийти в себя и в основном вернуться к обычной жизни за 48 часов после посадки. Например, через неделю после посадки члены экипажа 84-дневной миссии на станции «Скайлэб-3» смогли играть в теннис. Время восстановления после шестимесячного полета на Марс должно быть меньше, потому что экипажу придется после прибытия на Марс приспосабливаться к силе тяжести, составляющей только 0,38 g, вместо того чтобы испытывать шок от 1 g после входа в атмосферу Земли. Дело в том, что уже проведено очень много исследований в этой области, и мы знаем, каких последствий ждать. Поэтому мы можем задать резонный вопрос: а так ли необходимо, или даже этично, подвергать следующие экипажи астронавтов таким испытаниям исключительно ради более исчерпывающего исследования? Я думаю, что нет. На самом деле, учитывая то, что нам известно сегодня о воздействии невесомости на организм, я бы классифицировал предложенную программу как неэтичную и бесполезную, и я знаю многих астронавтов, которые согласны со мной. Просто бессмысленно подвергать десятки астронавтов большим «дозам» невесомости, чем в предполагаемом длительном полете на Марс, только чтобы «обеспечить безопасность» совсем небольшого экипажа миссии. Это примерно то же самое, что тренировать пилотов бомбардировщиков, заставляя их лететь под обстрелом зенитных орудий. Привыкнуть к последствиям длительного воздействия невесомости на здоровье астронавты могут непосредственно во время полета на Марс.

Но на самом деле совсем не нужно лететь на Марс в условиях невесомости. В космическом аппарате во время перелета можно создать искусственную гравитацию. Для этого нужно раскрутить корабль с использованием той же центробежной силы, что позволяет маленькому ребенку вращать ведро с водой, не проливая ни капли. Уравнение, описывающее этот эффект, может быть записано как:

F = 0,0011(W^2)×R,

где F – центробежная сила в единицах g, W – скорость вращения в оборотах в минуту, a R – длина плеча в метрах. Я записал уравнение в такой форме, чтобы было видно, что для заданной силы с ростом W уменьшается R. Например, для получения нормальной марсианской силы тяжести (F = 0,38) при W = 1 обороту в минуту R = 345 метрам. Но при W = 2 оборотам в минуту R составляет 86 метров, если W = 4 оборотам в минуту, R = 22 метра, и если W = 6 оборотов в минуту, R составляет 10 метров. Таким образом, существуют два способа создания искусственной силы тяжести. Либо вращать корабль быстрее при малой длине плеча, либо медленнее – при большой длине плеча. Под «плечом» я подразумеваю расстояние между местонахождением экипажа и центром тяжести корабля, вокруг которого он вращается. Если космический аппарат будет цельной жесткой конструкцией, его можно будет легко раскрутить с помощью небольших ракетных двигателей, размещенных на каждом из его концов и выпускающих боковые струи в противоположных направлениях. Однако, если искусственная гравитация для такого корабля должна быть значительной, единственным жизнеспособным вариантом является быстрое вращение при коротком плече. В 1960-е годы НАСА провело эксперименты с участием людей на вращающихся конструкциях, и было обнаружено, что после некоторой первоначальной дезориентации люди могли приспособиться и жить и передвигаться по конструкциям, вращающимся со скоростью до 6 оборотов в минуту [21]. Системы искусственной гравитации, организованные по принципу быстрого вращения и короткого плеча, легче всего разработать и реализовать с инженерной точки зрения, но они также имеют некоторые недостатки. Например, если R составляет 10 метров, то у человека ростом в 2 метра, стоящего в таком гравитационном поле, голова будет находиться на R = 8 метров и испытывать только 80 % силы тяжести, которую испытывают ноги. Эта большая разница будет ощутимой и может привести в замешательство, по крайней мере поначалу. С другой стороны, если длина плеча составляет 100 метров, то голова двухметрового человека будет испытывать 98 % той силы тяжести, которую испытывают ноги, и, вероятно, такая разница окажется неощутимой. К тому же, если бы член экипажа попытался быстро пройти по прямой линии, он бы испытал действие силы Кориолиса, поскольку корабль (вместе с полом, по которому идет астронавт) не только двигался бы, но и быстро изменял направление. И еще раз повторю, при 6 оборотах в минуту этот эффект весьма заметен, но при 2 оборотах в минуту он незначителен. Таким образом, если вы хотите чувствовать себя в искусственном поле тяжести так же, как на Земле (это желательно, но не обязательно – моряки достаточно хорошо адаптируются к очень неустойчивым условиям с силой тяжести и силой Кориолиса во время качки на море), лучше всего использовать медленное вращение и длинное плечо. Такое длинное плечо можно получить, разделив корабль на несколько частей, которые соединены друг с другом на большом расстоянии (от сотен до тысяч метров) с использованием кабелей или тросов.

Хотя по сути своей идея отличная, в прошлом к таким системам искусственной гравитации с тросом, как правило, относились с неодобрением, потому что для традиционных космических аппаратов наподобие звездного крейсера «Галактика» единственной достаточно массивной частью, способной служить противовесом для одной из функциональных частей корабля могла стать только другая его функциональная часть. Иначе говоря, если вы хотите обеспечить искусственную силу тяжести в обитаемом модуле экипажа на одном конце троса, вам, вероятно, придется разделить корабль пополам и поместить большую часть топливных баков на другом конце троса. Такая конфигурация хорошо работает на бумаге, но на практике станет для миссии началом конца. Если трос запутается, когда вы будете его сматывать, значительная часть критически важных для миссии средств, таких как запас топлива на обратную дорогу, окажется недоступна, и, как следствие, миссия потерпит неудачу. В плане «Марс Директ» с этим проблем не будет. Поскольку экипаж летит на Марс в относительно легком жилом модуле, а не на межпланетном крейсере, космический корабль несложно уравновесить с помощью отработавшей верхней ступени ракеты, которая отправит экипаж на Марс, расположенной на противоположном конце троса (рис. 5.2). Эта часть корабля не является критически важной для миссии – она уже отслужила свое, и ее не придется возвращать на корабль. Похожую схему с тросом можно задействовать и во время полета домой, используя отработавшую верхнюю ступень ВЗА и кабину ВЗА. Таким образом, за исключением небольших промежутков времени непосредственно перед выходом на траекторию к Марсу и к Земле, непосредственно перед входом в атмосферу Земли и Марса и сразу после проведения маневра аэродинамического торможения в атмосфере Марса экипаж пилотируемой марсианской миссии не будет подвергаться воздействию невесомости.

Рис. 5.2. Система искусственной гравитации с использованием троса требует наличия двух объектов, кружащихся вокруг общего центра тяжести. В миссии «Марс Директ» хаб (справа) уравновешивается отработавшей верхней ступенью (слева)

Используемый трос должен состоять из множества переплетенных крупных волокон, которые обеспечат ему прочность, даже если отдельные будут порваны в нескольких местах микрометеоритами или другим космическим мусором. Такие безотказные тросы были разработаны и продемонстрированы аэрокосмическими инженерами Робертом Форвардом и Бобом Хойтом. Трос также не следует использовать в качестве провода для передачи большого количества электроэнергии. В неудачной спутниковой миссии с тросом, запущенной шаттлом в феврале 1996 года, скачок напряжения в многокиловаттной системе энергоснабжения, совмещенной с тросом, привел к тому, что трос расплавился и оборвался.

Меня спрашивали, как на вращающемся космическом аппарате будут выполняться необходимые маневры, такие как корректировка ΔV примерно на 20 м/с, которые, как правило, приходится проводить в межпланетных полетах. На самом деле это не так уж трудно. Маневры на вращающихся космических аппаратах проводили и раньше. Орбитальный модуль и зонд миссии «Пионер Венера» вращались, и при этом нужно было точно выполнять команды по ориентированию на Венере. Они работали с использованием повторяющихся синхронизированных включений двигателей, что позволяло создать нужную ΔV в любом необходимом направлении.

Связка из корабля, троса и противовеса в миссии «Марс Директ» будет работать сходным образом. Например, если вы хотите создать ΔV в любом направлении, которое находится в плоскости вращения корабля, вы постоянно включаете подруливающий двигатель вдоль линии троса, пока трос не будет указывать в нужную сторону. Поскольку трос тугой, струи двигателей, которые толкают жилой модуль к верхней ступени, работают на уменьшение натяжения. Пока толчок двигателя меньше центробежной силы, трос остается тугим – вот так все просто. Поскольку система трос – корабль вращается в фиксированной плоскости, маневры в ней выполняются за счет длительности включения подруливающих двигателей. И наоборот, маневры для выхода из плоскости вращения осуществляются при непрерывной работе двигателей и очень малой тяге в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения корабля.

У пилотируемого корабля, летящего к Марсу, будет достаточно энергии (по крайней мере несколько киловатт) для эффективного голосового общения и обмена данными о телеметрии с Землей с использованием всенаправленной антенны. Хотя высокочувствительная антенна будет активно отслеживать положение Земли, пока корабль вращается, для высокоскоростной передачи видеосигнала, это не критически важно для миссии. Если в плоскости вращения связка всегда обращена к Солнцу, то положение солнечных батарей контролировать не требуется. Также можно прикрепить к жилому модулю современные навигационные сканирующие датчики, которые способны отлично работать на скоростях вращения значительно выше даже шести оборотов в минуту. Иными словами, ни один из этих инструментов не требует для успешной работы на космическом аппарате с тросом существования платформы, компенсирующей вращение аппарата.

Коротко говоря, мы вполне можем создать искусственную гравитацию на космических аппаратах «Марс Директ» и тем самым одолеть дракона-невесомость. Несколько лет назад на конференции я поговорил с чиновником из НАСА, выступавшим за то чтобы до отправки людей на Марс провести многолетние исследования того воздействия, которое оказывает невесомость на здоровье. Я спросил: «Почему бы просто не использовать искусственную силу тяжести?» «Мы не можем этого сделать, – сказал он, – все наши данные собираются для условий невесомости». Улавливаете?

Человеческий фактор

Один из наиболее причудливых драконов, оккупировавших карту Марса, носит имя «Проблемы человеческого фактора». Существует мнение, что психологические проблемы, связанные с пилотируемым полетом на Марс (и возвращением на Землю), уникальны и, вероятно, крайне значимы. Сторонники этого мнения требуют, чтобы для миссии использовали либо очень быстрые корабли, чтобы сократить время в пути туда и обратно до нескольких недель, либо очень большие и роскошные корабли, которые могут обеспечить большому экипажу комфортные условия (в том числе психологические). Активисты заявляют, что экипаж, безусловно, сойдет с ума, если не приблизить быт астронавтов к жизни в американском пригороде. К сожалению, поскольку ни сверхбыстрых космических челноков, ни межпланетных круизных лайнеров не существует, эти заинтересованные граждане рекомендуют отложить все марсианские миссии до тех пор, пока не появятся значительные суммы денег, чтобы потратить их на психологические исследования для решения «проблемы человеческого фактора». (И снова мы слышим знакомую песню: «Ах, вы не можете лететь на Марс, пока не дадите нам денег…»)

Давайте рассмотрим этот аргумент. В варианте пилотируемой миссии на Марс, который мы предлагаем, экипаж из четырех человек проведет шесть месяцев в пути на Марс в стенах двухэтажного хаба, в котором будут отдельные помещения для каждого члена экипажа, а также несколько общественных помещений (ради смены впечатлений предусмотрена возможность выхода в открытый космос, особенно если миссия будет проходить в невесомости, но сейчас мы обойдем этот вопрос). Общая площадь этажа составляет около 101 квадратного метра (1083 квадратных фута), почти как небольшая по американским стандартам квартира на четверых, но довольно просторная по сравнению с жильем, доступным жителю Токио со средним уровнем дохода. После шестимесячного полета экипаж с хабом высадится на Марсе и проживет там полтора года. В течение этого времени у астронавтов появится дополнительное жилье в виде ВЗА, который уже будет ждать их на Марсе, а также герметизированный ровер. Более того, в течение длительного пребывания на поверхности экипаж будет сильно занят за пределами жилого модуля, проводя различные полевые исследования. Наконец, во время последних шести месяцев пути экипаж будет находиться в кабине ВЗА, которая примерно вдвое меньше хаба. В течение всей миссии обычные телефонные разговоры с людьми на Земле будут невозможны из-за задержки передачи радиосигнала. Поэтому их предлагается заменить голосовыми, видео– и текстовыми сообщения с задержкой ответа в диапазоне от нескольких секунд до сорока минут.

Действительно, все это – тяжелые психологические испытания, с которыми большинство обывателей в повседневной жизни не сталкивается. Но давайте сравним это с теми стрессами, которые многие обычные люди пережили в прошлом.

Космические психологи много говорят о возможной травме, вызванной тем, что участники экипажа миссии на Марс «будут вдали от дома в течение трех лет». Мой отец и мои дяди, как и несколько миллионов других солдат, были «вдали от дома в течение трех лет» во время Второй мировой войны в значительно более жестких условиях, чем те, с которыми столкнутся астронавты первой марсианской миссии (в окопах прибрежного плацдарма Анцио людям приходилось несравнимо тяжелее, чем в обитаемом модуле на поверхности Марса). В дополнение к постоянной угрозе смерти от рук противника солдаты на линии фронта должны были переносить тяжелый труд, нехватку средств, холод, жару, укусы насекомых, болезни, педикулез, плохое питание и сон на холодной влажной земле под снегом или дождем, иногда в течение нескольких месяцев подряд. Кроме того, солдатам срочной службы приходилось терпеть постоянные жестокие издевательства со стороны офицеров, зачастую уверенных, что звание делает их высшими существами. Астронавтам первой экспедиции на Марс придется нелегко, но их жизни не будут угрожать военные машины и целые армии вооруженных людей.

Марсианский экипаж никто не станет изнурять тяжелым физическим трудом. Забот с насекомыми и болезнями не предвидится. Астронавты будут полноценно питаться и спать в сухой одежде и теплых постелях. В течение межпланетных перелетов они могут поскучать некоторые время, что и у солдат бывает, но эти часы им скрасят имеющиеся на борту огромные запасы книг, игр, письменных принадлежностей и материалов для различных хобби и развлечений. Кроме того, все члены экипажа будут знать, что по возвращении на Землю их счастливая судьба предрешена. По сравнению с постоянно угнетенными солдатами астронавты, возвращающиеся с Марса на Землю, будут испытывать эмоциональный подъем, зная, что они избранные, что миллионы людей на Земле будут чествовать их как героев, а это сложно переоценить. Во время Второй мировой войны стандартным способом общения с близкими для солдат была полевая почта гибридного типа,[21] ждать ответа приходилось до нескольких недель. Вряд ли с этим сравнится задержка до 40 минут, которую придется вытерпеть астронавтам, чтобы получить от близких ответную реплику.

Я хочу донести до вас вот что: если отстраниться от современного американского стиля жизни и взглянуть на историю человечества, везде можно увидеть случайных людей – солдат на линии фронта, скитающихся беженцев, заключенных, подводников, путешественников, охотников, моряков торгового флота прошлых веков – всех, кому пришлось столкнуться с длительной изоляцией, лишениями и психологическим стрессом, значительно превышающим то, что предстоит вынести астронавтам, отобранным в экипаж пилотируемой миссии на Марс. Люди выносливы. Нам приходится быть такими. Мы выжили после соседства с саблезубыми тиграми и ледниками, пережили тиранические империи и нашествия варваров, ужасный голод и опустошительные эпидемии. Всего не перечислить, но у вас есть предки, которые столкнулись с чем-то подобным и преодолели это. Нельзя отказывать в подобной стойкости отобранным и высококвалифицированным астронавтам первых пилотируемых миссий на Марс.

Человеческая психика не станет слабым звеном для пилотируемого полета на Марс. Наоборот, она, вероятно, окажется самым крепким.

Пылевые бури

Четвертый дракон, марсианская пылевая буря, самый старый из всех и уже потерял несколько зубов, особенно после того как выяснилось, что у ученых, изучающих атмосферу Марса, главных потенциальных приобретателей выгоды, нет коммерческой жилки, в отличие у других критиков миссий. Но некоторые по-прежнему его боятся. Более того, поскольку именно этот дракон является скорее преувеличением, чем иллюзией, стоит о нем поговорить.

О мощных пылевых бурях на Марсе впервые заподозрили благодаря телескопическим наблюдениям XIX века, и автоматизированные исследовательские космические программы, проводимые в Соединенных Штатах и Советском Союзе с 1960-х годов, подтвердили эту гипотезу. Орбита Марса вытянута. Во время лета в южном полушарии планета на 9 % ближе к Солнцу, чем в среднем за год, а во время зимы в южном полушарии, соответственно, на 9 % дальше от Солнца, чем в среднем за год. Такое сочетание ожидаемого летнего нагрева с дополнительным теплом, получаемым из-за сезонной близости к Солнцу, приводит к тому, что южное полушарие Марса подвержено экстремальным сезонным колебаниям температуры (а в северном полушарии, где все в противофазе, сезоны более умеренные). Во время сверххолодной южной зимы диоксид углерода из атмосферы в больших количествах осаждается на южной полярной шапке (которая состоит из водяного льда, покрытого слоем сухого льда) и поглощается антарктическим реголитом. Этот дополнительный слой замороженного и адсорбированного диоксида углерода затем вырывается обратно в атмосферу, когда в начале южного лета происходит сильный нагрев южных полярных областей. Это внезапное увеличение количества углекислого газа в атмосфере планеты настолько значительно, что атмосферное давление поднимается примерно на 12 % за несколько месяцев (годичное сезонное изменение давления почти в два раза больше), вызывая сильные ветра, которые подхватывают и переносят значительное количество пыли. Поэтому пылевые бури возникают в начале южного лета недалеко от южного полюса, а затем распространяются на север, иногда так далеко, что охватывают всю планету. Скорость ветра во время бурь достигает значения между 50 и 100 километров в час. Бури, которые повторяются периодически все южное лето, постепенно прекращаются с приходом южной осени. Как и в случае с погодой на Земле, тут действует фактор случайности: в некоторые годы бурь практически не бывает, а в другие они охватывают всю планету практически все южное лето. Однако в общем ясная погода в северном полушарии наступает весной, летом и осенью.

Вот и весь рассказ, и он устрашает. Действительно, в ноябре 1971 года, когда орбитальный аппарат США «Маринер-9» и советские зонды «Марс-2» и «Марс-3» достигли Марса, на нем бушевала глобальная пылевая буря. Четыре месяца поверхность планеты была полностью недоступна из-за пыли, и «Маринер-9» ничего не видел. Миссии «Маринер-9» это почти не повредило – аппарат просто ждал на орбите, когда погода наладится, и затем без затруднений приступил к фотографированию планеты. А вот советские спускаемые аппараты ждала другая судьба. Они были заранее запрограммированы на высадку рядом с 45° южной широты, туда они и направились, спускаясь на парашютах прямо в сердце водоворота. Оба были уничтожены.

Хотя спуск с парашютом в марсианскую пылевую бурю – явно плохая идея, все сильно меняется, если к началу пылевой бури вы уже будете на поверхности Марса. Толщина марсианской атмосферы составляет около 1 % от толщины земной атмосферы,[22] и, следовательно, динамическое давление, создаваемое марсианским ветром при скорости 100 километров в час, эквивалентно скорости ветра 10 километров в час (6 узлов) на Земле. Спускаемые аппараты миссий «Викинг-1» и «Викинг-2», а также роверы «Спирит» и «Оппортьюнити» долгие годы работали на поверхности (расчетный срок их жизни составлял 90 дней), и все они перенесли множество пылевых бурь за время своей работы. Несмотря на это никакого ущерба «Викингам», или роверам, или любому из их инструментов бури не нанесли. Кроме того, хотя пылевая буря ухудшает видимость поверхности с орбиты, локальная видимость на поверхности ухудшается незначительно. Пыль действительно уменьшает уровень освещенности, примерно как облака в пасмурный день на Земле, но для наблюдателя на поверхности Марса окружающая местность остается хорошо видна. Если речь идет о постройках, оснащенных солнечными батареями, снижение уровня освещенности из-за пылевых бурь может вызвать некоторые проблемы. Но, поскольку фотоэлектрические панели способны преобразовывать в электричество даже рассеянный пылью свет (непосредственное попадание солнечного света на панели не обязательно), потери энергии будут не очень значительными. Можно ожидать, что во время типичной сильной пылевой бури солнечные батареи будут вырабатывать примерно на 50 % меньше энергии. Таким образом, при условии что система питания обеспечивает достаточную мощность для минимального функционирования системы жизнеобеспечения на то время, пока длится буря, все должно быть в порядке. Конечно, если основную часть энергии производит либо ядерный реактор, либо радиоизотопный генератор или если большой запас энергии доступен в виде химического топлива, произведенного на Марсе (которое можно сжечь в двигателе внутреннего сгорания, чтобы включить генератор), эта проблема становится неактуальной.

Некоторые специалисты высказывали обеспокоенность тем, что пыль, поднятая во время бури, может осесть на солнечных батареях или других оптических поверхностях, таких как окна или инструменты. С этой проблем не столкнулись ни автоматические роверы, ни миссия «Викинг». Действительно, солнечные батареи «Спирита» и «Оппортьюнити» многократно очищались сильными ветрами. По-видимому, общее количество пыли, поднимаемой бурями, невелико. Для пилотируемой марсианской миссии это, конечно, не будет большой проблемой. Если солнечная панель покрылась пылью, есть простое решение: нужно послать на улицу кого-то с метлой!

Подводя итог, скажу, что пылевые бури представляют опасность только для легких объектов, которые подвержены действию аэродинамических сил (из-за большой парусности): например, воздушных шаров или спускаемых модулей с тормозными парашютами. Если посадочный модуль не использует парашют для посадки (его могут заменить высотные буйки), а спускаемому модулю «Марс Директ» парашют как раз не нужен, он пройдет через пылевую бурю так же легко, как самолет пролетает через облако. Конечно, большинство пилотов предпочло бы высаживаться на Марс в условиях полной видимости, и именно поэтому миссия «Марс Директ» предусматривает тормозной захват космического аппарата для его вывода на орбиту Марса перед посадкой. Если по прибытии хаба погода на месте посадки будет плохой, экипаж просто может дождаться окончания бури на орбите, как сделал «Маринер-9». Однако оказывается, что с 2016 до 2025 года траектории Земля – Марс для каждого года запуска могут быть выбраны так, чтобы корабли прибыли на Марс в течение сезона ясной погоды.

Пылевые бури не помешают нам добраться до Марса.

Обратное загрязнение

Последний из пяти драконов, паразитирующих на картах возможных исследователей Марса, – даже не иллюзия, а скорее, галлюцинация. Это предполагаемая угроза обратного загрязнения.

Суть вот в чем: ни один из земных организмов никогда не взаимодействовал с марсианскими организмами, и поэтому у нас нет иммунитета к заболеваниям, вызываемым марсианскими патогенами. Пока мы не будем уверены, что на Марсе нет вредных болезней, мы не имеем права рисковать здоровьем экипажа. Вдруг он заразится какой-нибудь болезнью, способной его убить, а то и уничтожить после возвращения на Землю не только человечество, но и всю земную биосферу.

Приведенный выше аргумент можно мягко назвать полным бредом. Ведь если на Марсе есть или когда-либо были организмы, то Земля уже взаимодействовала и продолжает взаимодействовать с ними. Причиной тому миллионы тонн вещества марсианской поверхности, которое за последние миллиарды лет откалывалось от поверхности Красной планеты при метеорных ударах, и значительное количество этого вещества побывало в космосе и попало на Землю. Мы знаем это наверняка, потому что ученые собрали почти 100 килограммов метеоритов определенного вида, называемых «SNC-метеориты» [22], и сравнили изотопный состав находок и марсианского грунта, который был проанализирован с помощью спускаемых аппаратов «Викинг». Отношение количества разных изотопов одного и того же элемента (например, азота-15 к азоту-14), а также тот факт, что газ, содержащийся в метеоритах, совпадает по составу с марсианской атмосферой, представляют собой неопровержимые доказательства того, что эти породы возникли на Марсе. Хотя каждый SNC-метеорит должен путешествовать в космическом пространстве миллионы лет до прибытия в Землю, эксперты по исследованию метеоритов считают, что ни длительные странствия в глубоком вакууме, ни повреждения, связанные с начальным выбросом с Марса либо пролетом в атмосфере Земли, не способны стерилизовать эти объекты, если они изначально содержали бактериальные споры [23]. Действительно, химический анализ известного SNC-метеорита ALH84001 (см. Специальное дополнение) показал, что часть его вещества никогда не нагревалась выше 40 °C за все время межпланетного путешествия, и поэтому, если в нем когда-либо были бактерии, они легко бы пережили путешествие. Далее, на основании количества марсианского вещества, найденного на Земле, было подсчитано, что в год его на нашу планету падает около 500 килограммов. Поэтому, если вы боитесь марсианских микробов, лучше всего побыстрее покинуть Землю, потому что, когда начнется бомбардировка метеоритами, содержащими марсианскую жизнь, земным видам несдобровать. Но не паникуйте – метеориты не так опасны. На самом деле к сегодняшнему дню единственным известным существом, пострадавшим от марсианского обстрела, является собака, которая был убита одним из падающих камней в Нахле, Египет, в 1911 году. По статистике, вероятность того, что на голову пешехода выбросят мебель из окна верхнего этажа, гораздо выше.

Но главное, что жизнь на поверхности Марса почти наверняка отсутствует. Там нет (и не может быть) жидкой воды – средняя температура на поверхности и атмосферное давление не позволяют ей существовать. Кроме того, планета покрыта окисленной пылью и в придачу купается в ультрафиолетовом излучении. И пероксиды, и ультрафиолетовое излучение на Земле обычно используются после обеззараживания. Уж если жизнь и есть на Марсе сейчас, то она почти наверняка должна быть укрыта в месте с исключительными условиями, например в нагретом гидротермальном резервуаре под поверхностью.

Но могла бы такая жизнь, если она каким-то образом не была привезена астронавтами с Земли, оказаться вредоносной? Точно нет. Почему? Потому что вредоносные организмы подстраиваются под хозяев. Как и любые другие организмы, они приспособлены для жизни в определенной среде. В случае организмов, болезнетворных для человека, этой средой является внутренняя среда человеческого тела или организм близкородственного вида, например другого млекопитающего. Почти четыре миллиарда лет патогены, которые поражают современных людей, непрерывно состязались в гонке биологических вооружений с защитными механизмами, выработанными нашими предками. У организма, который не эволюционировал, для того чтобы пробить защиту нашей иммунной системы и выжить в зоне свободного огня, которую представляет собой наше тело, не будет шанса одолеть нас. Именно поэтому люди не подхватывают голландскую грибковую болезнь вязов, а деревья не болеют гриппом. С любым марсианским организмом мы будем находиться в куда более дальнем родстве, чем с вязами. На самом деле, нет никаких доказательств наличия макроскопической флоры и фауны на Марсе, и одновременно есть все основания полагать, что ее нет. Иными словами, без существования местных хозяев существование марсианских патогенов невозможно, и если бы даже эти хозяева были, огромные различия между ними и земными видами сделали бы идею эпидемии абсурдной. Столь же абсурдна идея, что независимые марсианские микробы появятся на Земле и начнут конкурировать с земными микроорганизмами в открытой среде. Микроорганизмы приспособлены к конкретным условиям. Думать, что марсианские организмы вытеснят земные виды на их родной территории (или земные виды подавят марсианские микробы на Марсе), так же глупо, как полагать, что акулы, перевезенные на равнины Африки, заменят львов в роли ведущих хищников местной экосистемы.

Может показаться, что я трачу слишком много времени на разъяснение очевидных вещей. Отчасти это результат похода на совещание НАСА по вопросам планирования автоматической миссии по доставке марсианского грунта. Один из присутствовавших всерьез предложил стерилизовать все марсианские образцы интенсивным нагревом перед доставкой на Землю, чтобы развеять предполагаемое общественное беспокойство. Образец марсианской жизни был бы величайшим сокровищем, которое мы могли бы (с ничтожной вероятностью) найти на Марсе. Тем не менее некоторые из участников совещания предусмотрительно уничтожили бы и его, и массу ценной минералогической информации вместе с ним. Предложение было настолько нелепо, что я спросил собравшихся ученых: «Если бы вы нашли жизнеспособное яйцо динозавра, вы бы сварили его?» Вопрос, конечно, не совсем неуместен. Динозавры – наши сравнительно близкие родственники, и у них тоже были заболевания. Но каждый раз, когда вы копаете землю, вы имеете дело с образцом наводненного болезнями прошлого Земли. Тем не менее ни палеонтологи, ни садоводы, как правило, не носят защитные костюмы.

Точно так же, как жизнеспособное яйцо динозавра, образец с живыми марсианскими организмами стал бы бесценной находкой, а не угрозой. Исследуя марсианскую жизнь, мы бы получили возможность изучить ее особенности и понять, что является общим для жизни как таковой. Мы получили бы фундаментальные знания о самой природе жизни. Такие базовые знания могли бы обеспечить основу для удивительных достижений в области генной инженерии, сельского хозяйства и медицины. Никто никогда не умрет от марсианской болезни, но, возможно, образец марсианской жизни помог бы нам найти лекарство от земных недугов, которые убивают тысячи людей.

Лунная сирена: почему для полета на Марс нам не нужны лунные базы

Теперь мы переходим к совершенно другому мифическому созданию, преграждающему нам путь к Марсу. Оно является не в устрашающем обличии чудовища или дракона, а в притягательном образе прекрасной богини. Это Диана, лунная сирена, чья соблазнительная песня, вероятно, нанесла столько же вреда потенциальным марсианским путешественникам, сколько все пять драконов вместе взятые.

Почитатели Дианы придерживаются почти религиозного убеждения, что мы не можем организовать пилотируемые экспедиции на Марс, пока богиню не умилостивят строительством значительного числа храмов – то есть баз на поверхности Луны. Что ж, неплохая основа для языческой религии, она показывает, как далеко мы ушли от Римской империи, но в том-то и дело, что эта религия не имеет разумного обоснования.

Да, это правда, что благодаря низкой гравитации и незначительной атмосфере Луны было бы гораздо проще отправить ракету на Марс оттуда, чем запускать ее с поверхности Земли. Также верно и то, что лунные породы почти на 50 весовых процентов состоят из кислорода, поэтому, как только удастся разработать технологии разложения железных и кремниевых оксидов, которые составляют большую часть лунных пород, можно будет снабжать жидким кислородом космические аппараты для дозаправки на поверхности Луны. К сожалению, ни водород, ни метан, которые выступают в качестве второго компонента горючего, принципиально недоступны на Луне. Тем не менее, поскольку содержание кислорода в различных видах ракетного топлива варьируется от 72 до 86 весовых процентов, Луну все-таки можно превратить в базу, которая обеспечивала бы ощутимую долю необходимой космической логистики.

Но в этих рассуждениях не учтены некоторые важные факты о перевозках по Солнечной системе. Дело в том, что космический корабль может дозаправляться на Луне только после того, как он туда доберется. ΔV, требуемая для перехода с НОО Земли на лунную поверхность, составляет 6 километра в секунду (3,2 километра в секунду для выхода на траекторию к Луне, 0,9 километра в секунду, чтобы провести захват в низкой лунной орбите, и 1,9 километра в секунду, чтобы высадиться на безвоздушную Луну). С другой стороны, ΔV для перехода с НОО Земли на поверхность Марса составляет лишь около 4,5 километра в секунду (4 километра в секунду для выхода на траекторию к Марсу, 0,1 километра в секунду для корректировки орбиты после маневра торможения в атмосфере и 0,4 километра в секунду для посадки после использования аэрощита – но не парашюта – для аэродинамического замедления). Короче говоря, гораздо легче перейти с НОО Земли непосредственно на Марс, чем сначала перейти с НОО Земли на поверхность Луны. Таким образом, даже если бы сейчас на поверхности Луны находилось бесконечное количество баков ракетного топлива и кислорода (а их там нет), все равно не было бы никакого смысла отправлять ракету туда на дозаправку по пути на Марс. В общем, дозаправку на Луне на пути к Марсу можно сравнить с полетом из Хьюстона в Сан-Франциско с остановкой для дозаправки в Саскатуне, Канада. Вывод заправочного узла на лунную орбиту не сильно изменит положение вещей. Чтобы переместить на нее космический корабль с НОО Земли, потребуется почти такая же ΔV, как и при отправке его с Земли на Марс. Добавьте ресурсы, необходимые для получения кислорода на поверхности Луны вместе с оборудованием и топливом для перевозки больших количеств кислорода на лунную орбиту (на лунную поверхность нужно привезти водород или метан, чтобы с их помощью поднять кислород на орбиту), и сразу станет ясно, что вся схема не что иное, как логистический кошмар, который чрезвычайно увеличит стоимость, сложность и риски пилотируемой марсианской миссии.

То есть Луна бесполезна в качестве базы для перелета на Марс. Но тогда, скажут почитатели Дианы, можно использовать Луну как испытательный стенд и базу для подготовки к марсианской миссии.

Но лунные условия настолько отличаются от марсианских, что Арктика (и Юта заодно) едва ли не лучше подойдет для подготовки экипажей, да и затраты будут гораздо ниже. (На самом деле, «Марсианское общество», www.marssociety.org, некоммерческая организация, которую я возглавляю, основало базы для тренировок перед полетом на Марс и в канадской Арктике, и в пустыне в южной части штата Юта и потратило на их обслуживание менее двух миллионов долларов, в основном собранных в виде пожертвований из частных источников, за прошедшие десять лет.) У Марса есть атмосфера, сутки длятся чуть более 24 часов, в течение которых температура колеблется от -50 до +10 °C. На Луне атмосферы нет, сутки длятся 672 часа, а типичные дневные температуры составляют примерно +100 °C. В то время как сила тяжести на Земле в 2,6 раза больше, чем на Марсе, сила тяжести на Марсе в 2,4 раза больше, чем на Луне. Кроме того, методы добычи ресурсов, которые будут применяться на Марсе (использование атмосферных газов в химических реакторах и добыча мерзлоты из почвы), кардинально отличаются от высокотемпературных методов плавления пород, которые применимы на Луне. А геологические исследования, необходимые на Марсе с его сложной гидрологической и вулканической историей, будут ближе к тем, которые проводятся на Земле, чем те, которые можно осуществить на Луне. Мы не научимся жить на Марсе, тренируясь на Луне.

Луна может быть полезна в первую очередь в качестве астрономической платформы для скоординированного массива оптических телескопов, который получит изображения Вселенной со сверхвысоким разрешением («оптический интерферометр»). Поэтому имеет смысл конструировать аппаратуру для миссий на Марс таким образом, чтобы ее можно было использовать для перевозки людей и оборудования на Луну. Как обсуждалось в главе 3, именно в этом и состоит особенность миссии «Марс Директ». Поэтому, во многом так же, как и оборудование лунной программы «Аполлон» могло быть использовано затем для создания космической станции «Скайлэб», так и строительство лунных обсерваторий могло бы стать дополнительной задачей для миссии «Марс Директ» – когда они нам понадобятся.

Тем не менее следует четко понимать, что лунная база не является ни необходимым, ни желаемым заделом для поддержки пилотируемых миссий на Марс. Если говорить о стремлении долететь на Марс, сирена лунных баз смертельно опасна, это путь в тупик. Ныне покойный руководитель НАСА Томас Пейн знал все об этой ловушке. В одном из своих последних выступлений он выразил это знание так: «Как однажды сказал Наполеон Бонапарт, объясняя свою выигрышную стратегию в войне с Австрией: "Если вы хотите завоевать Вену, завоюйте Вену!" Что ж, если вы хотите отправиться на Марс, летите на Марс!»

Хорошо сказано, Том. Полетели на Марс!

Глава 6

Исследование Марса

Мы собираемся послать экипаж на Марс не ради того, чтобы установить рекорд высоты и отчитаться об этом в «Авиационном альманахе». Мы хотим исследовать планету, чтобы понять, была ли она наполнена жизнью в прошлом, и узнать, может ли она стать домом для новой ветви человеческой цивилизации. Беспилотные зонды, пусть даже очень хорошо оснащенные, не способны выполнить эту работу. И даже нескольких коротких пилотируемых полетов на поверхность Красной планеты будет недостаточно, особенно если экипажи смогут проводить исследования только в окрестности временной базы. Чтобы узнать о Марсе действительно много, нам придется постоянно летать к нему, причем делать это часто.

Площадь поверхности Красной планеты – 144 миллиона квадратных километров, это почти столько же, сколько дают все континенты и острова Земли, вместе взятые. На Марсе есть что исследовать. Более того, его ландшафты невероятно разнообразны. Там есть каньоны, глубокие низины, русла рек и пересохшие озера, долины, образованные речными стоками, кратеры, вулканы, ледяные поля и области с хаотичным рельефом – причем это еще далеко не все. Геологическая служба США к данному моменту насчитала на Марсе не менее 31 типа рельефа – такая информация приводится в «Упрощенной геологической карте» планеты, – и пока еще не завершена полноценная фотосъемка с высоким разрешением. Отдельные элементы, например долины Маринер, достигают в длину 3000 километров и сравнимы по размеру с континентом. Для основательного изучения одного такого участка придется передвигаться на огромные расстояния.

Сухие русла рек, открытые на Марсе «Маринером-9», доказывают, что когда-то здесь существовал теплый и влажный климат, подходящий для зарождения жизни. Когда Марс был молодой планетой, его атмосфера из углекислого газа, куда более толстая, чем сейчас, создавала сильный парниковый эффект. У Венеры до сих пор такая атмосфера, потому на поверхности планеты стоит ужасная жара. Расстояние между Солнцем и Марсом больше, чем между Солнцем и Венерой, так что толстая атмосфера из углекислого газа и, соответственно, парниковый эффект могли бы создать на Красной планете температурные условия, необходимые для зарождения жизни. Большинство ученых, исследующих Марс, сегодня склоняются к мысли, что такие условия сохранялись на Марсе в течение куда большего времени, чем то, что потребовалось для развития жизни на Земле. Современные гипотезы рассматривают этот процесс как естественное развитие и усложняющуюся самоорганизацию вещества, которые неизбежно должны возникать там, где существуют соответствующие физические и химические условия. Если гипотезы верны, то жизнь на Марсе должна была появиться, так как в период ее зарождения на Земле условия на обеих планетах были схожими. Затем атмосфера Марса стала тонкой, и планета превратилась в холодный засушливый мир, каким мы видим его сегодня, – это ухудшение климата почти наверняка привело к исчезновению жизни на поверхности. Тем не менее микроорганизмы могли оставить макроскопические ископаемые. Некоторые такие окаменелости были найдены на Земле, они называются бактериальными строматолитами и датируются возрастом 3,7 миллиарда лет, что делает их современниками тропической эры Марса. Даже если марсианская жизнь вымерла полностью, ее окаменелые останки могли сохраниться. Сегодня мы знаем все о шансах жизни на зарождение на примере одной-единственной планеты: нашей собственной. Так что нам не известно, произошло это благодаря одному призрачному шансу из триллиона или должно было случиться наверняка. Ничтожные шансы никогда не выпадают дважды подряд. Если бы нам посчастливилось найти на Марсе либо живые организмы, либо их окаменелости, мы бы знали наверняка: жизнь во Вселенной есть.

Таким образом, поиски жизни, сохранившейся или окаменелой, станут наиболее приоритетной задачей для первых исследователей Марса, поскольку смогут дать ответ на вопрос, уникальна ли жизнь как явление. Результаты миссии «Викинг» показали, что если жизнь до сих пор и сохраняется на Марсе, то она редка, и ее поиски будут нелегким делом. Впрочем, точно так же опыт палеонтологов на Земле показал, что охота за ископаемыми останками требует сбора большого количества информации, так как образование обнаружимых окаменелостей – событие с очень низкой вероятностью. Только представьте себе, сколько всего для этого требуется! Для начала, когда организм умирает, он немедленно должен быть изолирован от окружающей среды. В противном случае он в скором времени разложится или, возможно, станет чьей-нибудь пищей. Он должен оставаться изолированным миллионы или даже миллиарды лет и оказаться доступным в тот момент, когда вы пройдете мимо в поисках какой-нибудь древней кости. (Если окаменевший организм будет находиться на воздухе длительное время, среда уничтожит его прежде, чем вы его увидите.) Вспомните всех тех трицератопсов или хотя бы бизонов, которые когда-то бродили по равнинам Северной Америки стадами от десятков до миллионов голов, – ведь никто сегодня не спотыкается об их окаменевшие скелеты. Нет, если вы собираетесь найти кость динозавра или марсианский строматолит, вам лучше приготовиться к долгому путешествию. А если вы хотите доказать, что окаменелостей не существует, вам придется путешествовать еще больше, потому что ваша способность продемонстрировать убедительный отрицательный результат будет зависеть от территории поиска: в идеале лучше обыскать практически всю поверхность планеты. В конце концов, требования мобильности для исследования Марса предельно просты: нужно иметь возможность попасть в любую точку планеты. Это обстоятельство часто упускают из виду.

Так как же будет передвигаться экипаж нашей первой пилотируемой марсианской миссии? Работавший от батарей лунный ровер, использовавшийся в программе «Аполлон», мог проехать 20 километров и тем самым позволял исследовать окрестности в радиусе 10 километров от места посадки модуля. Пилотируемая марсианская экспедиция, оснащенная аналогичным образом, могла бы исследовать каких-то 300 квадратных километров, независимо от длительности пребывания экипажа на поверхности планеты, а для того чтобы с такой техникой осмотреть всю поверхность Марса, понадобилось бы около полумиллиона аналогичных миссий. Даже если бы мы собирались просто изучить несколько интересных районов, ограничение подвижности в связи с использованием такого ровера оказалось бы существенным препятствием и значительно увеличило бы стоимость подготовки серьезной программы пилотируемых космических исследований. Например, в табл. 6.1 приведен список интересных мест в треугольной области Копрат, окружающей место посадки с координатами 0° с.ш. и 65° з.д. Поскольку эта область располагается вблизи экватора (а следовательно, там сравнительно тепло и солнечно круглый год) и содержит много разнообразных интересных объектов, весьма вероятно, что именно она станет зоной высадки первой экспедиции людей на Марс.

Можно убедиться, что если бы мобильность на поверхности Красной планеты была ограничена радиусом в 100 километров (что в десять раз лучше, чем у лунного ровера программы «Аполлон»), то для посещения всех перечисленных в таблице мест понадобилось бы по меньшей мере двенадцать высадок. А вот если бы в рамках миссии ровер позволял удаляться на 500 километров от базы, то для осмотра всех четырнадцати участков понадобилось бы всего четыре миссии, причем они смогли бы охватить площадь в восемь раз большую, чем та, что была бы доступна для двенадцати миссий, оснащенных роверами со 100-километровым запасом хода.

Таблица 6.1. Элементы поверхности Марса, интересные для исследования

* Хаотичные области – области разнообразного рельефа на небесном теле. – Прим. пер.

Каждый пилотируемый полет на Марс обойдется нам в миллиарды долларов. Стоимость миссии может быть снижена за счет новых технологий – например, ядерного реактивного двигателя или более дешевых ракет-носителей. Но, даже если такие исследования будут поощряться и поддерживаться, введение каждой новой технологии обойдется в миллиарды долларов, так что в конечном итоге расходы марсианскую миссию удастся сократить примерно в два раза. А вот работа над увеличением дальности хода транспортных средств для перемещения по поверхности Марса, вероятно, обойдется дешевле и способна повысить эффективность исследований в 100 раз и даже больше.

Понятно, что нет ничего важнее для определении эффективности затрат в нашем деле, чем мобильность.

Транспортные средства на Марсе

Машины для Марса можно строить разные: колесные, гусеничные, полугусеничные и даже на механических ногах – все они успешно станут двигаться по поверхности. Куда важнее то, каким образом транспортное средство будет снабжаться энергией.

Единственные автомобили, до сего момента использовавшиеся в космосе, – это лунные роверы программы «Аполлон», негерметичные и работающие от батарей. Если бы мы взяли самые современные литий-ионные аккумуляторы (похожие на те, что стоят в видеокамерах) и зарядили бы их, чтобы роверу хватило питания на 10 часов, такая система могла бы производить около 10 Вт энергии на каждый килограмм своего веса. А вот если бы вместо батарей мы использовали водородно-кислородные топливные ячейки вроде тех, что обеспечивали электроэнергией шаттлы, то соотношение энергия/масса в системе удалось бы поднять примерно до 50 Вт/кг. Это, конечно, был бы прогресс, но другая знакомая вам технология кажется куда более эффективной.

Соотношение энергии и массы у двигателей внутреннего сгорания может достигать значения 1000 Вт/кг. Это в 20 раз выше, чем у водородно-кислородных топливных ячеек, и в 100 раз выше, чем у систем, работающих от аккумуляторов. Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают гораздо большую мощность при значительно меньшей массе в сравнении со всем остальным (и именно по этой причине стоят в подавляющем большинстве земных транспортных средств). Данное преимущество можно использовать для наших марсианских автомобилей. При такой массе системы жизнеобеспечения размеры автомобиля будут прямо пропорциональны его скорости, которая, в свою очередь, пропорциональна энергии. Но если вы попытаетесь добиться одинаковой мощности двигателя внутреннего сгорания и альтернативной системы, то вес последней легко может оказаться чрезмерным. Представьте себе ровер, имеющий мощность 50 кВт (около 65 л. с). Масса двигателя внутреннего сгорания в этом случае будет около 50 килограммов, тогда как топливных баков для обеспечения такой же мощности понадобится около 1000 килограммов. В автомобиль с двигателем внутреннего сгорания можно будет погрузить исследовательского оборудования и продовольствия на 950 килограммов больше, чем в ровер, работающий на водородно-кислородном топливе, и при этом в плане выносливости, грузоподъемности и размера первое транспортное средство будет выигрывать.

Кроме того, автомобиль с двигателем внутреннего сгорания можно практически неограниченно снабжать энергией, что позволит экипажам на выезде проводить энергоемкие научные исследования на таких расстояниях от базы, о которых раньше мы и не помышляли. Например, экипаж может отправиться на герметизированном автомобиле с двигателем внутреннего сгорания на разведку к удаленному участку и сгенерировать 50 кВт энергии для запуска буровой установки, чтобы попытаться достичь уровня марсианских грунтовых вод. Скорость передачи данных также пропорциональна энергии, а следовательно, в случае с двигателем внутреннего сгорания она может быть намного выше, что, в свою очередь, увеличит и безопасность экипажа, и научную результативность поездки. Более того, благодаря двигателям внутреннего сгорания можно будет использовать маленькие и легкие электростанции, необходимые для быстрых и маневренных одноместных вездеходов. Как и на Земле, такие универсальные внедорожники сильно помогут исследователям, работающим в марсианской «глубинке».

Двигатели внутреннего сгорания также могут быть использованы, чтобы обеспечить большим количеством энергии главную базу или удаленную стройку (бульдозеры и пр.). В конечном итоге большее энерговыделение таких двигателей обеспечит большую мобильность при использовании компактных, легких и гораздо более функциональных транспортных средств, что сделает программу исследования Марса эффективной и экономически выгодной во всех отношениях. Если мы хотим добиться там чего-либо серьезного, нам понадобятся транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. Но есть одна загвоздка.

Для использования таких машин требуется очень много топлива. Например, по моим оценкам, герметичный ровер весом в тонну потребует около 0,5 килограмма метаново-кислородного топлива на один километр пути. Таким образом, поездка на 800 километров от базы и обратно обойдется примерно в 400 килограммов топлива. Если преодолевать в среднем по 100 километров в день, экспедиция займет восемь дней. За те 600 дней, что миссия будет оставаться на Марсе, придется совершить много таких поездок. Если использовать ровер описанным образом в течение всего 300 дней из 600, он израсходует 15 тонн метаново-кислородной смеси. Необходимость импортировать такую массу топлива с Земли только для обеспечения работы ровера – это настоящая логистическая катастрофа. Если мы хотим пользоваться на Марсе транспортными средствами с двигателями внутреннего сгорания, мы должны быть в состоянии изготовить для них топливо на месте.

На марсианские автомобили можно установить любой из двигателей внутреннего сгорания, что сегодня применяются на Земле, в том числе бензиновый, дизельный или газовые турбины. Однако, если вы станете сжигать чистое ракетное топливо, например смесь метана и кислорода, двигатель будет сильно перегреваться и быстро выйдет из строя. Разбавление горючей смеси атмосферным углекислым газом, подаваемым вентилятором, снимает проблему. Диоксид углерода действует как инертный буферный газ, он будет снижать температуру пламени так же, как на Земле это делает содержащийся в воздухе азот.

Размер марсианского ровера, приводимого в движение путем химического сгорания, будет в решающей степени зависеть от соотношения энергии и массы используемого топлива. Хотя на Марсе в принципе можно использовать любое двухкомпонентное топливо, не следует забывать об издержках транспортировки, поэтому большая его часть должна быть изготовлена на месте из марсианских материалов. Список возможных комбинаций приведен в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Потенциальные виды двухкомпонентного топлива для транспортных средств на Марсе

Марсианская атмосфера на 95 % состоит из двуокиси углерода, и поэтому ее комбинации с водородом (Н_2/CO_2) и гидразином (N_2H_4/CO_2), приведенные в табл. 6.2, могут использоваться в воздушно-реактивных двигателях по принципу, во многом схожему с принципом работы двигателей внутреннего сгорания и воздушно-реактивных двигателей на Земле. В этих случаях, когда речь идет о соотношении энергии и массы, имеется в виду масса только одного компонента топлива, так как углекислый газ перевозить на машине не нужно. Становится очевидно, что с точки зрения соотношения энергии и массы двигатель на смеси водорода и диоксида углерода превосходит все другие варианты. Однако огромная проблема хранения водорода делает использование такой системы в ровере практически нереальным. Смесь метана и кислорода обладает высокой энергоемкостью, так что можно остановиться на этом варианте. Мало того, как раз метаново-кислородное топливо на Марсе производить проще всего. Оно также наилучшим образом подходит для ракет-носителей, которые будут летать с поверхности Красной планеты. Как мы уже видели, план «Марс Директ» предполагает использование смеси метана и кислорода в качестве топлива для ВЗА. Так что наши роверы можно будет заправлять на том же марсианском заводе (ЗПТМ), что изготавливает топливо для ракет.

Впрочем, можно видеть, что удельная энергоемкость смеси метанола и кислорода тоже неплоха. Это интересно, потому что метанол и кислород хорошо подходят для топливных элементов (автобусы в Ванкувере в настоящее время работают на таких системах), и в плане простоты получения на Марсе метанол стоит на втором месте после метана. Несмотря на то что метанол существенно уступает метану как ракетное топливо, его некриогенная природа и простота транспортировки (его перевозят как воду – стеклоочистительная жидкость на треть состоит из этого вещества) делают его интересным вариантом для использования в качестве переносимого источника энергии для астронавтов, работающих на поверхности Марса. Итак, если мы готовы столкнуться с большими сложностями, используя две различные системы производства топлива – одного для ракет, другого для техники, катающейся по поверхности Марса, – можно рассмотреть вариант со смесью метанола и кислорода.

Ровер будет работать на этом топливе, разбавленном углекислым газом, или использовать топливный элемент на метаноле и кислороде. Отходами в обоих случаях окажутся углекислый газ и вода. Первый никакой ценности не представляет – его всегда можно получить из марсианской атмосферы, – а потому он будет выводиться как выхлоп. А вот с водой все обстоит иначе. Хорошая идея – оснастить марсианские автомобили холодильниками (конденсаторами), которые позволят отфильтровывать воду из продуктов работы двигателя. (Это не сложная технология. ВВС США в 1920-х годах проделывали то же самое с дирижаблями. Отработавшая свое вода там использовалась в качестве балласта.) По возвращении ровера на базу конденсированную воду будут изымать, чтобы потом объединить с двуокисью углерода и использовать для синтеза метаново-кислородного топлива. Если 90 % воды удастся использовать повторно, можно будет более 10 раз заправить машину топливом, полученным из одного и того же вещества.

А что насчет системы жизнеобеспечения ровера? На поверхности Марса на тех же ЗПТМ можно легко производить неограниченное количество кислорода, используя диоксид углерода, из которого атмосфера Марса состоит на 95 %. Однако азот и аргон в сумме составляют всего около 4,3 % марсианской атмосферы, и, следовательно, найти буферный газ для дыхания будет гораздо сложнее. (Вы можете использовать диоксид углерода в качестве буферного газа для двигателей, но не для человека. В концентрациях выше 1 % он становится токсичным.) Поэтому крайне важно, чтобы жилые модули и герметичные роверы работали при минимально возможных парциальных давлениях буферного газа. Для жилого модуля на поверхности Марса я рекомендую давление в 5 фунтов на квадратный дюйм[23] (3,5 фунта кислорода, 1,5 фунта азота), такое давление использовали астронавты НАСА в долгосрочных экспедициях на станциях «Скайлэб» в 1970-е годы.

Экипажи программы «Аполлон», однако, проводили двухнедельные миссии в атмосфере без буферного газа, содержавшей 5 фунтов на квадратный дюйм кислорода. Поскольку самые длительные поездки на роверах тоже будут длиться около двух недель, я рекомендую для герметичных роверов именно такой вариант. У него есть серьезные преимущества. Для ровера с низким давлением не нужен шлюз, поэтому машина окажется значительно легче, чем при конструировании другого варианта. Когда члены экипажа захотят покинуть ровер и заняться внекорабельной деятельностью (ВКД), они просто наденут скафандры, сидя в его кабине, затем стравят оттуда кислородную атмосферу, откроют люк и выйдут наружу. Поскольку в дыхательной смеси не будет азота, разгерметизация займет очень мало времени: без азота в крови люди не заработают кессонную болезнь. Если принять объем внутренней части ровера за 10 кубических метров, тогда каждый раз во время разгерметизации будет теряться 3,3 килограмма кислорода. Если бы часть его мы могли закачать в цилиндр под давлением, потери удалось бы и вовсе свести к минимуму, но в любом случае они легко восполняются благодаря местному производству кислорода на базе.

Ровер с атмосферой низкого давления позволит использовать скафандры для ВКД под низким давлением (3,8 фунта на квадратный дюйм кислорода, без буферного газа, как в миссиях «Аполлон») без предварительного уменьшения количества азота в крови. Этот вариант скафандра будет самым легким и гибким из всех возможных и, таким образом, позволит повысить качество полевых исследований на поверхности Марса. (Скафандры, использовавшиеся на шаттлах, представляли собой своего рода миниатюрные космические корабли, такие конструкции слишком тяжелы для использования на Марсе.) Поскольку кислород будет возобновляемым ресурсом, мне представляется наиболее удобной прямоточная система, где выдыхаемый воздух выбрасывается непосредственно в окружающую среду (как в акваланге), – она сильно упростит дизайн скафандра. Это не только будет полезно для уменьшения его массы, но и существенно повысит его надежность, возможность многократной эксплуатации и удобство. Все это позволит использовать на поверхности Марса не десятки, а тысячи скафандров.

Предположим, что человек вдыхает 5 галлонов (или 19 литров) воздуха в минуту. В этом случае каждый астронавт, использующий такой «акваланг» низкого давления, будет расходовать 1,3 килограмма кислорода в ходе четырех часов ВКД. Метанольно-кислородный топливный элемент мог бы отводить часть отработанного кислорода и использовать его в сочетании с небольшим количеством метанола, для того чтобы снабжать астронавта в скафандре энергией. Таким образом, если два человека будут по одному разу в день покидать ровер, дважды меняя атмосферу в кабине, на это уйдет 12 килограммов кислорода. Если использовать машину в таком темпе ежедневно на протяжении 600-дневного пребывания на поверхности Марса, на этой уйдет 7 тонн кислорода. Такие расходы окажутся обременительными, если кислород будет привезен с Земли. Если же производить его на Марсе, потребуется всего 24 дня работы ЗПТМ с реактором мощностью 60 кВт.

Изготовление топлива на Марсе

К этому моменту вам должно быть очевидно, что возможность добраться до Марса с приемлемыми затратами и начать делать что-то осмысленное, оказавшись там, зависит главным образом от одной ключевой технологии – производства топлива из марсианской атмосферы. Но возможно ли это? Несомненно, да. На самом деле все химические процессы, предусмотренные в программе «Марс Директ», массово используются на Земле на протяжении уже более века.

Первый шаг в производстве топлива – это получение исходных материалов. Так как водород в двухкомпонентной смеси занимает лишь около 5 % от общей массы топлива, его лучше импортировать с Земли. При хорошей многослойной изоляции баков можно добиться, чтобы в месяц выкипало менее 1 % жидкого водорода без какого-либо активного охлаждения (перелет между планетами займет в целом шесть-восемь месяцев). Поскольку водородное сырье не будут сразу подавать в двигатель, его можно загустить до гелеобразного состояния небольшим количеством метана для предотвращения утечек. Это также снизит выкипание (на целых 40 %), подавляя конвекцию внутри резервуара.

Единственные виды сырья, которые потребуются нам на Марсе для производства топлива, – это углерод и кислород, наиболее распространенные элементы в марсианской атмосфере, на 95 % состоящей из углекислого газа. Они будут доступны в любой точке планеты так же свободно, как воздух на Земле. Атмосферное давление, измеренное в двух местах посадки «Викингов», варьируется в течение марсианского года от 7 до 10 мбар (1 бар – это атмосферное давление на Земле на уровне моря, или 14,7 фунта на квадратный дюйм; 10 мбар составляют 1 % от атмосферного давления на Земле на уровне моря), а среднее за год значение 8 мбар наблюдалось на месте посадки «Викинга-1» – в высшей точке долины Хриза. Насосы, способные удерживать газ под таким давлением и сжимать его до пригодного для работы давления в 1 бар или более, впервые были продемонстрированы английским физиком Фрэнсисом Хоксби в 1709 году, а сегодняшние аналоги способны на куда большее. Тем не менее, чтобы сжать диоксид углерода, насос не нужен. Для этого можно использовать всасывающую подстилку вроде губки, впитывающей углекислый газ. Все, что будет нужно сделать, – это взять емкость и засыпать туда либо активированный уголь, либо цеолит, а затем оставить ее ночь в открытом виде на поверхности Марса. При ночных заморозках (-90 °C) подстилка впитает до 20 % диоксида углерода от своего веса. Затем, когда наступит день, нужно нагреть поглощающий слой до 10 °C или близкого значения, и газ начнет выделяться. Таким способом можно получать диоксид углерода под очень высоким давлением, практически не используя подвижных конструкций и ограничившись очень малыми расходами энергии.

Можно использовать отходящее тепло, генерируемое какими-нибудь устройствами, для управления процессом дегазации. В моей лаборатории в «Мартин Мариетта» мы построили такую систему, и она работала очень хорошо.

Теперь, чтобы обеспечить контроль качества во время производства ракетного топлива, нужно убедиться, что в химические реакторы не попадают никакие примеси – речь идет о марсианской пыли. Этого можно добиться, разместив фильтр на входном отверстии емкости или насоса, чтобы удалить большую часть пыли, а затем сжав марсианский «воздух» примерно до 7 бар. Когда углекислый газ доводят до этого давления, а затем оставляют, чтобы его температура сравнялась с температурой окружающей среды, газ конденсируется в жидкость. (Мы не видим жидкой двуокиси углерода на Земле, потому что наше нормальное давление слишком низко для сжижения углекислого газа.) Пыль, которой удалось пройти через фильтры насосов, будет переходить в раствор или оседать на дне бака с CO_2, в то время как азот и аргон из марсианской атмосферы останутся газообразными. В такой форме их легко можно будет удалить, чтобы либо вернуть в атмосферу, либо, что еще лучше, сохранить для использования в качестве буферного газа системы жизнеобеспечения. Если затем диоксид углерода испарить из накопительного бака, то он окажется стопроцентно чистым, так как вся пыль останется в осадке. Процессы очистки дистилляцией, работающие на этом принципе, широко используются на Земле, начиная с середины 1700-х годов, когда Бенджамин Франклин продемонстрировал устройство опреснения воды для британского флота.

После получения чистого диоксида углерода дальнейший процесс становится полностью контролируемым и предсказуемым, так как на Марсе нет неизвестных факторов. Если разработать подходящий способ контроля качества, остальная часть процесса химического производства диоксида углерода может быть повторена на Земле при тех же самых условиях, что и на Марсе, такие испытания позволят гарантировать надежность технологии. Лишь отдельные ключевые элементы пилотируемой миссии на Марс (двигатели, аэродинамические чехлы для торможения, парашюты, система жизнеобеспечения, орбитальные стыковки, методы сборки и др.) могут быть протестированы так же тщательно. Это означает, что производство местного топлива вполне реально сделать самым надежным звеном в марсианской миссии, а не наоборот.

После получения диоксида углерода можно быстро провести реакцию метанирования с водородом, привезенным с Земли. Этот химический процесс также называют реакцией Сабатье в честь тщательно изучившего его в 1910-х годах химика.

Реакция Сабатье позволяет получить метан и воду из диоксида углерода и водорода. Записывается она следующим уравнением:

CO_2 + 4Н_2 → СН_4 + 2Н_2O (1)

Это экзотермическая реакция – при ее протекании высвобождается тепло, а происходит она спонтанно в присутствии никелевого или рутениевого катализатора (никель дешевле, рутений лучше). Константа равновесия, которая определяет полноту реакции, чрезвычайно сильно стремится сместить ее вправо и дает выход более 99 % уже при одном обычном запуске реактора. Реакция Сабатье широко используется в промышленности в течение примерно ста лет, а кроме того, она была изучена НАСА, ВВС США и их подрядчиками для возможного использования в системах жизнеобеспечения на МКС и в проекте «Пилотируемой орбитальной лаборатории». Компания «Гамильтон Стандарт» (сегодня это UTC Aerospace Systems), например, в 1980 году разработала реактор Сабатье для использования на МКС и подвергла его примерно 4200 часам квалификационных испытаний.

Тот факт, что реакция Сабатье является экзотермической, не означает, что для ее протекания не требуется энергия. Использующиеся реакторы представляют собой простые стальные трубы, прочные и компактные, содержащие слой катализатора. Я полагаю, ориентируясь на результаты, полученные в лабораторных испытаниях в «Мартин Мариетта» и «Пионер Астронотикс», что модуль для производства всего объема метана, необходимого для миссии «Марс Директ», должен состоять из всего трех реакторов Сабатье, каждый длиной 1 метр и 12 сантиметров в диаметре.

Во время протекания реакции (1) производимый метан сжижается либо при контакте с потоком сверххолодного водорода, либо (после того как жидкий водород будет исчерпан) с помощью механического холодильника. (Метан находится в жидком состоянии примерно при такой же относительно небольшой температуре, как и жидкий кислород.) Вода, производящаяся в процессе, конденсируется и переносится в бак, после чего закачивается в специальный отсек и подвергается известной реакции электролиза, при которой под действием электрического тока расщепляется на водород и кислород:

2Н_2O → 2Н_2 + O_2 (2)

Кислород, полученный таким образом, охлаждается и сохраняется для дальнейших нужд, а водород может быть возвращен в реакцию Сабатье (1).

Электролиз знаком многим из школьного курса химии – ученикам обычно очень нравится этот эксперимент. Такая популярность опыта тем не менее послужила распространению несколько ошибочного представления о том, что ячейка для электролиза – это громоздкая конструкция из стеклянной посуды, расставленной по столу. В действительности электролизеры с модулятором и демодулятором представляют собой чрезвычайно компактные и надежные устройства, состоящие из сжатых слоев пластика, пропитанных электролитом, разделенных металлической сеткой и на каждом конце зафиксированных металлическими колпаками, прикрепленными к металлическим же стержням, проходящим по всей длине ячейки. Такие электролизеры с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) были сильно усовершенствованы для использования на атомных подводных лодках и к настоящему времени проработали более 20 миллионов «устройство-часов». Испытания включали воздействие на ячейки глубинными бомбами и перегрузками до 200 g. Компания «Гамильтон Стандарт» и компания «Лайф Сайенс» разработали легкие модули электролиза для Международной космической станции. Эти устройства вполне подходят для использования на марсианском топливном заводе. Блоки ТПЭ, которые «Гамильтон Стандарт» поставляет ВМФ Британии, по своему уровню выработки продуктов способны удовлетворить нужды в топливе пилотируемой миссии «Марс Директ». Эти блоки уже работали по 28 000 часов без обслуживания, что примерно в четыре раза больше, чем планируемая продолжительность марсианской экспедиции. Для подводных лодок блоки ТПЭ делаются очень тяжелыми – это нужно для балластировки, – для космических полетов они должны быть гораздо легче.

Если весь водород пойдет на производство топлива посредством реакций (1) и (2), то каждый его килограмм, привезенный на Марс, будет преобразован в 12 килограммов двухкомпонентного топлива из метана и кислорода (в соотношении 2:1 соответственно). Сжигание такой смеси обеспечит удельный импульс около 340 секунд. Этот показатель можно было бы назвать хорошим, но оптимальное соотношение кислорода и метана – около 3,5:1, такая пропорция дает удельный импульс в 380 секунд, а массовое отношение водорода к двухкомпонентному топливу в таком случае будет 18:1.

Это наилучший уровень производительности, какого можно достичь для реализации пилотируемой миссии «Марс Директ». Но он требует дополнительного источника кислорода, кроме того, который дают реакции (1) и (2). Одно из возможных решений – прямое восстановление двуокиси углерода:

2CO_2 → 2СО + O_2 (3)

Эту реакцию можно осуществить, нагрев двуокись углерода примерно до 1100 °C, что приведет к частичной диссоциации газа, после чего произведенный свободный кислород можно будет под напряжением пропустить через циркониевые керамические мембраны и тем самым отделить от остального газа. Использовать эту реакцию для производства кислорода на Марсе впервые предложил доктор Роберт Эш из ЛРД в 1970 году и с тех пор это было и остается предметом исследований как самого Эша (который сейчас работает в Университете Старого Доминиона), так и Кумара Рамохали и К. Р. Шридхар (из Университета штата Аризона). Преимущество данного химического процесса – то, что он полностью отделен от любых других и позволяет произвести неограниченное количество кислорода без какого-либо дополнительного исходного сырья. К недостаткам можно отнести то, что трубки из циркония крошатся и дают небольшой выход продукта, потому для миссии «Марс Директ» их понадобится очень много. Также для этого процесса требуется примерно в пять раз больше энергии, чем при производстве того же объема кислорода с помощью электролиза воды. Недавно исследователи из Университета штата Аризона сообщили, что им удалось увеличить выход реакции, так что ее имеет смысл рассматривать в качестве перспективной, но все еще экспериментальной.

Альтернативой, которая позволит удержать все процессы строго в рамках промышленной химии эпохи газового освещения, будет известная инженерам-химикам реакция конверсии водяного газа, запущенная в обратном порядке: повторное использование некоторого количества водорода (полученного в блоке электролиза) в третьей камере, где он вступит в реакцию с диоксидом углерода в присутствии железно-хромового или медного катализатора. Этот процесс даст на выходе окись углерода и воду:

CO_2 + Н_2 → СО + Н_2O (4)

Реакция (4) слегка эндотермическая, но протекает она при 400 °C, что хорошо укладывается в температурный режим реакции Сабатье. Если проводить реакцию (4) одновременно с (1) и (2), то можно получить смесь с искомым соотношением метана и кислорода, а вся энергия, необходимая для реакции (4), будет добыта из тепла, выделяемого в реакторе Сабатье. Реакцию (4) можно проводить в простой стальной трубе, что делает конструкцию довольно надежной. Недостатком здесь является то, что в интересующем нас температурном интервале реакция (4) имеет константу равновесия всего около 0,1, а это означает, что для поддержания процесса придется запустить конденсатор и мембранный сепаратор, чтобы постоянно удалять из реактора воду и окись углерода, а затем с помощью насоса возвращать в камеру непрореагировавшие водород и диоксид углерода и повторно их использовать. (Вода и СО – это продукты, стоящие в правой части уравнения (4); пока они непрерывно удаляются, реакция сообразно химическим принципам будет течь вправо с образованием воды и СО, чтобы поддерживать соответствующую равновесную концентрацию в реакторе.) Такая система была впервые продемонстрирована мною и Брайаном Фрэнки в «Пионер Астронотикс» в 1997 году, причем с последующими улучшениями нам удалось достичь почти полного превращения диоксида углерода и водорода в СО и воду. При запуске реактора обратной конверсии водяного газа (ОКВГ) параллельно с циклом реакции Сабатье и электролиза можно легко добиться такого соотношения метана и кислорода в топливе, которое будет оптимальным для использования в ходе миссии «Марс Директ».

Более элегантное решение заключается в простом объединении (1) и (4) в одном реакторе следующим образом:

3CO_2 + 6 Н_2 → СН_4 + 2СО + 4 Н_2O (5)

Эта слабоэкзотермическая реакция, и если запустить ее вместе с (2), смесь кислорода и метана будет иметь пропорцию 4:1, что даст оптимальное соотношение масс компонентов топлива 18:1, причем кислорода окажется даже больше, чем нужно, – его можно будет использовать как запас для системы жизнеобеспечения. Кроме того, продуктом реакции окажется окись углерода, теоретически пригодная для различных двигателей внутреннего сгорания или топливных элементов. Если учесть весь произведенный запас окиси углерода и кислорода, общее соотношение масс компонентов топлива может достигать 34:1!

В проекте, проведенном для НАСА между 2005 и 2007 годами, «Пионер Астронотикс» продемонстрировала этот цикл в действии с самого начала и до конца с помощью системы, которая брала из емкости газ, близкий по составу к марсианскому «воздуху» и содержащийся под давлением в 8 мбар, сжимала его до 3 бар, применяла сборную реакцию (5) для получения метана, оксида углерода и воды, затем подвергала последнюю электролизу для производства кислорода и водорода (он снова отправлялся в реактор), очищала от СО метан и сжижала его. Было показано, что этот реактор – который начал разрабатывать Тони Мускателло, а завершили Дуве Бруинсма и его коллеги, после того как Тони ушел из «Пионер Астронотикс», чтобы занять пост в Космическом центре имени Кеннеди, – способен производить метан и кислород в любом соотношении, работая при автоматизированном управлении до пяти дней без остановок.

Еще один способ добычи необходимого кислорода состоит в том, чтобы просто взять часть метана, полученного в реакции (1), и разложить в процессе пиролиза на углерод и водород:

СН_4 → С + 2Н_2 (6)

Полученный таким образом водород будет затем снова использован для взаимодействия с местным углекислым газом в реакции (1). Через некоторое время в камере, где проводилась реакция (6), накопится какое-то количество графита (сегодня это самый распространенный на практике метод промышленного получения пирографита). Поступление метана в реактор будет прекращено, вместо него камеру заполнит горячая газообразная двуокись углерода. Она начнет вступать в реакцию с графитом с образованием СО, который затем будет отводиться из камеры.

CO_2 + С → 2СО (7)

Использовать две камеры – одну для пиролиза, другую для очистки – мне предложили как самое простое решение проблемы с дополнительным кислородом Джим Макэлрой и его исследовательская группа из «Гамильтон Стандарт».

Дело в том, что записать на бумаге систему химического синтеза как серию уравнений легко, куда труднее построить модуль, работающий должным образом. Однако к реактору, о котором я вам рассказал, это не относится – я знаю наверняка, потому что сам руководил рядом проектов по созданию всех блоков ЗПТМ с нуля. Первый и в некотором роде наиболее драматичный из этих проектов был начат осенью 1993 года, когда Дэвид Каплан и Дэвид Уивер из Космического центра имени Линдона Джонсона НАСА спросили меня, сможет ли «Мартин Мариетта» продемонстрировать рабочую модель ЗПТМ, которую я пропагандировал на конференциях и в статьях. Однако в той истории произошла неприятность: НАСА выделило всего 47 тысяч долларов на мой проект, а это очень маленький бюджет для того, чтобы разработать и продемонстрировать новую аэрокосмическую технологию, к тому же мне следовало закончить к январю 1994 года. Это было достаточно рискованно – в «Мартин Мариетта» 47 тысяч долларов обычно платят за презентацию с парой десятков слайдов. Однако я твердо верил в то, что технология проста и что проект, кажущийся нереализуемым при имеющемся бюджете и сроках, в принципе осуществим. После долгих обсуждений с руководством я принял вызов. В октябре 1993 года «Мартин Мариетта» заключила контракт на выполнение работы, Дэвид Каплан возглавил программу, Стив Прайс был назначен руководителем проекта со стороны «Мартин Мариетта», а я выступал в качестве главного исследователя и ведущего инженера.

Конструкция системы была разработана в октябре 1993 года, и большую часть ноября мы ждали, пока нам пришлют детали. К концу месяца мы получили все необходимые компоненты и принялись за строительство завода в натуральную величину согласно требованиям миссии по доставке марсианского грунта.

Реактор Сабатье создали с нуля, заполнив металлическую трубу 36 сантиметров в длину и 5 сантиметров в диаметре рутениевым катализатором, полученным от некой компании, поставляющей химическое сырье. (Позже выяснилось, что мы взяли его в десять раз больше по объему, чем требовалось для системы, но мы были стеснены жесткими сроками, которые не позволяли нам делать что-либо дважды. Поэтому проектирование с запасом показалось нам хорошим вариантом.) Электролизер, имевший длину всего в 25 сантиметров и весивший 3 килограмма вместе с водой, был взят из устройства для производства водорода в лаборатории «Паккард Инструмент». Мы также добыли нихромовые нагреватели, чтобы довести реактор Сабатье до рабочей температуры (в дальнейшем тепло, выделяемое в ходе химических реакций, должно было поддерживать его горячим без использования электричества). Наконец, мы построили систему конденсации, чтобы отделять произведенный метан от произведенной воды, а затем испытали всю систему, включая датчики давления и температуры и измерители расхода газа, установленные в стратегических точках и подключенные к компьютеру. К середине декабря система была завершена и готова к работе.

15 декабря ее включили в первый раз, запустив только реактор Сабатье. К концу второго часа работы уровень воды в конденсаторе заметно поднялся – а это значило, что система работает. Последующий лабораторный анализ газа, отходящего из реактора Сабатье, показал, что тот с 68 %-ной эффективностью преобразует водородное сырье и углекислый газ в метан и воду.

В последующие дни в систему были внесены изменения, чтобы повысить ее производительность. К 22 декабря, когда водород для реактора Сабатье подавался из электролизера, мы достигли эффективности в 85 %. 5 января система в первый раз заработала в полноценной конфигурации, и ее эффективность при этом составила 92 %. Наконец, 6 января 1994 года она полноценно проработала день, показав 94 %.

В результате этого последнего запуска были достигнуты все тестовые цели, и у нас еще остались деньги, чтобы оплатить подготовку отчета [24].

После этого успеха систему удалось усовершенствовать за счет небольших сумм, выделенных сначала Космическим центром имени Линдона Джонсона, а потом ЛРД. Были добавлены поглощающие слои, которые позволяли блоку получать углекислый газ из емкости, моделирующей атмосферу Марса при ее нормальном давлении. Эффективность реактора Сабатье увеличилась до 96 %, а сам он был уменьшен в 10 раз и обзавелся 2-килограммовым холодильником на цикле Стирлинга, что позволило нам сжижать весь получаемый кислород и хранить его в криогенном сосуде Дьюара. Также были добавлены автоматизированные системы управления, благодаря чему устройство стало работать по 10 дней подряд без вмешательства оператора. Общая масса всех рабочих компонентов составила в конечном итоге около 20 килограммов, а общая необходимая мощность была менее 300 Вт [25], при том что система позволяла получать 400 кг ракетного топлива для поддержки миссии доставки марсианского грунта.

В 1996 году я ушел из «Локхид Мартин» (так к тому времени назывался «Мартин Мариетта»), чтобы основать собственную компанию, «Пионер Астронотикс». Мы разработали множество дополнительных устройств, демонстрирующих обратную конверсию водяного газа, а также получение метанола, бензола, этилена и пропилена, а еще создали системы, объединяющие реакцию Сабатье, электролиз и ОКВГ.

Моя старая команда в «Локхид Мартин» – в настоящее время ее возглавляет Ларри Кларк – продолжает совершенствовать реакторы Сабатье и электролиза, стремясь добиться большей эффективности и выработать конфигурации, наиболее подходящие для полета. Исследования показывают, что в системе по производству топлива, подогнанной по размеру для миссии «Марс Директ», отношение масс для всех реакторов окажется еще более выраженным, так как процент массы системы, отведенной под паразитные элементы, такие как измерители расхода газа и датчики давления, будет крайне мал.

Итак, мы все-таки можем производить ракетное топливо и кислород прямо на Марсе.

Связь с базой

Используя роверы с двигателями внутреннего сгорания, первые исследователи Красной планеты смогут уезжать от базы достаточно далеко, но как они при этом будут поддерживать связь? Все-таки диаметр Марса чуть больше половины диаметра Земли, и линия горизонта там пролегает значительно ближе, примерно в 40 километрах от наблюдателя, если допустить, что поверхность плоская, как равнины Канзаса, – но Марс совершенно точно не Канзас. Так что, отправляясь куда-нибудь, команда астронавтов будет выезжать за линию горизонта, а это исключает передачу радиосигналов в зоне прямой видимости. Как же в таком случае поддерживать связь с базой?

Вот один из ответов: нужно иметь спутник связи и ретранслятор, размещенный на орбите Марса в 17065 километрах над экватором. На такой высоте спутник будет летать со скоростью 1,45 километра в секунду, обращаясь вокруг планеты за 24,6 часа. Поскольку это значение совпадает с продолжительностью марсианского дня, спутник станет вращаться синхронно с планетой, и наблюдателю на поверхности будет казаться, что тот не движется вообще. Такой ареосинхронный спутник – точный марсианский аналог геостационарных спутников, которые в настоящее время широко используются для обеспечения связи на Земле. Если экспедиция высадится на Марс на экваторе, спутник будет круглосуточно висеть прямо над головами исследователей, позволяя поддерживать связь в области радиусом примерно в 5000 километров вокруг базы – это почти половина поверхности планеты.

Но спутники связи стоят денег и, что более важно, иногда выходят из строя. Что делать, если ретранслятор начнет барахлить в то время, когда команда исследователей будет в 400 километрах от базы?

Запасной план заключается в использовании любительского радио. Дело в том, что у Марса есть ионосфера – слой заряженных частиц в верхних слоях атмосферы, – которая может отражать радиосигналы, обеспечивая связь на поверхности Марса в коротковолновом диапазоне так же, как это происходит на Земле. Мы хорошо знаем свойства ионосферы Марса благодаря измерениям, проведенным «Маринером-9», орбитальными аппаратами «Викингов» и европейским зондом «Марс Экспресс». Она простирается вверх, начиная с высоты около 120 километров, и состоит из ионов, включающих 90 % O_2+ и 10 % CO_2+, и равного количества свободных электронов, создаваемых фотоионизацией. В течение дня плотность электронов достигает пикового значения около 200 000 частиц в кубическом сантиметре на высоте около 135 километров. За ночь концентрация спадает до минимальной – около 5000 частиц в кубическом сантиметре на высоте около 120 километров. Эти значения где-то в 25 раз ниже, чем аналогичные показатели ионосферы Земли. Вместе с тем, поскольку верхний порог частот для коротковолнового радио зависит от квадратного корня из плотности, максимум, доступный на Марсе, будет ниже максимума на Земле примерно в пять раз. У нас радиолюбители могут разговаривать друг с другом с частотах до 20 МГц, а на Марсе потолком будет значение около 4 МГц в дневное время и 700 кГц в ночное. Последняя цифра покажется вам слишком маленькой, если вы хотите пересылать изображения или наладить высокоскоростную передачу данных, но этого более чем достаточно для инженерной телеметрии или голосового общения. На самом деле на Земле данная полоса частот – АМ-радио – наиболее удобна для коммерческих радиостанций и некоторых других форм связи.

Кроме того, хоть коротковолновый диапазон на Марсе и располагается на несколько более низких частотах, чем на Земле, этот недостаток (с использованием более высоких частот можно передавать данные на большей скорости) уравновешивается тем, что марсианская ионосфера намного меньше подвержена радиопомехам. На Земле энергетические требования к передаче сигналов в коротковолновом диапазоне продиктованы фактором помех, вызываемых далекими грозами и большим количеством других радиолюбителей, а также коммерческих радиостанций и военных в эфире. Всего этого не будет на Марсе.

Возможно, вы сейчас представляете себе какое-нибудь тяжелое, громоздкое любительское радиооборудование, непригодное для мобильной связи. Однако существуют и вполне современные коротковолновые технологии, они были разработаны в военных целях и хорошо подходят для использования на Марсе – например, усовершенствованная миниатюрная высокочастотная система (УМВЧС, Advanced Miniature High Frequency System), созданная корпорацией «Дифенс Системс Инк.». Это двунаправленная система, состоящая из передатчика и приемника, каждый ее блок имеет массу 0,8 килограмма и объем 0,7 литра – она достаточно мала, чтобы не только разместить ее в роверах, но и взять с собой на время внекорабельной деятельности. Система может передавать сигнал в глобальном масштабе на освещенной стороне Марса со скоростью 2,4 кбит в секунду с использованием 10-ваттного генератора на солнечных батареях, или ядерного генератора, или 30-ваттного электрического.

Такой скорости достаточно для инженерной телеметрии, переписки по электронной почте, голосового общения низкого качества в режиме реального времени или высококачественной передачи записанных пакетов голосовых сообщений. Чтобы осуществлять высококачественную передачу голосовых сообщений в реальном времени (как в земных телефонах), потребуется в 20 раз большая скорость передачи данных и 600 Вт мощности, которые легко генерируются в ровере. Тем не менее требования к мощности можно будет сильно снизить, если ионосфера Марса действительно настолько тихая, как и предсказывает теория. В любом случае УМВЧС использует технологию зондирования, которая автоматически проводит поиск в спектре радиочастот, чтобы найти максимальную применимую в режиме реального времени, а затем отдает команду обоим устройствам провести контрольную установку соединения на конкретной частоте и подтвердить, что данные были переданы корректно. Таким образом, даже если ионосферные условия окажутся непредсказуемыми или меняющимися во время передачи, УМВЧС сможет адаптироваться, чтобы найти и сохранить лучший канал связи. Она использует свою электронику, чтобы компенсировать размер антенны для длины выбранной для связи волны. Так, 6-метровая гибкая штыревая антенна может использоваться для передачи сигнала на 0,5 МГц как на частоте 5 МГц. Используемая в системе антенна очень легкая и, как правило, представляет собой просто пружину, которую можно быстро развернуть при необходимости.

Использование коротковолнового радио для связи дает исследователям Марса дополнительное преимущество. Та же система может использоваться для исследований с помощью глубокого георадара. Радиосигнал на 3 МГц имеет длину волны 100 метров. В сухой марсианском среде сигналы, если их направлять вниз, предположительно могут проникать в грунт на глубину около 10 длин своей волны – то есть в данном случае на 1000 метров. В последнее время ученые считают, что на Марсе, скорее всего, есть подповерхностный слой жидких грунтовых вод, которые можно найти на глубине от 500 до 1000 метров. Даже если это не соответствует действительности в глобальном масштабе, скорее всего, оно верно в некоторых местах, что подтверждается наблюдениями, сделанными космическим аппаратом «Марс Глобал Сервейор»: на его фотоснимках между 2001 и 2005 годами видны проявления признаков водной эрозии на склоне кратера, которые могли быть созданы только временным истечением воды из подземного источника, когда «Марс Глобал Сервейор» работал на орбите.

В самом деле такие водоемы также могут быть распространенными объектами, так как геотермальная энергия обязательно должна вызывать таяние карманов подповерхностного льда и образование резервуаров с горячей водой. (Марс живой в плане геологической активности. По оценкам ученых, некоторые из вулканов в провинции Фарсида могли образоваться меньше 200 миллионов лет назад. С точки зрения возраста Марса в 4,5 миллиарда лет это все равно что вчера.) Команда ровера, оснащенная коротковолновым радио, может направлять сигналы радара в почву. Если на глубине около километра от поверхности есть жидкая вода, ее более высокая электропроводность по сравнению с окружающей сухой почвой или льдом заставит радиосигнал резко отразиться и вернуться к ресиверу, а временная задержка между передачей и приемом сигнала покажет экипажу, насколько глубоко располагается резервуар. Если исследователи обнаружат теплый водоем около поверхности, то расположат в этом месте буровую установку. Вода, в конце концов, – основа жизни.

Навигация на Марсе

Исследователи Красной планеты должны не только поддерживать связь с базой, но и как-то ориентироваться на местности. Хотя есть хорошие карты Марса, снятые с орбиты, основной проблемой для экипажа ровера будет определение собственного положения. Это очень важно не только для документирования координат различных научных находок, но и для того, чтобы экипаж не заблудился. В пустынях Марса, как и пустынях Северной Африки во время Второй мировой войны, заблудиться значит погибнуть. Радиомаяк на базе поможет людям найти дорогу домой, но он не будет действовать дальше горизонта (всего 40 километров вокруг базы, помните?). При приближении к этой границе экипаж ровера, двигающийся прочь от базы, может установить второй маяк на вершине холма, а потом еще и еще, чтобы отметить обратный путь. Такие действия, однако, сильно ограничены и, как и в истории про след из хлебных крошек, которые склевали птицы, могут закончиться катастрофически, если один из маяков прекратит работать. Какие еще методы навигации будут доступны экипажу ровера?

Что ж, первое, что приходит на ум аэрокосмическому инженеру, – это использование навигационных спутников. Если спутник находится на низкой полярной орбите Марса, его широта в любой момент будет известна. Если поставить на спутник радиомаяк (начиная с «Марс Глобал Сервейор», запущенного в 1996 году, все марсианские орбитальные аппараты оснащены таковыми), экипаж ровера сможет регистрировать его сигналы, и когда астронавты сравнят время прохода спутника на минимальном расстоянии с графиком его движения, записанным в компьютере ровера, то смогут определить свою широту. Кроме того, скорость прохода спутника мимо ровера будет большой, если тот расположен прямо под проекцией траектории спутника на марсианскую поверхность, и гораздо меньшей, если астронавты находятся далеко в стороне. Измерение доплеровского сдвига маяка на спутнике, вызванного разницей скоростей приближения и удаления от экипажа, позволит определить, как далеко астронавты находятся к востоку или западу от линии «север – юг», образованной проекцией траектории спутника. Еще раз, сравнение этой информации с компьютерными записями, в которых долгота спутника задана как функция времени, позволит экипажу определить свою долготу.

Эти высокотехнологичные методы весьма точны. Аналогичный подход используется на Земле в спутниковой системе Argos, чтобы среди прочего отслеживать движение ястребов и лосей (если не считать того, что в этом случае маяк находится на лосе, а приемник – на спутнике, который и проводит все необходимые расчеты) с точностью до километра. Тем не менее есть ряд проблем. Спутник находится примерно на двухчасовой орбите Марса, в то время как планета поворачивается под ним. Поэтому наблюдатель на поверхности увидит спутник всего один раз днем и один раз ночью, один раз в 12 часов. От этой проблемы можно избавиться, если увеличить количество спутников на орбите и расположить их так, чтобы они давали набор проекций плоскостей своего движения в виде линий «север – юг» по всей планете, но это обойдется весьма недешево. А что если маяк на спутнике, или приемник ровера, или компьютер выйдет из строя? Что тогда? Есть ли на всякий случай какие-нибудь более надежные и простые методы навигации?

На Земле основным морским навигационным прибором давно служит магнитный компас. К сожалению, на Марсе он работать не будет, потому что планета практически не имеет магнитного поля. Тем не менее там можно использовать проверенные веками методы астронавигации, причем с куда большим удобством, чем это когда-либо было возможно на Земле.

Если вы интересовались астронавигацией, вы знаете, что широта определяется легко, в то время как с долготой дело обстоит сложнее. Все, что нужно для определения широты, это секстант для измерения угла между полюсом мира и горизонтом. Найденный угол и будет вашей широтой. В северном полушарии Земли он измеряется просто, потому что с точностью до 1° полюс мира отмечен Полярной звездой. Направление на нее также задает направление на север с точностью выше, чем у любого компаса. Есть ли в небе Марса приметная звезда, которая будет местной полярной? Нет, но тамошний полюс мира расположен в точке с координатами 21,18 часа прямого восхождения, 52,89° северного склонения и довольно легко находится, так как лежит почти точно посередине между двумя яркими звездами – Денебом, альфой Лебедя, и Альдерамином, альфой Цефея. Итак, при наличии секстанта ясной ночью (которые на пустынном Марсе бывают чаще, чем на дождливой, туманной старушке Земле) можно легко определить широту.

А что насчет долготы? На Земле при помощи точных часов, на которых выставлено стандартное время, например, по Гринвичу, вы можете определить долготу путем измерения времени восхода и сравнения его со значением, приведенным в альманахе для времени восхода в этот день на Гринвичском меридиане (главном, 0° долготы) для вашей широты. Например, если альманах говорит, что Солнце взойдет в 6 часов утра на вашей широте на главном меридиане 21 марта, а вы засекли, что оно встало в 7 утра по вашим часам, выставленным по времени Гринвича, вы поймете, что находитесь на 15 ° западной долготы, так как Земля вращается со скоростью 360 градусов за 24 часа, или 15 градусов в час.

Этот способ успешно используется на Земле, но намного лучше он будет работать на Марсе, потому что там в дополнение к Солнцу в качестве маркеров долготы могут использоваться два быстро движущихся астероидоподобных спутника, Фобос и Деймос. С поверхности Марса Фобос, внутренняя луна, виден как объект с визуальной звездной величиной -10, тогда как Венера в самом ярком состоянии, видимая с Земли, будет в 300 раз тусклее. Визуальная звездная величина Деймоса равняется -7, что примерно в 20 раз ярче, чем видимая с Земли Венера. За исключением периодов пыльных бурь оба этих спутника должны быть хорошо видны с поверхности Марса и днем, и ночью. Луны вращаются по почти экваториальным орбитам, так что вы можете использовать Фобос и Деймос для определения широты даже в середине дня путем измерения их углового расстояния от зенита, когда они находятся в самом высоком положении на небе. Фобос оборачивается вокруг Марса за 7 часов 39 минут, в то время как Деймос имеет период обращения в 30 часов 18 минут. Марсианский навигатор может использовать на выбор восходы и закаты Солнца, Фобоса и Деймоса для сравнения с показаниями альманаха и часов, причем долготу можно определять для каждого такого события. Дело в том, что при помощи некоторых математических знаний, азбучных истин для опытного навигатора, наблюдатель на Марсе с помощью секстанта, часов и альманаха сможет определять свои широту и долготу одновременно всякий раз, когда на небе будут видны любые два из трех объектов (Солнце, Фобос и Деймос).

Кстати, на Земле мы определяем одну морскую милю как одну минуту (1/60 часть градуса) широты. Это примерно 1,82 километра. Однако если мы определим марсианскую «морскую» милю как одну минуту тамошней широты, то получим практически ровно километр (ну, хорошо, 983 метра). Так что на Марсе штурманы наконец-то с легкостью смогут пользоваться метрической системой!

Учет времени на Марсе

В литературе достаточно много обсуждаются возможные системы учета времени на Красной планете. Мы уже обсудили навигацию, пора рассмотреть и этот вопрос.

Как мы уже знаем, марсианский день длится 24 часа и 39,6 минуты земного времени. Системы учета времени, предлагавшиеся до сих пор, как правило, сохраняли земные единицы измерения с добавлением неполного часа сразу после полуночи [26]. В качестве альтернативы иногда предлагались абсолютно новые часы, как правило, на основе десятичной шкалы, использовавшие оригинальный набор временных единиц [27].

Вы уже прочитали предыдущий раздел, и потому вам должно быть ясно, что часы с использованием неравных временных единиц станут кошмаром для тех, кому предстоит заниматься навигацией или астрономией на поверхности Марса. С другой стороны, десятичный или какой-либо еще способ организации времени, вероятно, будет дезориентировать и в любом случае потребует полного пересмотра существующих географических координат на поверхности Марса (где используется та же шестидесятеричная система градусов, минут и секунд, что и в земной картографии).

Наиболее простое решение – разделить марсианские сутки на 24 марсианских часа по 60 марсианских минут, каждая из которых, в свою очередь, будет состоять из 60 марсианских секунд. Коэффициент пересчета между марсианскими единицами времени и их земными эквивалентами, таким образом, окажется равен 1,0275 для всех случаев. Время суток на Марсе, скажем, 6:00 часов утра, будет иметь точно такой же физический смысл ориентации планеты по отношению к Солнцу, как и на Земле. Все уравнения астронавигации, используемые на Земле, на Марсе останутся абсолютно такими же. То есть, независимо от того, на какой из двух планет вы находитесь, один час времени будет равен 15 градусам долготы, одна минута времени – 15 минутам долготы, одна секунда – 15 секундам.

Такая система решает все практические проблемы, связанные с ежедневным учетом времени на Марсе. На самом деле сегодня внутри коллектива планировщиков миссий в ЛРД принято пользоваться именно ею; к примеру, путь будущего марсианского орбитального аппарата можно описать как орбиту «6:00 утра – 6:00 вечера», что означает, что спутник будет двигаться, отслеживая границу «утро – вечер» на Марсе. «6:00 утра» в данном случае – это марсианское местное время в смысле, описанном выше, а 12 часов, отделяющих их от «6:00 вечера», – это марсианские часы. Очень жаль, что такой подход раздражает физиков, которые считают земную секунду священной единицей физического времени. Впрочем, им не стоит беспокоиться – кристаллографы на Марсе и другие люди, которым потребуется высокая степень точности, для того чтобы сообщать измеренные ими частоты, по-прежнему смогут приводить свои измерения в земных секундах. Система единиц СИ останется неизменной. Тем не менее земная секунда будет бесполезна для измерения любого времени, кроме земного дня, и ей придется уступить место своей марсианской коллеге.

Телеробототехника: увеличение площадей исследования

По соображениям безопасности, в то время как два члена экипажа (ученый и механик) будут находиться на выезде, двое других останутся на базе в обитаемом модуле. Таким образом, если экипаж в ровере попадет в беду, люди с базы смогут отправиться на помощь в резервном автомобиле (например, в одном из открытых роверов). В общем, на базе всегда будет не менее двух человек, а в перерывах между выездами (от одного до десяти дней каждый) – все четверо. На базе всегда есть чем заняться: это и анализ собранных образцов, и проведение различных научных и инженерных экспериментов, и участие в строительстве и техническом обслуживании оборудования. Тем не менее, поскольку главная задача первых полетов на Марс – исследование, астронавтам придется тратить какое-то время на разведку Марса. Этим они смогут заниматься, если миссию снабдят несколькими телероботами – устройствами удаленного присутствия.

Марсианские телероботы будут небольшими колесными или гусеничными передвижными устройствами, оснащенными телекамерами, микроскопами и другими научными инструментами, а также манипуляторами и радио. Управляемые с марсианской базы либо посредством коротковолнового радиоканала, либо через ареосинхронный спутник связи, эти телероботы при необходимости будут быстро приводиться в движение, так как временная задержка радиосигнала при использовании связи на Марсе окажется незначительной (время задержки сигнала от Земли до Марса и обратно достигает 40 минут, что сегодня сильно снижает эффективность работы устройства телеприсутствия). Разворачивать телероботов смогут экипажи роверов, что позволит астронавтам, остающимся на базе, подробнее исследовать участки поверхности, которые выездные команды нашли интересными, но не успели изучить самостоятельно. Телероботов также будут посылать в те места, которые слишком малы или опасны для людей, например в пещеры или узкие трещины.

Впрочем, некоторых телероботов можно будет запускать и прямо с базы, поднимая их на воздушных шарах, а затем высаживая за тысячи километров. (Воздушный шар на Марсе, по расчетам, способен пролететь 2000 километров за один день.) Траекторию полета, конечно же, задать не получится, но с учетом заранее нанесенных на карту миссиями вроде «Марс Эриал Платформ» направления и скорости ветра путь шара окажется вполне предсказуемым. Во время полета можно использовать камеры телеробота, чтобы в режиме реального времени отправлять на базу снимки – это позволит выбрать лучшее время и место для посадки системы. Оказавшись на поверхности планеты, телеробот может либо отпустить воздушный шар и тем самым связать себя с выбранной локацией на всю жизнь, либо, если ветра слабые, попытаться закрепить его якорные оттяжки в горной породе. В последнем случае после исследования выбранной области в течение нескольких часов телеробот сможет прикрепить себя к шару, сняться с якоря и отправиться на изучение какого-нибудь еще места.

В принципе, еще более выигрышным вариантом будут телероботы, способные самостоятельно летать везде, где понадобится. Один из методов сделать такое – использовать концепцию, известную как газовый прыгун.[24] В этой конструкции применяется набор солнечных панелей, которые запускают небольшой насос, втягивающий из атмосферы Марса углекислый газ и сжижающий его, а затем запасающий его в баке при давлении примерно в 10 бар. Как только набрано необходимое количество газа, солнечная энергия перенаправляется на включение резистивных нагревателей, чтобы разогреть содержащийся внутри стального сосуда слой материала с высокой теплоемкостью до температуры примерно 800 °C. Затем газовый прыгун отправляется в рейс: он заливает жидкий диоксид углерода в высокотемпературный сосуд, где тот снова принимает газообразную форму и под давлением выбрасывается из сопла, создавая ракетную тягу.

Рис. 6.1. Прототип газового прыгуна во время летных испытаний в «Пионер Астронотикс» в июле 2005 года

В «Пионер Астронотикс» мы разработали и запустили несколько таких газовых прыгунов, используя гранулы оксида магния как огнеупорное вещество, – и в виде крылатых ракетопланов, и в виде баллистических ракет, способных вертикально взлетать и садиться. Если взять огнеупорное вещество с более высокой производительностью, например гранулы бериллия или жидкий литий, то в условиях марсианской атмосферы баллистические газовые прыгуны смогут совершать прыжки длиной в 20 километров, в то время как крылатый летательный аппарат будет способен преодолеть 150 километров за один рейс. Лучше всего сделать его похожим на что-то вроде английского истребителя «Харрьер», способного взлетать и садиться вертикально, а также преодолевать большие расстояния благодаря наличию крыльев. После каждого приземления газовый прыгун выпускает небольшой ровер с дистанционным управлением, который занимается разведкой места в течение нескольких недель, пока газовый прыгун восполняет запасы углекислого газа из атмосферы. Затем, когда баки будут повторно заправлены, а двигатель разогреется до нужной температуры, ровер сам погрузится в летательный аппарат, чтобы отправиться на новое место для дальнейшего исследования.

Ни скалы, ни каньоны, ни даже небольшие горы не будут препятствием на пути летающих телероботов. Развернутые и управляемые без задержки сигнала с первой базы людей на Марсе, они сделают обширные регионы планеты доступными для научных исследований.

Телеробот, работающий в отдаленном районе, – это лучшая альтернатива личному присутствию на месте. Но лучшая альтернатива – тем не менее альтернатива, она не сравнится с основным предусмотренным способом исследования. Чтобы по-настоящему изучить Марс, нам придется отправить людей в разные районы планеты. Как это сделать? Отчасти цель может быть достигнута, если мы станем отправлять каждую очередную миссию «Марс Директ» к новому месту посадки, тем самым открывая для исследования новые участки планеты. Да, в краткосрочной перспективе нам необходимо обеспечить значительный охват исследований, но в долгосрочной перспективе такая стратегия окажется неэффективной, так как она не позволяет следующим миссиям использовать то, что оставили предыдущие. В какой-то момент после нескольких первых исследовательских миссий нужно будет сосредоточиться на каком-то одном месте и высаживать туда все дальнейшие миссии, чтобы создать большую базу. Ее ресурсов должно хватать для содержания гораздо более крупных команд астронавтов, а также для того, чтобы обеспечивать работу пилотируемых реактивных летательных аппаратов, которые предоставят этим исследователям поистине глобальный охват Красной планеты. Разработку и использование такой базы мы рассмотрим в следующей главе.

Дополнительный раздел – марсианский календарь

Марсианским колонистам понадобится календарь, связанный с физическими и сезонными условиями на Красной планете, – земной аналог на Марсе работать не будет. Если я скажу вам, что сегодня 1 февраля, вы сообразите, что в Миннеаполисе сейчас холодно, а в Сиднее в разгаре лето, – но что вы сможете понять из этого относительно условий на Марсе? В самом деле, потребность в марсианском календаре и в системе учета времени существует уже сегодня – по причине проводящихся и планируемых беспилотных исследовательских экспедиций. Вы знаете, какое время года сейчас на Земле, и можете с легкостью предсказать время года для любой перспективной даты, но без марсианского календаря вам будет трудно проделать то же самое в отношении Марса. Мы можем исправить это прямо сейчас.

Впрочем, есть одна проблема: марсианский год состоит из 669 марсианских дней, или солов. Как мы уже видели, правильно будет для измерения времени на Марсе использовать единицы, в 1,0275 раза более длительные, чем их земные аналоги. А вот месяцы одинаковой длины для Марса не подходят, потому что орбита планеты эллиптическая и времена года имеют неравную длину.

Нам нужно разделить орбиту планеты не на дни, а на дуги равной длины, которые планета проходит, вращаясь вокруг Солнца. Если мы хотим, чтобы месяцы были полезными единицами, и решаем сохранить земное определение этого понятия как 1/12 части года, значит, месяц должен представлять собой дугу в 30 градусов. Но как назвать эти временные отрезки? Использование существующих земных наименований будет вводить в заблуждение, а совершенно новая система окажется полностью произвольной. Однако существует набор имен, которые уже давно известны человечеству и имеют реальный физический смысл не только для Марса, но и для любой планеты Солнечной системы: это знаки зодиака. Все зодиакальные созвездия лежат в плоскости движения всех планет. Древние астрологи, имевшие геоцентрический взгляд на Вселенную, называли месяцы по имени того или иного зодиакального созвездия, на фоне которого Солнце находилось, если смотреть с Земли. Межпланетная культура все же должна опираться на гелиоцентрическую точку зрения, поэтому я решил назвать марсианские месяцы по именам созвездий, в которых будет находиться Марс, если смотреть на него с Солнца. Тогда марсианские колонисты смогут видеть знак текущего месяца высоко в небе около полуночи. В настоящее время у планетологов принято начинать год на планете с весеннего равноденствия (21 марта, начало весны в северном полушарии Земли), и в соответствии с этим обычаем марсианский год начинается с месяца Близнецов и заканчивается месяцем Тельца. Полный марсианский год приведен в табл. 6.3.

Рис. 6.2. Ареогатор для Марса

Чтобы преобразовать земные даты в марсианские, я изобрел устройство, названное мною ареогатором, – оно изображено на рис. 6.2. Вы можете использовать его, чтобы найти месяц (а потому и сезон) на Марсе для любого выбранного месяца на Земле, или наоборот, положения и углы для Земли и Марса относительно Солнца, а также определить, где в небе будет виден Марс, если смотреть с Земли, или наоборот, в любое заданное время в прошлом или будущем.

Таблица 6.3. Марсианский год

Допустим, вы хотите знать положение Марса для 2012 года. Поместите монету, представляющую Марс, на ромб на орбите Марса с надписью «12», и еще одну монету – Землю – на ромб на орбите Земли в начале января. Это будут сравнительные позиции планет на начало января 2012 года. Можно увидеть, что на Марсе – начало месяца Льва, поздняя весна в его северном полушарии. Теперь, чтобы переместиться вперед во времени, просто передвиньте монету-Марс вперед на один ромб и то же самое сделайте с монетой-Землей. Продолжайте, пока Земля не достигнет середины августа, времени прибытия «Кьюриосити». Вы увидите, что это будет конец месяца Скорпиона, или конец лета в северном полушарии Марса. Двигаясь вперед, вы обнаружите, что осталось еще два ромба, прежде чем Марс войдет в месяц Козерога – начало сезона пылевых бурь. Это соответствует ноябрю 2012 года, что дает «Кьюриосити» еще около трех земных месяцев хорошей погоды, прежде чем начнется сезон пылевых бурь.

Я сделал маркировку ареогатора для всех годов между 2008-м и 2022-м. Если вы хотите знать относительные положения Земли и Марса на временных промежутках до или после отмеченных, просто добавьте или вычтите из года любое число, кратное 15 (другими словами, 1975 год – то же самое, что 1990, 2005, 2020, 2035 год и т. д.). Так получается, потому что взаимные положения Земли и Марса повторяются с синодическим циклом в 15 лет.[25]

Если вы хотите знать, в каком созвездии найти Марс, проведите прямую линию между ним и Землей, а затем еще одну, параллельную ей, но проходящую через Солнце. Так, в феврале 2008 года на Марсе будет месяц Рака, но прямая, параллельная линии «Земля – Марс» и проходящая через Солнце, в то же время укажет на месяц Близнецов, и, поскольку созвездия в действительности бесконечно далеки от Солнечной системы, именно там Марс будет виден с Земли в это время.[26] А вот если бы на Марсе находились астрономы, они увидели бы Землю в созвездии Стрельца.

Вы заметите, что маркеры-ромбы на орбите Марса удалены друг от друга не на равные расстояния. Так получилось, потому что при движении по эллиптической орбите Марс то ускоряется, то замедляется. Для тех, кто хочет построить свои собственные ареогаторы, правильное расположение маркеров-ромбов следующее: 0°, а потом плюс или минус 28,8°, 56,5°, 82,4°, 106,2°, 129,0°, 149,6° и 170,2° от перигелия (ближайшего положения Марса по отношению к Солнцу). Перигелий наступает в середине месяца Водолея, Марс при этом находится в том же самом положении относительно Солнца, что и Земля 1 сентября.

Далее для полной системы датировки нам необходимо знать не только месяц в году, но еще и год в некотором абсолютном смысле. Вы можете увидеть, что началу месяца Близнецов соответствует положение Марса рядом с 1 января 1946, 1961, 1976, 1991, 2006, 2021, 2036 годов и т. д.

Последний такой год, предшествовавший полетам марсианских космических зондов, – 1961-й. Потому я выбрал его для начала ведения марсианского календаря. На основе этой системы я рассчитал некоторые из великих дат в марсианской истории. Они показаны в табл. 6.4.

Таблица 6.4. Великие даты в марсианской истории

Для тех, кому интересен расчет точных дат, я приведу здесь использованное мною уравнение:

Марсианский год = 1 + 8/15(Земной год – 1961)

Вы должны сначала подставить земную дату в десятичной форме. Например, 1 июля 1973 года записывается как 1973,5. Уравнение даст вам марсианский год в десятичной форме. В случае 1 июля 1973 года результатом будет значение 7,667. Оно соответствует VII году на Марсе, а если вы возьмете дробную часть – 0,667 – и умножите на 669, количество марсианских дней (солов) в марсианском году, то получите сол номер 446. Заглянув в табл. 6.3, вы обнаружите, что это соответствует 25-му дню месяца Козерога.

Я твердо убежден, что мы теперь обладаем технологиями, позволяющими высадить людей на Марс в течение десяти лет с момента, когда будет принято решение запустить программу. Я пишу эти строки в 2011 году, и если мы запустим миссию в октябре 2022 года, первый экипаж людей прибудет на Марс 9 апреля 2023 года – или в 15-й сол месяца Льва XXXIV года, в самый разгар весны в северном полушарии. Погода будет прекрасной, с ясным небом и слабыми ветрами, и посадке ничего не помешает.

Глава 7

Создание базы на Марсе

Цель первых грядущих пилотируемых миссий на Марс – исследование и разведывание Красной планеты, а прежде всего – поиск ответа на вопрос, была ли она когда-либо пристанищем жизни. По мере ее изучения этот ответ так или иначе удастся найти, и вместо вопроса, была ли жизнь на Марсе в прошлом, встанет вопрос о том, будет ли она там. Мы уже убедились, что Марс – уникальная планета в Солнечной системе, а в этой и следующей главах мы увидим, что он не только наиболее разнообразен в плане условий, если сравнивать его с любой из других наших планет-соседок, но и единственный, кроме Земли, обладает полным набором материалов и источников энергии, необходимых для поддержания как жизни вообще, так и человеческой цивилизации.

Марс не просто какое-то место, куда отправляют исследователей, или объект научного интереса – это целый мир, по сравнению с которым все другие известные небесные тела кажутся чрезвычайно пустыми и бедными. На Марсе есть ресурсы, которые позволят путешественникам выращивать пищу, изготавливать пластмассы и металлы, а также генерировать энергию в большом объеме. Нет такого химического элемента, широко использующегося в современном человеческом обществе, которого не было бы в достаточном количестве на Марсе, а природно-климатические условия на планете – такие как освещенность Солнцем или суточные колебания температуры – находятся в пределах, приемлемых для различных этапов организации человеческих поселений. Благодаря этому Красная планета способна со временем стать домом не только для горстки исследователей, но и для динамично развивающегося общества из миллионов колонистов, создающих новый уклад жизни в новом мире.

Полезные материалы – еще не ресурсы, если нет технологий для их эксплуатации. Чтобы заселить Марс или хотя бы основать там постоянный научный центр любого размера, сперва нужно разработать и применить на месте набор новых технологий использования ресурсов. Для этого на планете понадобится крупная база для проведения интенсивных программ сельскохозяйственных, общественных, химических и промышленных исследований. База также позволит поддерживать работу реактивных ракетных транспортных средств, способных достичь любой точки планеты, что поможет находить минеральные ресурсы и получать научную информацию.

Таким образом, после некоторого количества исследовательских миссий можно будет выбрать оптимальное место для базы, и марсианская программа перейдет от разведки ко второй фазе – строительству. В то время как в первых исследовательских миссиях «Марс Директ» астронавты будут использовать марсианский «воздух», чтобы производить топливо и кислород, на стадии строительства этот элементарный уровень использования местных ресурсов удастся преодолеть, и экипаж постоянной базы станет осваивать все больше и больше способов преобразования местного сырья в полезные ресурсы. Обустраивая большую базу, мы научимся добывать воду из марсианского грунта и прямо на месте растить парниковые культуры, производить керамику, стекло, металлы, и пластмассы, возводить жилые модули и надувные конструкции, изготавливать все виды полезных материалов, инструментов и строительных конструкций. В то время как начальная фаза, разведка, может осуществляться силами небольших экипажей – человека по четыре в каждом, – живущих в спартанских лагерях на огромных просторах марсианской поверхности, создание базы потребует разделения труда, а следовательно, и увеличения числа работающих людей, вероятно, до пятидесяти человек, экипированных разнообразным оборудованием и имеющих хорошие источники энергии. Целью периода строительства станет разработка и освоение технологий для производства прямо на Марсе пищи, одежды, жилья и всего необходимого для колонизации планеты.

Основать базу

В рамках плана «Марс Директ» экипажи с целью разведывания и возможного заселения будут каждые два года открыть на Марсе новые территории. Рано или поздно один из этих форпостов сочтут лучшим местом для первой постоянной марсианской базы, после чего все новые экипажи будут высаживаться на специально выделенном участке. План «Марс Директ» предполагает, что жилой модуль, в котором находится экипаж во время перелета на Марс, после посадки остается на месте. Таким образом, по мере реализации программы каждая миссия будет добавлять один обитаемый модуль к инфраструктуре базы. Хабы, расположенные на ее месте (а одним из условий его выбора станет способность вместить необходимое количество модулей), можно будет оснастить колесами, прикрепив те к опорным стойкам, а затем с помощью троса и лебедки сдвинуть ближе, чтобы состыковать или соединить с помощью надувных туннелей. Также вероятно, что будут построены жилые модули второго поколения, чьи опорные стойки смогут двигаться не только вверх-вниз (как у всех шасси), но и из стороны в сторону, позволяя шестиногим хабам передвигаться примерно так, как это делали марсиане в «Войне миров» Герберта Уэллса. В любом случае с помощью одного из перечисленных методов можно будет быстро построить первоначальную марсианскую базу в виде сети жилых модулей.

Вероятно, стальные мужчины и женщины из первых исследовательских экипажей согласятся жить в хабах бок о бок как селедки в банке, но вот большой научный штат на такое вряд ли согласится, а для программы колонизации Марса такой вариант не годится и подавно. Потому для начала придется возвести несколько крупных жилых зданий, в равной степени пригодных для развития базы и для того, что за этим последует. Для строительства будут использоваться марсианские материалы.

Своды из кирпича

В серии статей, опубликованных в конце 1980-х годов, инженер Брюс Маккензи подробно осветил эту тему и пришел к выводу, что оптимальный местный материал для строительства первых крупных сооружений на Марсе – кирпич [28]. Простая идея на первый взгляд может показаться несколько неожиданной, но на самом деле у предложения Маккензи много достоинств. Изготовление кирпичей – довольно простой процесс. Вот почему первые города на Земле возводились из кирпича, и по той же самой причине этот материал можно будет использовать для строительства первого поселения людей на Марсе. Для производства кирпича достаточно взять сильно измельченный грунт, увлажнить его, поместить его в форму под умеренном давлением, высушить, а затем обжечь. Высокие температуры для этого не требуются – много где до сих пор используется сырцовый кирпич, – при температуре печи 300 °C можно делать довольно качественные строительные блоки, особенно если замешать в материал что-нибудь вроде обрезков парашютного шелка, чтобы увеличить прочность. (Можно вспомнить, как в Библии описывается создание кирпичей египтянами: они смешивали грязь и солому. Это хороший инженерный ход, ранний пример производства композитных материалов.) На Марсе легко можно получить температуру в 900 °C, как в печи для обжига, чтобы сделать первоклассные современные кирпичи, используя либо печь с солнечными отражателями, либо тепло от ядерного реактора базы. Правда, понадобится вода, но, если печь сконструирована правильно, необходимое количество влаги даст пар, полученный при сушке кирпича при температуре 200 °C перед обжигом. На Марсе прекрасный материал для производства строительных блоков доступен почти повсеместно – это тонкая, богатая железом пыль вроде сухой глины, которая покрывает большую часть планеты слоем минимум в несколько сантиметров. При смешивании с водой та же красная пыль может быть использована для получения строительного раствора, который потребуется для укладки кирпичей. В самом деле, в экспериментах с имитацией марсианской почвы, проведенных в «Мартин Мариетта» в конце 1980-х годов, химик Роберт Бойд показал, что, просто смачивая и высушивая марсианскую почву, можно создать материал – он был назван дюрикрет (duricrete), – который схватывается почти так же хорошо, как земной бетон [29]. Результаты миссии «Викинг» показали, что марсианская почва содержит очень высокое количество кальция (около 5 %) и серы (2,9 %), в то время как анализ SNC-метеоритов, которые прилетели на Землю с Марса, показал, что названные химические элементы присутствуют на Красной планете в виде гипса (CaSO_4 × 2Н_2O). На Земле гипс используют для изготовления штукатурки, а если подвергнуть ее термической обработке, она станет известью. При добавлении извести к строительному раствору получается особо крепкий портландцемент.

Строительные материалы имеют различные степени прочности при растяжении и сжатии. Веревка или трос обладают большой прочностью при растяжении, но не наоборот. Стальная балка имеет большой запас обоих видов прочности. Кирпичные стены и колонны демонстрируют прочность при сжатии, но почти не выдерживают растяжения. Их очень трудно разрушить, но они оказываются почти бесполезны, если попытаться ими что-то скрепить. Тем не менее здания из блоков и цементного раствора, построенные три тысячи лет назад в Древнем Египте, стоят и сегодня. Строения из кирпича могут оказаться такими же прочными и на Марсе при условии, что их проектировщики будут придерживаться основного правила практически всей древней архитектуры: строения должны находиться под давлением.

Чтобы построить на Марсе кирпичное здание под давлением, придется выкопать траншею, а затем в ней – в римском стиле – построить катакомбы, или, еще лучше, несколько сводчатых строений, или даже атриум, как показано на рис. 7.1. Своды нужно будет засыпать грунтом, чтобы обеспечить нагрузку на конструкцию, и только потом заполнить помещения воздухом, пригодным для дыхания (произведенным либо с помощью химических модулей для получения кислорода, описанных в главе 6, либо в теплицах, которые будут описаны далее в этой главе). Количество грунта для покрытия конструкции зависит от того, сколько закачанного под давлением воздуха мы собираемся использовать. Если мы будем придерживаться предложенного ранее марсианского стандарта 5 фунтов на квадратный дюйм (3,5 фунта кислорода и 1,5 фунта азота, как в «Скайлэб»), своды помещения будет распирать направленное вверх давление около 3,5 тонн на квадратный метр. Если предположить, что марсианский грунт имеет в среднем плотность, в четыре раза превышающую плотность воды, получается, что слоя толщиной около 2,5 метра над сводами было бы достаточно, чтобы строение оставалось под давлением (помните, что сила тяжести на Марсе составляет всего 0,38 от таковой на Земле, где мы бы обошлись слоем в один метр). Такое количество грунта также обеспечит хорошую защиту от радиации, уменьшив ее примерно до земного уровня, а также отличную теплоизоляцию, так что суточные колебания температуры на поверхности Марса будут незаметны для живущих под сводами и появится возможность значительно сократить затраты энергии на обогрев жилого модуля. Строение из кирпича и грунта, вероятно, будет пропускать наружу воздух, хотя и очень медленно. Избежать утечки позволит тонкий слой пластикового герметика, либо распыленного на стены, либо нанесенного на них в виде обоев. Впрочем, со временем даже небольшие утечки прекратятся, поскольку относительно влажный воздух, выходящий из здания, приводит к образованию в диффузных путях в окружающем грунте льда. Как показано на рис. 7.1, с использованием этих относительно простых, главным образом старинных методов на Марсе можно строить здания размером с современные торговые центры.

Рис. 7.1. Катакомбы в римском стиле по отдельности или серией (а) могут быть использованы для строительства большого герметичного жилого модуля под поверхностью Марса, включающего даже просторные атриумы (б) (рисунки Маккензи, 1987)

Под куполом как дома

Жизнь в помещении размером с торговый центр под поверхностью Марса – большой шаг вперед по сравнению с обитанием в похожем на консервную банку модуле миссии «Марс Директ» (моя дочь Рейчел, наверное, не упустила бы шанса пожить в торговом центре), но в дальнейшем мы можем устроиться на Марсе и еще лучше. Нет необходимости укрываться под поверхностью планеты от радиации (как это было бы на Луне), потому что атмосфера Марса достаточно плотная, чтобы защитить людей от солнечных вспышек. Просторы планеты будут открыты для нас, и даже во время строительства базы мы легко сможем развернуть большие надувные конструкции из прозрачного пластика, защищенные тонкостенными износоустойчивыми геодезическими куполами, не пропускающими ультрафиолетовое излучение, – так мы создадим обширные площадки для проживания и для возможного выращивания урожая. Замечу, что на Луне такие простые прозрачные структуры на поверхности – даже при отсутствии проблем, связанных с солнечными вспышками, и суточном цикле длиной в месяц – были бы бесполезны, так как воздух внутри них нагревался бы до невыносимо высоких температур. На Марсе ситуация другая: внутри куполов будет создаваться нужный температурный режим.

Во время строительства базы можно развернуть купола до 50 метров в диаметре и закачать в них воздух под давлением 5 фунтов на квадратный дюйм, чтобы создать условия для жизни людей. Если купола сделать из высокопрочных пластмасс, например из кевлара (предел текучести волокна у которого 200 тысяч фунтов на квадратный дюйм, то есть он в два раза прочнее стали), при толщине стенки в один миллиметр они будут обладать тройным запасом прочности и весить всего около 8 тонн (считая вместе с нижним полушарием), плюс потребуется негерметичная защита из оргстекла весом в 4 тонны. (Конструкция из кевларового полотна, изготовленного по технологии рип-стоп,[27] вряд ли обвалится. Даже если кто-то прострелит купол диаметром 50 метров крупнокалиберной пулей, понадобится более двух недель, чтобы вышел весь воздух, то есть времени для ремонта хватит вполне.) В первые годы заселения планеты готовые купола можно будет привозить с Земли. Позже они, а также более крупные купола станут производиться на Марсе. (Масса герметизированного купола увеличивается пропорционально кубу его радиуса, а масса негерметизированного – пропорционально квадрату радиуса: 100-метровые купола будут весить 64 тонны, для них потребуется 16-тонная защита из оргстекла и т. д.)

Ключевая проблема в использовании куполов – их фундаменты. Предполагается, что естественная форма для находящейся под давлением гибкой емкости контейнера – это сфера, так как в ней нагрузка распределяется везде одинаково. Несмотря на то что такая форма проста и надежна, она способна повлечь за собой серьезные трудности, если использовать ее в качестве основы для купола убежища, потому что в таком случае придется очень много копать. Представьте надувной мяч, у которого нижняя половина зарыта в землю. Чтобы погрузить его в грунт, придется выкопать яму, равную по размерам нижней полусфере. Задача кажется пустячной, если вы развлекаетесь на пляже, а вот на Марсе, когда вы планируете построить 50-метровый купол, вам придется копать и копать. Мало того, вы сначала должны будете выкопать яму и положить в нее сферу, а потом засыпать только что вынутый грунт внутрь купола, чтобы заполнить его нижнюю половину. В результате вы получите грандиозное помещение 50 метров в поперечнике и высотой 25 метров от земляного пола до вершины (рис. 7.2а) – это красиво, но трудоемко, потому что вам придется поднять на поверхность, а затем засыпать обратно около 260 000 тонн грунта. Естественный кратер нужного размера дал бы вам большое преимущество, но очень маловероятно, что вы сможете отыскать такой, и уж тем более вы не найдете двух или большего количества подходящих естественных углублений, которые бы располагались на предполагаемом месте базы.

Рис. 7.2. Методы строительства куполов на поверхности Марса: а) закопана половина сферического купола; б) нижняя половина купола имеет радиус кривизны вдвое больше, чем верхняя; в) укрепление купола в виде шатра; г) сферический жилой комплекс с кевларовыми перекрытиями, полностью расположенный над поверхностью (рисунок Майкла Кэрролла)

Впрочем, можно обойти эту неприятность, если делать верхнюю и нижнюю половины купола с различным радиусом кривизны. Сравните две монеты разного достоинства, и вы поймете, что я имею в виду. Монета большего размера имеет больший радиус. Дуга, которую вы проведете вдоль ее края, будет гораздо более пологой, чем дуга вдоль монетки поменьше. Поэтому, чтобы долго не копаться в грунте, мы могли бы вместо целого полушария расположить под поверхностью секцию с большим радиусом кривизны, чем у верхней половины купола (рис. 7.26). Так, если конструкция над поверхностью почвы – это полноценное полушарие 50 метров в диаметре (с радиусом кривизны 25 метров), а внизу предполагается расположить секцию с радиусом кривизны 50 метров, то вместо полусферического котлована глубиной 25 метров достаточно будет выкопать яму глубиной всего 3,35 метра, а количество перемещаемой туда-обратно почвы с 260 000 тонн уменьшится до 6500. Последняя цифра делает предложенную идею весьма заманчивой. Если задействовать оборудование, способное извлекать один самосвал (20 кубических метров) почвы в час, работа над котлованом займет 48 часов.

Еще один вариант – использовать полусферический тент. Если в случае со сферическим куполом нужно погрузить в грунт его нижнюю половину, то в случае с тентом достаточно будет укрепить шатер на поверхности, закопав его кольцеобразный край («юбку») глубоко под землей (рис. 7.2в). Однако это по-прежнему потребует значительных экскаваторных работ, так как купол 50 метров в диаметре, заполненный атмосферой под давлением 5 фунтов на квадратный дюйм, будет испытывать направленную вверх силу в 6926 тонн, пытающуюся оторвать его от поверхности планеты. Это 44 тонны на метр окружности. Таким образом, если «юбку» купола закреплять на полосе шириной 3 метра вдоль всей окружности купола, то при плотности грунта в четыре раза больше, чем у воды, закапывать придется на глубину в 10 метров, иначе вся конструкция может улететь. Для этого нужно будет вырыть траншею шириной 3 метра, глубиной 10 метров и 157 метров в окружности, опустить туда «юбку» купола и засыпать ее, для чего придется переместить 18 800 тонн грунта. Впрочем, того же эффекта можно добиться, проделав значительно меньший объем работы: вырыть относительно узкий и мелкий круговой желоб (скажем, 1 метр в ширину и 3 метра в глубину – для этого придется переместить всего 1900 тонн грунта), уложить в него «юбку», а затем закрепить ее длинными, глубоко забитыми кольями. Если последние сделать полыми и пустить сквозь них горячий пар, они вмерзнут в массив льда и надежно закрепят купол на месте.

Четвертый вариант – взять опять же сферу, но не закапывать, а подвесить перекрытия на кевларовых кабелях, окружающих конструкцию, как параллели – глобус (рис. 7.2 т). Если использовать сферу 50-метрового диаметра, то первое перекрытие можно расположить на 4 метра выше основания сферы, следующее – на 7 метров, затем на 10, 13 и так далее через каждые 3 метра до пятнадцатого перекрытия, которое окажется на 46 метров над поверхностью. Общая жилая площадь рассматриваемой структуры будет огромной, около 21 000 квадратных метров. Из-за природы конструкции она не должна быть сильно нагружена, поэтому нужно использовать легкие перегородки, сделанные из материала вроде звукопоглощающего пенопласта, чтобы разделять этажи на квартиры, лаборатории, кафе, тренажерные залы, аудитории и т. п. Доступ внутрь помещения может осуществляться через туннель, ведущий к шлюзу в «южном полюсе» сферы. Укладка грунта вдоль ее основания поможет распределить нагрузки, создаваемые весом конструкции. Центральная колонна из кирпича увеличит несущую способность каждого перекрытия и позволит использовать лифт. Поскольку такая свободно стоящая сфера будет больше возвышаться над марсианской поверхностью, нежели другие рассмотренные нами варианты, для ее защиты понадобится куда больший негерметичный геодезический купол из оргстекла (впрочем, он будет весить всего около 16 тонн).

Мы видим, что создание крупных обитаемых куполов на поверхности Марса зависит от освоения новых методов гражданского строительства в новой среде. Так, первые марсианские строения могут сильно напоминать римскую архитектуру с преобладанием простых кирпичных сводов под поверхностью. Однако, как только удастся освоить необходимые технологии изготовления материалов и строительства, можно будет быстро произвести и развернуть сети куполов диаметром от 50 до 100 метров, тем самым сделав большие площади поверхности пригодными для жизни и сельскохозяйственных работ без использования скафандров. Внутри укрепленных на поверхности куполов (см. рис. 7.2) люди могли бы жить в домах более-менее привычных конструкций (за исключением того, что не будет надобности в крышах), изготовленных из, разумеется, кирпича. В случае с сельскохозяйственными участками купола получится сделать гораздо более легкими, так как растениям требуется атмосферное давление не больше 0,7 фунта на квадратный дюйм. Действительно, из-за более низких требований к давлению и надежности, вполне вероятно, марсианские купола впервые будут возведены для создания тепличного хозяйства и только потом станут использоваться для больших открытых поселений на поверхности.

Производство пластмассы

Как заметил друг семьи персонажа, которого играл Дастин Хоффман в фильме «Выпускник», главные вещи в современной жизни сделаны из пластмассы. Окружи себя пластмассой – и твое будущее гарантировано, мой мальчик! Что ж, поскольку Марс, как и Земля, обладает огромными запасами природного углерода и водорода, возможностей окружить себя пластиком там тоже предостаточно.

Ключ к производству пластмасс на Марсе – синтез этилена, который сам по себе может быть произведен в расширении реакции обратной конверсии водяного газа (ОКВГ), рассмотренной в главе 6 в качестве средства для получения кислорода.

Н_2 + CO_2 → H_2O + СО (1)

Мы можем использовать эту реакцию для получения всего того объема кислорода, который только понадобится нам на Марсе, соединяя марсианский атмосферный диоксид углерода с водородом, избавляясь от монооксида углерода, подвергая полученную воду электролизу а затем запасая кислород. Водород мы будем использовать повторно, чтобы получить еще больше воды и, соответственно, больше кислорода. Впрочем, можно поступить несколько иначе. Если использовать водород и диоксид углерода не в соотношении 1:1, как это сделано в уравнении (1), а в соотношении 3:1, мы получим вот что:

6Н_2 + 2CO_2 → 2Н_2O + 2СО + 4Н_2 (2)

(Да, я знаю, что мог бы разделить все части уравнения (2) пополам, и все было бы точно так же, но потерпите немного.) Далее следует взять воду, произведенную с помощью уравнения (2), и конденсировать. Может, мы подвергнем ее электролизу, может, не подвергнем – это зависит от того, что нам нужнее, собственно вода или водород и кислород по отдельности. Куда важнее то, что мы сделаем с прочими продуктами, после того как избавимся от воды. Если мы захотим, то направим оставшуюся смесь окиси углерода и водород в другой реактор, где в присутствии катализатора с железной основой они прореагируют следующим образом:

2СО + 4Н_2 → С_2Н_4 + 2Н_2O (3)

Ура! С_2Н_4 – это этилен, отличное топливо и ключ к нефтехимической и пластмассовой промышленности. Реакция (3) весьма экзотермическая и, как и производящая метан реакция Сабатье (см. главу 6), может быть использована в качестве источника тепла для эндотермической реакции ОКВЕ. Также она имеет высокую константу равновесия, что делает возможным получение большого выхода этилена. Однако обычно протекают и побочные реакции, результатом которых становится пропилен (С_3Н_6) – тоже отличное топливо и ценное сырье для производства пластмассы. А вот высшие углеводороды вроде парафина, производящиеся в процессе побочных реакций, – уже не так хорошо, поскольку они могут вызывать проблемы, если не удалять их из продукта. Хотя эта система и более сложная, она имеет важные преимущества над простой реакцией Сабатье.

Во-первых, этилен включает только два атома водорода на один атом углерод, в то время как метан – четыре. Таким образом, если использовать этилен в качестве топлива вместо метана, понадобится завозить с Земли вдвое меньше водорода или добывать в два раза меньше воды.

Во-вторых, точка кипения этилена (при давлении в одну атмосферу) -104 °C, что значительно выше, чем у метана (-183 °C). При давлении в несколько атмосфер этилен можно хранить без охлаждения при средних температурах окружающей среды, тогда как критическая для метана температура ниже тех, что обычно бывают по ночам на Красной планете. Потому этилен можно сжижать на Марсе без использования криогенного оборудования, тогда как метан – нельзя. Это сокращает энергию, необходимую на охлаждение системы для производства топлива на этилене и кислороде, примерно вдвое относительно энергозатрат на охлаждение системы для производства метан-кислородной смеси. Также это значительно устраняет необходимость изолировать топливные баки и делает работу с полученной смесью во всех отношениях проще.

В-третьих, плотность жидкого этилена на 50 % больше, чем плотность жидкого метана, что позволяет использовать более компактные и потому более легкие топливные баки для марсианского взлетного модуля или роверов для поверхности Марса. В-четвертых, этилен может применяться не только как топливо или для сварки. Он используется в качестве обезболивающего, как агент для созревания фруктов и как средство сокращения времени покоя для семян. Все эти особенности будут очень полезны для создания базы на Марсе. Но как бы чудесно ни звучало сказанное, это ерунда по сравнению с главным назначением этилена и пропилена: изготовлением полиэтилена, полипропилена, а также множества других видов пластика. Из этих материалов можно делать пленку или ткань для создания больших надувных конструкций (в том числе жилых куполов), а также для производства одежды, сумок, изоляции, шин и др. Пластмассы могут быть очень плотными и твердыми, пригодными для изготовления емкостей – как маленьких, так и огромных, – посуды, инструментов, инвентаря, медицинского оборудования и бесчисленного множества других небольших, но необходимых объектов, а также жестких конструкций любого размера и формы, прозрачных и непрозрачных. На основе пластиков могут быть изготовлены смазки, герметики, клеи, ленты – список почти безграничен. Развитие производства пластмасс на основе этилена на Марсе, таким образом, откроет широчайшие перспективы для заселения планеты.

Пластмассы, конечно же, – один из основных материалов, использующихся в современной жизни. Они могут быть произведены на Марсе благодаря тому, что там есть углерод и водород. Этот факт должен заставить задуматься тех, кто считает, что Луна более перспективна в плане заселения. На Луне нет доступного углерода и водорода в сколько-нибудь значимых количествах, кроме как в чрезвычайно холодных, постоянно находящихся в тени полярных кратерах, концентрация этих элементов на естественном спутнике Земли примерно такая же, как концентрация золота в морской воде. Производство дешевого пластика на Луне никогда не станет возможным. На самом деле пластмассы там еще очень длительное время будут в буквальном смысле на вес золота.

Изготовление керамики и стекла

Глинистые минералы настолько часто встречаются в марсианских грунтах, что производство керамики не составит проблем. Однако наиболее распространен на Марсе, согласно данным посадочных модулей «Викинг», диоксид кремния – SiO_2. Он занимает около 40 % веса в пробах грунта, взятых обоими аппаратами. Этот минерал – основной материал для изготовления стекла, так что его легко будет получать на Марсе, плавя песок – так же, как это делалось на Земле на протяжении тысяч лет. Однако есть и плохая новость для марсианской стекольной промышленности: второе по распространенности соединение на Красной планете (около 17 % в образцах «Викингов») – оксид железа, Fe_2O_3. И это действительно проблема. Если вы хотите производить стекло для высококлассной оптики, песок, используемый в качестве исходного сырья, не должен содержать железа, а такой довольно трудно найти на Марсе. Так что оксид железа придется как-то удалять. Это можно сделать, соединив его с горячей окисью углерода из «отходов» реактора ОКВГ и тем самым восстановив до металлического железа и диоксида углерода, а затем удалив металл магнитом. Я согласен, процедура довольно утомительна, но в результате у вас останется железо, пригодное для других целей, например для изготовления стали, речь о которой пойдет далее в этой главе. Скорее всего, поскольку базе почти наверняка понадобится гораздо больше стали, чем оптического стекла, вскоре после появления литейного цеха недостатка в очищенном от железа сырье для стекольной промышленности уже не будет. Однако следует отметить, что стекло оптического качества вовсе не нужно для производства многих важных изделий, включая стекловолокно, отличный материал для возведения различных типов строений.

Использование воды

В уме марсианина постоянно будет один вопрос, преобладающий над всеми вопросами рабочей силы, женского избирательного права и восточным вопросом, вместе взятыми, – вопрос воды. «Как добывать достаточное количество воды, чтобы поддерживать жизнь?» – вот какова будет величайшая общественная проблема.

Персиваль Лоуэлл. Марс, 1895

Персиваль Лоуэлл ошибался во многом, но, разумеется, проявил прозорливость в своем замечании относительно воды на Марсе. Все возможности сделать Красную планету доступной для освоения и заселения, которые мы обсуждали до сих пор, зависят от воды: это производство топлива для ракет и роверов, кислорода для синтеза пластмасс, кирпича, строительного раствора и керамики, а также выращивание сельскохозяйственных культур, устранение утечек воздуха и укрепление почвы с использованием искусственной мерзлоты. Хотя мысль о том, чтобы постоянно возить воду на Марс, кажется чрезвычайно непривлекательной, в первых нескольких миссиях мы можем позволить себе получать воду, используя всего 11 % водорода, доставленного с Земли, в сочетании с кислородом, добытым из диоксида углерода марсианской атмосферы. Когда начнется этап создания базы, нам придется двигаться дальше. Возросшие требования к количеству топлива, вытекающие из увеличения уровня человеческой деятельности, множество новых сфер применения машин, а также стоящие выше всего нужды сельского хозяйства – все это сделает спрос на воду намного большим, чем можно удовлетворить, получая ее из «земного» водорода. Если человеческая цивилизация когда-нибудь разрастется на Марсе, нам придется найти способ получать воду на месте.

Если мы проявим должную мудрость, то разобьем базу неподалеку от места, где можно найти воду. Она должна быть легко доступна. Если вы сегодня посмотрите на Марс, вы увидите большую область с пониженным рельефом в районе северного полюса, где очень мало кратеров. Считается, что когда-то давно это огромное углубление было заполнено водой – она-то и защищала поверхность планеты от метеоритов первый миллиард лет или около того. Последнее, что осталось от древнего океана, – северная полярная шапка, которая состоит из водяного льда (по современным оценкам, там содержится около 2 миллионов кубических километров воды [30]). Европейский орбитальный аппарат «Марс Экспресс» также обнаружил заполненные водяным льдом кратеры в северном полушарии [31]. Но это лишь известные источники чистой воды. Картографируя планету с орбиты с использованием гамма– и нейтронного спектрометров, космический аппарат НАСА «Марс Одиссей» обнаружил в обоих полушариях области размером с континент, где грунт на поверхности содержит по весу от 40 до 60 % воды. На полученных с орбиты изображениях мы видим, что север Марса отличается гораздо большим количеством сухих русел рек и ручьев, чем юг. Вполне вероятно, что во времена, когда вода текла по этим каналам в последний раз, в устьях остались запасы льда или вечная мерзлота. Они могут существовать до сих пор, скрытые от нашего взора слоем пыли. Измерения влажности атмосферы, проведенные с орбиты, также не оставляют сомнений, что северное полушарие куда богаче водой, чем южное, а самое влажное время года на Марсе – северная весна. То, что на севере планеты когда-то было относительно много воды, имеет значение для будущих колонистов еще и по другой причине. Гидрологическая деятельность – ключевой фактор для формирования большого разнообразия минеральных руд. Если бы журналист Хорас Грили жил на Марсе, его совет молодым марсианам, ищущим свое счастье, был бы прост: «Идите на север».

Есть целый ряд возможных способов получить воду на Красной планете. Первый, наиболее привлекательный, но самый проблемный метод – просто найти ее. Как обсуждалось в главе 6, на Марсе могут существовать подповерхностные геотермальные водоемы жидкой воды. Если они есть, их вполне реально обнаружить на глубине до километра от поверхности, используя роверы, оснащенные почвопроникающими радарами. Экипажам не придется кататься по планете наудачу. Радарные исследования низкого разрешения, проводящиеся с орбиты, или с самолетов, или с аэростатных зондов, помогут заранее определить лучшие места для поиска воды. Подсказки могут дать и метановые шахты, которые в случае их обнаружения указывали бы на подповерхностную гидротермальную активность (и, возможно, на наличие на планете жизни!), а еще изображения вроде тех, что были предоставлены зондом «Марс Глобал Сервейор», которые помогут увидеть истечения воды из уступов скал и кратеров, имевшие место в недавнем прошлом. Если мы найдем такой бассейн и пробурим к нему шахту, горячая вода под давлением начнет вырываться из-под земли, как нефтяные фонтаны на месторождениях в Техасе. Когда она соприкоснется с холодной разреженной марсианской атмосферой, то не сможет долго оставаться горячей. В зависимости от скорости истечения вода, вероятно, замерзнет и опадет на поверхность. Таким образом, моментально может образоваться снежный вулкан значительных размеров. Впрочем, добыча воды таким эффектным способом будет расточительной, потому что гидротермальная скважина – это еще и отличный источник энергии. В том же, что касается доступа к воде, не может быть ничего лучше, чем сооружение базы рядом с горячей артезианской скважиной.

Конечно, не факт, что дела пойдут так хорошо. Мы можем и не найти жидкой воды под поверхностью в пределах бурового диапазона. Что тогда? Что ж, в таком случае удачной находкой могут оказаться рассолы. Насыщенные солевые растворы остаются жидкими при низких температурах – до -55 °C, а это значит, что даже без геотермального тепла такие рассолы, защищенные от испарения небольшим слоем почвы или льда, могут существовать на Марсе очень близко к поверхности. В дополнение к тому, что соляные бассейны содержат много воды, они еще представляют большой интерес и как места, где могла бы сохраниться марсианская жизнь. До сих пор рассолы на Марсе обнаружены не были,[28] но и «Спирит», и «Оппортьюнити» нашли обильные залежи солей по краям древних озер, поэтому ученые считают, что светлая кайма вокруг некоторых водоемов на орбитальных снимках Марса, вполне вероятно, представляет собой отложения солей на береговых линиях исчезнувших марсианских морей.

Следующий после рассолов интересный источник воды на Марсе – лед. Большие залежи водяного льда есть в северной полярной шапке планеты, но это не то место, где имеет смысл строить базу. Мы не видим ни одного крупного постоянного отложения льда южнее 70° с.ш., но, если верить теории, за 40° с.ш. подземные льды должны проявлять устойчивость к таянию уже на глубине в метр от поверхности. Впрочем, могут встречаться локальные аномалии. В Колорадо, где я живу, на северной стороне дома может быть зима, а на южной – лето и даже в середине жаркого августа в тенистых впадинах на северных склонах холмов нередко встречается снег. Поэтому я вполне допускаю, что в некоторых холодных расщелинах, лавовых трубках, пещерах или на затененных северных сторонах возвышенностей на Марсе лед можно найти даже в тех областях, в отношении которых климатические модели предсказывают, что его там не может быть. Кстати, практика подтвердила, что дело обстоит именно так. Наблюдения, проведенные «Марс Реконнэйсенс Орбитер» и опубликованные в 2009 году, показали чистый водяной лед на глубине в несколько футов в пяти относительно новых кратерах, расположенных между 43° и 56° с.ш. (Три места находятся в четырехугольной области Кебрения; их координаты таковы: 55,57° с.ш. и 150,62° в.д., 43,28° с.ш. и 176,9° в.д., 45° с.ш. и 164,5° в.д. Два других расположены в четырехугольнике Диакрия: 46,7° с.ш. и 176,8° в.д., 46,33° с.ш. и 176,9° в.д.) Это открытие доказывает, что вода доступна на Марсе в средних широтах.

Тем не менее такие запасы чистого льда в неполярной области можно найти далеко не везде. Марсианским исследователям гораздо чаще придется иметь дело с вечной мерзлотой или заледеневшей грязью. Эти источники могут содержать большое количество воды, но тем, кто будет добывать ее, вероятно, придется воспользоваться динамитом. Вечная мерзлота при марсианских температурах должна быть довольно неподатливым материалом. Кстати, в некоторых ситуациях ее можно рассматривать как превосходный местный строительный материал. Блоки из смерзшегося грунта гораздо крепче, чем обожженные кирпичи из красной глины, для их изготовления не нужна печь, а скреплять их можно без строительного раствора. А еще такой блок – это запас воды, достаточно просто расплавить его.

Все рассмотренные ранее подходы к поиску и добыче воды можно назвать героическими. Теперь давайте взглянем на какие-нибудь более обыденные, промышленные методы.

В марсианском грунте есть некоторое количество воды. Мы это точно знаем, потому что случайные образцы, взятые с поверхности на глубине до 10 сантиметров на обеих посадочных площадках «Викинга», содержали по весу около 1 % воды. Это не так уж плохо, но на самом деле тест был не совсем достоверным, потому что грунт на поверхности Марса самый сухой. Образцы нагревали в течение всего 30 секунд до температуры 500 °C и, более того, перед экспериментом их хранили в открытом сосуде при 15 °C в течение нескольких дней. Так как эта температура намного выше, чем средняя марсианская, очень высоки шансы, что значительное количество воды из образцов испарилось. На основании результатов «Викингов» можно с уверенностью предположить, что среднестатистический марсианский грунт содержит не менее 4 % воды. Впоследствии это предположение подтвердил орбитальный зонд «Марс Одиссей». А некоторые грунты, вероятно, будут еще более влажными. Так, на Марсе есть соли, обычно содержащие до 10 % химически связанной воды, которая может выделяться при нагревании. Распространенные на Красной планете глины тоже отлично адсорбируют воду. Например, в SNC-метеоритах была найдена смектитовая глина, также известная как «разбухающая», потому что она способна поглотить несколько процентов воды по отношению к своему весу. Во многих SNC-метеоритах также был найден минеральный гипс (CaSO_4 × 2Н_2O). Вполне вероятно, что он довольно распространен на Марсе, потому что серы и кальция на обеих посадочных площадках «Викингов» обнаружилось гораздо больше (в сорок и в три раза соответственно), чем в среднем в почвах на Земле. Гипс может включать более 20 % воды по весу.

Рис. 7.3. Система для извлечения воды из марсианского грунта: грузовик, печь и отвал шлака (рисунок Майкла Кэрролла)

Будь то 4 или 20 %, чтобы получить воду из почвы, понадобится только тепло. Осуществить нагрев можно одним из двух способов: принести либо почву к нагревателю, либо нагреватель к почве. Первый вариант показан на рис. 7.3. Грузовик, нагруженный некоторым количеством относительно влажного грунта, сваливает его на конвейерную ленту, ведущую к разогретой до 500 °C (или около того) печи, в результате чего выделяется адсорбированная вода. Пар, полученный таким образом, собирают в конденсаторе, а обезвоженный материал выбрасывают. Полученные кучи шлака, конечно, будут создавать некоторое неудобство, но в целом энергетика этой системы не так уж плоха. Если в качестве исходного сырья использовать грунт с 4 %-ной влажностью, потребуется около 3 кВт. ч тепла на каждый килограмм воды [32]. При таком расходе реактор на 100 кВт сможет производить 900 килограммов воды в сутки, если его электроэнергия питает печь, или до 18 тонн воды в день, если потерянное тепло реактора будет использовать для обжига. (Термоэлектрические генераторы – современные космические ядерные источники питания – используют для преобразования в электричество только 5 % энергии, остальные 95 % выходят как «отработанное тепло».)

Увы, остается еще отвал обезвоженного грунта, с которым надо что-то делать. Мы могли бы произвести 18 тонн воды в день, но одновременно с тем обзавелись бы 462 тоннами шлака. Это не так много, около 12 кубометров, или шесть грузовиков. Вполне вероятно, что мы найдем сухой породе какое-то применение, а если нет, то просто сбросим его в соседний кратер.

Впрочем, если вы не хотите возить грунт туда-сюда, альтернативой будет доставка нагревателя к нужной области Марса. Один из предложенных способов заключается в том, чтобы иметь мобильную печь, способную, находясь в движении, загружать в себя грунт, прогревать его, конденсировать пар и выбрасывать сухую породу [33]. Вы, наверное, не захотели бы использовать для такой системы ядерный реактор, а вместо этого предпочли бы радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ) вроде того, что использовался на «Вояджерах», «Викингах», «Галилее» и других космических аппаратах, отправившихся исследовать окраины Солнечной системы. Стандартный РТГ выдает 300 Вт электроэнергии, которых достаточно, чтобы привести в движение грузовик, а также 6 кВт отходящего тепла, что позволяет получать 56 килограммов воды в день из 4 %-ного исходного сырья. Такое устройство было бы весьма удобно для небольших экипажей, работающих на выезде, или как дополнительная часть оборудования для первых разведывательных миссий (56 килограммов ежедневно в течение одной 500-дневной миссии «Марс Директ» – это в конечном итоге запасы воды до 28 тонн), но его выход весьма мал по сравнению с потребностями большой развивающейся марсианской базы. Конечно, мы могли бы производить необходимую воду, используя множество таких устройств, но все эти РТГ дорого нам обойдутся, к тому же мы по-прежнему будем перелопачивать много грунта, и еще надо учитывать износ оборудования. Есть ли более изящное решение?

Один из таких способов – использование микроволнового устройства для нагревания грунта. Вода в таком случае будет испаряться и подниматься в виде пара. Целиком конструкция может представлять собой что-то вроде поставленного на шасси тента с подвижной полой внизу, как щеткой захватывающей грунт вокруг; последняя должна быть достаточно плотной и герметичной, чтобы удерживать водяной пар, пока он не осядет на стенках тента. Преимущество этой схемы заключается в том, что здесь не нужно копать грунт, и более того, микроволновые печи расходуют большую часть своей энергии на нагрев одной лишь воды, а не грунта. К сожалению, поднимающийся пар будет передавать тепло почве, так что оно окажется израсходовано впустую (впрочем, не в такой степени, как в системе одного только теплового нагрева). Однако проблема состоит в том, что питать микроволновую печь следует от источника электрической, а не, например, тепловой энергии. 6000 Вт отработанного тепла, произведенного РТГ, не получится использовать для приведения системы в действие, придется довольствоваться 300 Вт электрической мощности аппарата. Таким образом, даже если 1 Вт мощности микроволнового устройства окажется вдвое эффективнее тепловой энергии при добывании воды из грунта, вы все равно получите только одну десятую часть запланированного количества воды, потому что тепловая энергия в двадцать раз доступнее. Впрочем, если концентрация воды высока, а грунт слишком тверд, чтобы его раздробить и загрузить в печь (как в случае с вечной мерзлотой), микроволновая система будет работать лучше, чем мобильный экскаватор, хотя выход по-прежнему останется довольно низким. Предположим, мы используем такую систему для обработки запаса вечной мерзлоты, содержащей по весу 30 % воды. На извлечение каждого ее килограмма понадобится около 1 кВт. ч электрической мощности. Так, в течение марсианского сола (24,6 земного часа) передвижной микроволновый аппарат с 300-ваттным РТГ сможет добыть около 7,4 килограмма воды. Единственный способ улучшить производительность – применить намного больше энергии, например подключив устройство с помощью длинного кабеля к ядерному реактору базы и добавив 100 кВт. В этом случае удастся произвести 2,2 тонны воды в день, но аппарат потеряет мобильность.

Рис. 7.4. Мобильные методы извлечения воды из марсианского грунта: колесный комбайн, поглощающий почву (слева вверху); мобильная микроволновая система с полой (по центру); переносной купол с конденсатором (внизу) (иллюстрация Майкла Кэрролла)

Я думаю, что лучшее решение – растянуть прозрачный тент над выбранной областью, после чего пространство внутри естественным образом прогреется, как в парнике. Эффект можно усилить, если установить вокруг большие, легкие отражатели и перемещать их по мере движения Солнца, чтобы с максимальной пользой улавливать его лучи. Грунт внутри палатки будет нагреваться, конечно, не до 500 °C, но все равно существенно. Благодаря этому часть адсорбированной в нем воды испарится, и, чтобы собрать ее, достаточно будет установить в одном из углов тента постоянно охлаждаемую пластину (вода станет оседать на ней в виде инея – так же, как это происходит у вас в морозильнике). Чтобы понять, насколько эффективна такая система, учтем, что в среднем на Марсе с помощью солнечного света можно получить 500 Вт энергии с квадратного метра поверхности. Если тент представляет собой полусферу 25 метров в диаметре, а парниковый эффект и отражатель позволяют получить дополнительные 200 Вт с квадратного метра тепла, общая эффективная мощность системы будет 98 кВт. Этого достаточно, чтобы за восьмичасовой рабочий день добыть 300 килограммов воды из грунта с 4 %-ной влажностью. Тент, сделанный из полиэтиленовой пленки толщиной 0,1 миллиметра, будет иметь массу всего 100 килограммов (и, следовательно, весить на Марсе 38 килограммов), так что экипаж ровера вполне сможет переносить его на новое место каждый день. Со временем грунт, из которого извлекли воду, естественным образом увлажнится, и эту область поверхности можно будет снова использовать.

Добывать воду из марсианской атмосферы следует совершенно иным способом. Проблема здесь заключается в том, что «воздух» на Красной планете очень сухой – в среднем необходимо обработать один миллион кубометров, чтобы добыть килограмм воды. Инженер Том Мейер и исследователь Марса Крис Маккей в своей уже ставшей классической статье предложили систему механического компрессора, способную делать именно это [33]. Авторы выяснили, что для производства каждого килограмма воды потребуется около 103 кВт. ч электроэнергии. Если сравнивать их результат с показателем эффективности описанной выше системы для добычи воды из почвы (около 3 кВт. ч тепловой энергии на килограмм), «воздушный» метод, конечно, покажется малоэффективным, хотя следует отметить, что компрессор также будет добывать из атмосферы много аргона и азота, необходимых для жизнеобеспечения базы.

Впрочем, совсем недавно Адам Брукнер, Стивен Кунс и Джон Уильямс из Университета штата Вашингтон провели исследование, в котором, вместо того чтобы сжимать воздух, просто прогнали его через поглощающий слой цеолита с помощью вентилятора [34]. Цеолит очень хорошо поглощает влагу, его можно использовать для уменьшения концентрации паров воды в атмосфере до нескольких частей на миллиард, а такая влажность намного ниже, чем даже марсианская. При температурах, царящих на Красной планете, цеолит способен адсорбировать воду в количестве до 20 % от своего веса. После насыщения его можно поместить в печь, чтобы выпарить воду – на это уйдет около 2 кВт тепловой энергии на килограмм, – а затем использовать повторно. Поскольку при таком подходе достаточно гнать поток воздуха, не сжимая его, мощность механического вентилятора будет значительно меньше мощности насоса, который используется в системе Мейера и Маккея, но, вероятно, потребуется еще 2 кВт. ч электрической энергии на килограмм обработанной воды. То есть энергетические затраты здесь будут сравнимы с таковыми при добыче воды из почвы.

Основная проблема с извлечением воды из атмосферы Марса любым способом заключается в том, что система для этого должна быть довольно большой. Так, система, объединяющая воздуховод с площадью поперечного сечения 10 квадратных метров и вентилятор, способный гнать воздух со скоростью 100 метров в секунду, будет производить около 90 килограммов воды в день. Нет необходимости делать это устройство подвижным, а потому 8 кВт электрической энергии для запуска вентилятора легко можно передать с базы. Если иметь в виду, что в данном случае не нужно проводить геологоразведочные работы и перемещать грунт, что система полностью автоматизируема и что исходный материал – марсианский «воздух» – это бесконечно возобновляемый ресурс, то в итоге такая система добычи воды из атмосферы кажется весьма привлекательной.

Резюмируя, можно сказать, что, хоть на Марсе и нет водоносных каналов, оплетающих планету, вода, конечно же, здесь имеется – причем в количествах, достаточных для существования людей. Нет сомнений, что большая ее часть, добытая на засушливых просторах, пойдет на то, чтобы добавить Красной планете зелени.

Озеленение Красной планеты

Если учесть затраты на межпланетную транспортировку, станет очевидно, что, если большое человеческое общество будет когда-нибудь жить на других планетах, еду ему придется выращивать самостоятельно. В этом отношении Марс обладает огромным преимуществом по сравнению с нашей Луной и любым другим известным небесным телом (кроме Земли). Все четыре основных элемента органических соединений – водород, углерод, азот и кислород – легко доступны на Марсе. Есть мнение, что соединения углерода, вероятно, есть на астероидах; лунным зондам недавно удалось получить некоторые доказательства того, что в постоянно затененных южных областях естественного спутника Земли могут быть отложения льда. Но эти аргументы не относятся к делу, потому что самая большая проблема с Луной и со всеми другими безвоздушными космическими телами и искусственными свободно парящими в космосе колониями (вроде тех, что были предложены Джерардом О'Нилом [35]), состоит в том, что солнечный свет там недоступен в пригодной для выращивания сельскохозяйственных культур форме. Это чрезвычайно важно, но недостаточно хорошо осознано. Растениям требуются огромное количество энергии, которая может поступать только с солнечным светом. Например, один квадратный километр пахотных земель на Земле в полдень получает посредством солнечного света 1000 МВт – это сравнимо с потреблением американского города-миллионника. Иными словами, для того чтобы вырастить под искусственным светом столько сельскохозяйственной продукции, сколько производит в год крошечный Сальвадор, энергии не хватит у всех электростанции Земли, взятых в совокупности. Растения могут пережить уменьшение светового потока приблизительно в пять раз по сравнению с земными нормами, но получить урожай в сколько-нибудь значимом объеме уже не выйдет.

Проблема с использованием на Луне или в космосе естественного солнечного света заключается в том, что там он не экранируется никакой атмосферой (на Луне есть и еще одна трудноразрешимая проблема: двадцативосьмидневный суточный цикл, совершенно не приемлемый для земных растений). Солнечные вспышки губительны для жизни. Для того чтобы успешно выращивать сельскохозяйственные культуры в таких условиях, стены парника придется изготовить из стекла толщиной 10 сантиметров – что сделает использование значительных сельскохозяйственных площадей неприемлемо дорогим. Отражатели и другие направляющие свет устройства не решат эту проблему, если только не покрыть ими площадь, сравнимую с площадью засеянных участков.

Атмосфера Марса, напротив, достаточно плотная, чтобы защитить от солнечных вспышек культуры, выращиваемые на поверхности. На Марсе, как мы видели, легко можно развернуть большие надувные теплицы, защитить их геодезическими куполами и тем самым быстро подготовить огромные площади для сельскохозяйственных нужд. Тамошний уровень освещенности, составляющий 43 % от такового на Земле, достаточен для фотосинтеза, который, кстати, можно ускорить, если заполнить купола газовой смесью с большей концентрацией двуокиси углерода, нежели на Земле.

Мы уже знаем, что для того, чтобы поддерживать в жилом помещении диаметром 50 метров давление до 5 фунтов на квадратный дюйм, понадобится упрочненная кевларовая ткань для купола толщиной в 1 миллиметр. Однако растениям требуется лишь 0,7 фунта на квадратный дюйм, или 50 мбар, атмосферного давления смеси из 20 мбар азота, 20 мбар кислорода, 6 мбар паров воды и менее 1 мбар диоксида углерода. Если 50-миллиметровый купол будет использоваться только в качестве теплицы, нам хватит ткани толщиной всего 0,2 миллиметра. Такой купол, занимающий около 2000 квадратных метров (половину акра) пахотных земель, потребует ткани массой порядка одной тонны, но щит из оргстекла для такого купола по-прежнему будет иметь массу 4 тонны.

Массу плексигласового щита, закрывающего геодезический купол, можно уменьшить почти вдвое, если верхнюю полусферу сделать в форме линзы вместо традиционной. Такой купол легче возводить, поскольку его высота меньше. Также значительно сократится время, за которое сельскохозяйственные культуры наполнят кислородом атмосферу купола.

Однако, если растения могут переносить давление 0,7 фунта на квадратный дюйм, люди на это не способны, так что внутри таких куполов придется носить скафандры. Повышение давления под куполом до 2,5 фунта на квадратный дюйм исключит потребность в скафандрах. Однако до тех пор, пока на базе будет мало обрабатываемой земли, вероятно, лучше делать парниковые купола пригодными для обслуживания при том же давлении в 5 фунтов на квадратный дюйм, что и в жилых куполах. Тогда можно будет построить туннели, позволяющие людям без скафандров свободно, без необходимости герметизации и разгерметизации, передвигаться между двумя типами куполов. Более того, благодаря общим элементам в конструкции их массовое производство окажется проще, а еще люди смогут переселиться в бывшие теплицы, когда планета станет перенаселенной. Основное различие между этими двумя типами куполов будет состоять в допустимом парциальном давлении двуокиси углерода. В жилых куполах это значение следует ограничить типичным земным – около 0,4 мбар. А в теплицах нужно использовать намного более высокий уровень углекислого газа, около 7 миллибар (атмосферное марсианское давление), поскольку это должно значительно повысить урожайность (растения на Земле страдают от недостатка двуокиси углерода). Как мы уже видели, существует множество способов подачи в теплицу воды. Таким образом, основные предпосылки для сельского хозяйства – хорошо освещенная и увлажненная почва – создать на Марсе вполне реально.

Таблица 7.1. Сравнение питательных веществ для растений в почвах на Земле и Марсе

Насколько плодороден марсианский грунт? Трудно сказать, но на основании того, что нам известно сегодня, он, вполне вероятно, может оказаться отличной средой для выращивания культур – значительно лучшей, чем почвы в большинстве стран на Земле.

В табл. 7.1 сравнивается концентрация необходимых для растений питательных веществ в земных и марсианских грунтах (последние данные основаны на результатах «Викинга» и анализе SNC-метеоритов [36]).

Из табл. 7.1 видно, что в плане содержания большинства питательных веществ, необходимых для растений, марсианский грунт богаче, чем земной. Проблема там только с азотом, содержание которого не удалось измерить из-за ограничений конструкции рентгеновского флуоресцентного прибора «Викинга», использовавшегося для анализа состава почвы. Однако известно, что азот есть в атмосфере Марса, поэтому, если грунт вдруг окажется бедным нитратами, можно синтезировать аммиак и нитратные удобрения. В самом деле, те же реакторы Сабатье, использующиеся для производства метанового топлива, вполне реально приспособить и для производства аммиака, если в качестве исходного сырья взять азот и водород. Большинство удобрений на Земле производится именно в таких реакторах. Однако, согласно нашему сегодняшнему представлению о формировании планет, изначально на Марсе должно было быть то же содержание азота, что и на Земле, и его большая часть по-прежнему остается на планете, несомненно, в связанном виде в грунте, то есть в виде нитратов. Природные слои этих соединений наверняка будут обнаружены на Красной планете и обеспечат базу грузовиками удобрений.

Еще одно питательное вещество, которое необходимо для растений и которым, как сейчас кажется, бедны типичные марсианские грунты, – это калий. Вероятно, его в высоких концентрациях можно будет найти в соляных слоях, отложившихся на ныне сухих берегах древних водоемов Марса.

По физическим свойствам марсианский грунт может вполне подходить для выращивания сельскохозяйственных культур, так как кажется рыхлым и пористым. Как уже говорилось ранее, марсианские почвы содержат смектитовые глины. Это хорошая новость для будущих марсианских фермеров, потому что смектиты весьма эффективны при буферизации и стабилизации рН почвы в слегка кислую сторону, а также обеспечивают большой запас заменяемых питательных ионов благодаря своей высокой обменной способности.

Я уже рассказывал, что марсианские теплицы будут находиться под давлением в 5 фунтов на квадратный дюйм (340 мбар), что в три раза меньше, чем давление на уровне моря на Земле. Поскольку сила тяжести на Марсе составляет одну треть от земной, поддержание такой плотности атмосферы также сделает возможным полет насекомых – пчел, которые станут опылять растения. Первоначально купола будут просто находиться под давлением марсианской атмосферы (95 % диоксида углерода) с несколькими миллибарами искусственно сгенерированного кислорода, добавленного для того, чтобы обеспечить дыхание растений. Поэтому марсианские будут расти в парниковой среде, богатой двуокисью углерода, и эффективность фотосинтеза у них соответственно увеличится.

На Земле, в бедной углекислым газом среде, растения преобразуют солнечный свет в химически связанную энергию с эффективностью по меньшей около 1 %. (Общая экологическая эффективность леса или дикой степи значительно ниже, возможно, 0,1 %, но это потому, что мертвые растения разлагаются. Сами по себе растения значительно эффективнее, так что для сельскохозяйственного применения мы можем воспользоваться этим преимуществом и убирать зеленую массу до того, как она будет разложена бактериями.) Хорошая оценка эффективности фотосинтеза в среде, обогащенной углекислым газом, может составлять около 3 %. Если предположить, что купол диаметром 50 метров представляет собой правильную полусферу, получается, что растениям с такой эффективностью фотосинтеза, устилающим пол теплицы, понадобится примерно 310 дней, чтобы превратить практически весь имеющийся под куполом углекислый газ в кислород. А вот если использовать купол с линзообразной верхушкой (радиус кривизны 50 метров вместо обычных 25), время его заполнения кислородом уменьшится всего до восьми дней.

Окислитель, который, возможно, был обнаружен «Викингом» в марсианском грунте, не окажется проблемой, так как он разлагается на восстановленный материал и свободный кислород при контакте с водой. Под куполами ожидается влажная среда, и при циркуляции вода будет заставлять парниковые почвы быстро выделять запасенный ими кислород.

Мы все слышали доводы вегетарианцев в пользу отказа от употребления мяса: дескать, акр, засеянный кукурузой, может дать гораздо больше пищи для человека, чем акр, где растет трава для рогатого скота. Эти аргументы сомнительны на Земле, потому что голод на нашей планете вызван не глобальной нехваткой продовольствия, а отсутствием у голодающих денежных средств. А вот на Марсе, где, прежде чем использовать пахотную землю, ее придется создать, применяя купола и прочие приспособления, тезис вегетарианцев будет достоин внимания. Марсианскому сельскому хозяйству придется показать очень высокую эффективность. Включение в пищевую цепочку большого количества коров и быков, овец, коз, кроликов, кур и других теплокровных травоядных на самом деле очень неэффективно. Большая часть энергии растений, которую потребляют животные, идет на поддержание температуры их тела, и лишь очень малая когда-либо дойдет до вас.

Несколько лет назад некий автор написал ряд книг, в которых популяризировал идею о том, что козы способны стать ключом к животноводству в космосе. Они имеют удобные размеры, всеядны, быстро размножаются, дают молоко и т. д. Как бы то ни было, я родился в городе, но зрелые годы провел в сельской местности. Я видел, на что способны козы. Не оставляйте их рядом с вашим кевларовым куполом. Они его съедят.

С другой стороны, практически какое сельскохозяйственное растение ни возьми, люди не употребляют в пищу как минимум половину его массы. Например, в случае кукурузы, риса или пшеницы мы не едим их корни, стебли или листья. Вместо этого мы закапываем их обратно в почву, утешая себя мыслями, что тем самым поддерживаем ее плодородность. Но если бы это была наша истинная цель, мы бы лучше зарыли целое растение, иначе получается, что мы просто тратим энергию. Таким образом, если мы хотим быть эффективными, нам нужно найти способ использовать части растений, которые нельзя сразу съесть. Может, пришло время подключить к делу коз? Разве что нескольких, чтобы развлечь детей и занять службу безопасности базы, при марсианской гравитации козы будут с легкостью перепрыгивать через трехметровые заборы. Впрочем, есть идеи получше.

Одна из них – использование грибов. Так, в Университете Пердью (штат Индиана) финансируемый НАСА исследовательский центр космического сельского хозяйства выделил виды грибов, способные жить на частях растений, которые обычно идут в отходы, и превратил 70 % от их вещества в пищевой белок вроде соевого (а это уже значительно лучше, чем козы). Быстрорастущие грибы не нуждаются в свете, им достаточно темного, теплого помещения, отходов – например, стеблей кукурузы – и небольшого количества кислорода. Другими словами, вы можете содержать грибную плантацию в шкафу. Это, кстати, пример технологии, разработанной для экстремальных условий космоса и способной иметь множество применений для удовлетворения основных человеческих потребностей на Земле. Но если меню сплошь из грибов и фасоли кажется вам недостаточно разнообразным, у вас все еще есть надежда. Некоторые холоднокровные животные – такие как рыба тилапия – достаточно эффективно перерабатывают растительные отходы в высококачественный белок. Рыбные фермы на Марсе? А почему нет? Для выращивания тилапии вам не понадобится очень большой резервуар, а кроме того, рыбы не сбегут, чтобы съесть ваш купол.

Еще вам понадобятся плодоносящие фруктовые деревья. К тому же они обеспечат вас древесиной для изготовления мебели и т. п. Еще ее вместе с другими отходами растениеводства можно будет использоваться в пластмассовой промышленности, что позволит значительно увеличить разнообразие доступных материалов.

Марсианская металлургия

Возможность изготавливать металлы имеет фундаментальное значение для любой технологический цивилизации. Марс предоставляет все необходимые ресурсы. На самом деле в этом отношении он значительно богаче, чем Земля.

Сталь

Вне всяких сомнений самый доступный промышленный металл на Марсе – железо. А наиболее широко использующаяся на Земле железная руда – гематит (Fe_20_3). Она настолько распространена на Марсе, что задает цвет Красной планеты. Восстановление гематита до чистого железа – процесс простой и, согласно Ветхому Завету и Гомеру, практикуется на Земле около трех тысяч лет. Есть как минимум два подхода, пригодных для использования на Марсе. Первый, как уже обсуждалось ранее в этой главе, основан на применении отработанного монооксида углерода – реакция (1), описанная выше, – из реактора ОКВГ.

Fe_2O_3 + 3 СО → 2Fe + 3CO_2 (4)

В другом процессе используется водород, получаемый электролизом воды.

Fe_2О_3 + 3Н_2 → 2Fe + 3Н_2О (5)

Реакция (4) немного экзотермическая, а реакция (5) – слабо эндотермическая, так что после нагревания реакторов до начальных условий ни одному из них не потребуется много энергии для запуска. В случае реакции (5) необходимый водород можно получить путем электролиза воды, которая будет отходом других реакций, так что единственным новым сырьем для системы является гематит. Углерод, марганец, фосфор и кремний, четыре основных легирующих элемента для стали, очень распространены на Марсе. Дополнительные легирующие элементы, например хром, никель и ванадий, также имеются в солидных количествах. Таким образом, сразу после выработки железа его тут же можно будет сплавить с соответствующими количествами перечисленных элементов для получения практически любого желаемого типа углеродистой или нержавеющей стали.

Рис. 7.5. Создание базы на Марсе (рисунок Роберта Мюррея, «Марсианское общество»)

Широкая доступность на марсианской базе угарного газа – он будет отходом реакторов ОКВГ – открывает некоторые интересные перспективы для новых методов низкотемпературного литья. Например, окись углерода может быть объединена с железом при температуре 110 °C для получения карбонила железа (Fe(CO)5), который при комнатной температуре представляет собой жидкость. Карбонил железа можно вылить в форму а затем нагреть примерно до 200 °C, после чего он начнет разлагаться. Останется чистое и очень прочное железо, в то время как окись углерода выйдет в виде газа, что позволит использовать ее повторно. Также можно складывать железо слоями путем разложения паров карбонила, что позволит производить желаемые полые объекты любой сложной формы. Аналогичные карбонилы могут быть образованы окисью углерода и никелем, хромом, осмием, иридием, рутением, рением, кобальтом и вольфрамом. Эти соединения разлагаются при несколько различных условиях, что позволяет разделить смесь карбонилов металлов на чистые компоненты путем последовательного разложения [37].

Алюминий

Второй металл после стали по важности для общего пользования – это алюминий. Он довольно распространен на Марсе – примерно 4 % материала поверхности планеты по массе. К сожалению, там, как и на Земле, он большей частью представлен в виде очень сильно связанного оксида – оксида алюминия, или глинозема (Al_2О_3). Для того чтобы получить металл на Земле, глинозем растворяют в расплавленном криолите при 1000 °C, а затем подвергают электролизу с угольными электродами, которые расходуются в процессе, в то время как криолит остается неповрежденным. На Марсе угольные электроды могут быть получены путем пиролиза метана в реакторе Сабатье, который уже описывался в главе 6.

Al_2О_3 + 3С → 2Al + 3СО (6)

Помимо сложности реакции (6), главная проблема с ее использованием для производства алюминия заключается в том, что она очень эндотермическая. Для получения одного килограмма алюминия нужно затратить около 20 кВт. ч электрической энергии. Вот почему земные заводы по производству алюминия находятся в районах, где энергия очень дешева, например в северо-западной части тихоокеанского побережья США. На Марсе в период строительства базы энергия будет дорогой. При потребности в 20 кВт. ч на килограмм ядерный реактор мощностью в 100 кВт позволит производить всего около 123 килограмма алюминия в день. Поэтому основным материалом, используемым для создания высокопрочных конструкций на Красной планете, станет вовсе не он – а сталь. Из-за меньшей силы тяжести на Марсе она будет весить примерно столько же, сколько алюминий на Земле. Сам же алюминий придется использовать лишь там, где он необходим по причине своей высокой электропроводности и/или легкости, например при изготовлении электропроводки или компонентов приборов для летательных аппаратов.

Кремний

В современную эпоху кремний стал, возможно, третьим по важности металлом после стали и алюминия – ведь это ключевой материал для производства всей электроники. Он будет еще более значимым на Марсе, потому что, добывая кремний, мы сможем производить фотоэлектрические панели, тем самым постоянно увеличивая добычу электричества на базе. Сырье для этого – диоксид кремния (SiO_2) – по массе составляет почти 45 % от марсианской коры. Чтобы получить кремний, нужно смешать его диоксид с углеродом и нагреть в электропечи.

SiO_2 + 2С → Si + 2СО (7)

Опять же, мы видим, что восстанавливающий элемент, углерод, – это побочный продукт системы производства топлива на марсианской базе. Реакция (7) высоко эндотермическая, хотя далеко не такая затратная, как реакция восстановления оксида алюминия (6), а расходы энергии на нее даже отдаленно не сопоставимы с таковыми в случае (6).

Кремний как продукт реакции (7) достаточно хорош для некоторых целей. Например, его можно использовать, чтобы сделать карбид кремния, весьма термостойкий материал (он использовался в обшивке, защищавшей шаттлы от перегрева при входе в атмосферу). Однако очевидно, что даже малейшее количество гематита, присутствующего в исходном сырье для реактора, также будет восстановлено, в результате чего в кремнии окажутся железные примеси. Для получения чистейшего кремния, достаточно хорошего для микросхем и солнечных панелей, необходим еще один шаг: купание полученного загрязненного кремниевого продукта в горячем газообразном водороде. В результате кремний превратится в силан (SiH_4). При температуре не ниже комнатной он представляет собой газ, так что его легко можно отделить от гидридов других металлов, все из которых являются твердыми. Затем нужно перегнать силан в другой реактор и разложить при высоких температурах – получится чистый кремний и свободный водород, который снова пойдет на очистку. Такой кремний уже можно легировать фосфором или другими примесями, чтобы произвести именно тот полупроводниковый прибор, который требуется.

Можно не разлагать силан, а сжижать его для длительного хранения, охлаждая до -112 °C. Это всего на 20 °C ниже типичных марсианских ночных температур. Для чего нужно хранить жидкий силан? Дело в том, что он горит в диоксиде углерода. Практически все топливные смеси, которые мы обсуждали до сих пор, например метаново-кислородная, предполагают перевозку в топливных баках и топлива, и его окислителя. На Земле так поступать не принято. На Земле вне зависимости от того, сжигаете вы бензин в автомобиле или дерево в камине, вам всего лишь нужно подать топливо, а окислителем послужит кислород из воздуха. Поскольку обычно окислитель составляет около 75 % от реагирующей смеси, последний упоминавшийся подход явно будет гораздо более эффективным. В атмосфере Марса очень мало свободного кислорода, она почти полностью состоит из углекислого газа. Не многие вещества могут гореть в углекислом газе, но силан точно на такое способен:

SiH_4 + 2CO_2 → SiO_2 + 2С + 2 Н_2O (8)

В реакции (8) 73 % массы топлива – диоксид углерода, и только 27 % – силан. Некоторые из продуктов реакции (8) являются твердыми, потому эту систему нельзя использовать в двигателе внутреннего сгорания. Но она вполне сгодится, чтобы разжечь котел паровой машины. Для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) или для ракетных двигателей она также будет вполне хороша. Ракетный двигатель, работающий на силане и диоксиде углерода согласно реакции (8), может производить удельный импульс около 280 секунд. На первый взгляд это не очень впечатляет, пока вы не осознаете, что при себе вам достаточно иметь только 27 % массы топлива. Представьте себе небольшое прыгающее транспортное средство, которое неоднократно взлетает и совершает посадку, доставляя телеробота к какому-то количеству выбранных мест, разделенных непроходимой территорией. Такому устройству не нужно будет нести на борту все необходимое топливо. Вместо этого оно сможет производить дозаправку диоксидом углерода, просто запуская насос после посадки. В результате эффективный удельный импульс этой системы составит не 280 секунд, а 280 секунд, умноженные на отношение общего количество топлива к количеству силана, то есть на 3,75. В итоге получится значение 1050 секунд, неслыханное для химических реактивных двигателей.

Гидрид бора, или диборан (В_2Н_6), также способен гореть в двуокиси углерода с удельным импульсом 300 секунд в пропорции 1:3 соответственно [37]. Ракетный прыгун на диборане и диоксиде углерода будет иметь, таким образом, эффективный удельный импульс 1200 секунд, это еще лучше, чем у системы на силане и диоксиде углерода, которая обсуждалась выше. Однако бор на Марсе редок, в то время как кремний встречается везде, а процессы, требующиеся для производства диборана, довольно сложны. Небольшие количества диборана можно импортировать на Марс в начале программы, чтобы обеспечить высокую производительность применений прыгуна (использование системы на этом топливе будет лучшим вариантом, например, для выполнения роботизированной миссии по возвращению проб марсианского грунта), но к моменту существования базы, где будет возможность производить силан, местный продукт почти наверняка вытеснит привозной диборан.

Неоднократно предлагалось производить кремний на Луне, чтобы изготавливать прямо там большое количество солнечных батарей. Эта идея имеет серьезные недостатки. Да, совершенно верно, диоксид кремния очень распространен на Луне, лучшего пожелать нельзя, но углерод и водород, необходимые для его превращения в чистый металл, отсутствуют. Хотя в описанных выше процессах эти реагенты используются повторно, в действительности всегда есть потери. Если вы хотите производить металлический кремний или любой другой металл на Луне, в конечном итоге вам придется завозить много углерода и водорода. На Марсе, напротив, оба этих элемента доступны в естественных условиях.

Медь

В качестве последнего примера получения ключевого промышленного металла на марсианской базе рассмотрим медь. На Луне ее нет, а вот в SNC-метеоритах ее удалось обнаружить примерно в тех же концентрациях, что и в почве на Земле. Однако они довольно низки, всего около 50 частей на миллион. Если вы хотите получить сколько-нибудь значительные количества меди, вам не удастся извлечь ее из почвы. Вместо этого вам придется искать участки, где природа сосредоточила металл в виде руды. В коммерческом плане наиболее важными источниками медной руды на Земле служат сульфиды меди. Как мы уже видели, сера гораздо более широко распространена на Марсе, нежели на Земле, и вероятно, что месторождения медных руд имеются на Красной планете в виде залежей сульфидов меди, сформировавшиеся на основе лавовых потоков. После обнаружения руды медь легко можно будет восстановить выплавкой или выщелачиванием, как это практикуется на Земле с древних времен.

Приведенный пример доказывает тот факт, что, в общем, единственный способ доступа к геохимически редким элементам – добыча местных концентраций богатых минеральных руд. Однако найти руды удастся только там, где проходили сложные гидрологические и вулканические процессы, которые сосредоточили элементы в рудных месторождениях, а в пределах Солнечной системы такие процессы имели место только на Земле и Марсе. Таким образом, у нас должна быть возможность найти на Красной планете концентрированные руды почти любого металла, редкого или распространенного, который понадобится нам для построения современной цивилизации.

Вопрос энергии

Должно быть очевидно, что доступность больших количеств тепловой и электрической энергии – необходимое условие для строительства основательной марсианской базы. Может быть, так не принято говорить, но, безусловно, лучший способ обеспечить эту энергию в первые годы – импорт готовых ядерных реакторов. На Земле сегодня основными источниками энергии для нашей цивилизации являются ГЭС, АЭС, а также ископаемое топливо и древесина для сжигания. Геотермальное тепло когда-нибудь станет четвертым источником, а вот солнечная энергия и энергия ветра стоят далеко позади него по значимости и играют очень незначительные роли. На Марсе гидроэлектростанции и сжигание ископаемого топлива использовать невозможно. В долгосрочной перспективе окажется доступна энергия термоядерного синтеза, поскольку отношение дейтерия (тяжелого изотопа водорода, который необходим как топливо для термоядерных реакторов) к обычному водороду, найденному на Марсе, в пять раз выше, чем на Земле. К сожалению, термоядерных реакторов в настоящее время не существует. Это значит, что ядерная энергетика остается единственным вариантом для получения больших объемов энергии в начале колонизации Марса.

Ядерный реактор, способный производить 100 кВт электрической и 2000 кВт тепловой энергии круглосуточно в течение 10 лет, должен весить около 4000 килограммов – всего 4 тонны, – то есть он будет достаточно легким, чтобы привезти его с Земли. В противоположность этому, массив солнечных батарей, способный произвести то же количество электрической энергии при круглосуточной работе (и всего 1/20 часть тепловой энергии) в течение примерно того же срока службы, будет весить около 27000 килограммов и займет площадь в 6600 квадратных метров (около 2/3 футбольного поля). Если мы захотим получить то же количество тепловой энергии (для изготовления кирпичей и производства воды), нам понадобится солнечная батарея, весящая 540 000 килограммов и занимающая 13 футбольных полей. Очевидно, на это уйдет слишком много материала, который придется везти с Земли. Преимущество ядерной энергетики для освоения Марса огромно – настолько велико, что нынешнюю неспособность американской политической элиты профинансировать эффективную программу исследований и разработки космических ядерных электростанций можно только осуждать в самых жестких выражениях. Если мы откажемся от атомной и ядерной энергетики, мы откажемся от целого мира.

Если энергоснабжение на начальных этапах освоения Марса должно быть основано на ядерных источниках, то после постройки полноценной базы условия, вероятно, изменятся. В какой-то момент должна появиться возможность построить солнечные энергетические системы из местного сырья. Если вы живете на Марсе, то добыть сотни тонн местных материалов будет гораздо легче, чем импортировать четыре тонны оборудования с Земли.

Использование энергии Солнца и ветра

Есть два вида солнечных энергетических систем, которые могут быть изготовлены на Марсе: динамические и фотоэлектрические. Первые, также называемые гелиотермальными, являются низкотехнологичными. Принцип их работы основан на использовании параболического зеркала. Оно концентрирует солнечный свет на бойлере, где жидкость нагревается и расширяется, запуская турбинный генератор. Эти системы могут иметь довольно высокую эффективность (около 25 %), но на сегодняшний день они не получили широкого применения в космической программе, так как из-за того, что в них используются движущиеся части, многие считают их ненадежными. Однако на постоянной марсианской базе люди все время будут находиться поблизости, чтобы поддерживать работу систем солнечных батарей и ремонтировать неисправное оборудование. В этом случае аргумент надежности, выдвигаемый против динамических систем, становится значительно менее убедительным.

Более того, поскольку они будут представлять собой низкотехнологичные конструкции из зеркал, котлов и прочих подобных элементов, относительно легко увидеть, что из этого возможно изготовить на Марсе. Например, зеркала делаются из пластика, покрытого очень тонким слоем алюминия для увеличения отражательной способности. Трубы, котлы, вал турбины и лопасти можно выполнить из стали. Чтобы в действительности достичь уровня эффективности в 25 %, турбины придется изготовить с допусками, слишком точными для марсианской базы. Впрочем, это не проблема: при необходимости легко можно будет принять более низкие допуски и смириться с эффективностью в 15 %. В дополнение к этим преимуществам динамические системы также позволяют получить большое количество полезного тепла, возможно, в четыре-шесть раз превышающего их электрическую мощность.

Солнечные динамические системы, однако, требуют чистого неба. Для того чтобы параболические зеркала эффективно концентрировали свет, весь он должен приходить из одного и того же места – непосредственно от Солнца. Он не может исходить от диффузных источников, размазанных по всему марсианскому небу. На основании данных, полученных «Викингом», достаточного количества погожих дней для эффективной работы солнечных динамических систем можно ожидать только в течение северной весны и лета. В оставшуюся половину года зеркала, вероятно, станут давать очень мало энергии. Такие сезонные колебания могут быть приемлемы для некоторых целей. Не обязательно производить металлы круглый год. Но если солнечной энергии суждено стать основным источником питания базы, потребуются более надежные технологии.

Потенциально таковыми станут фотоэлектрические панели. Как мы видели, ключевой материал для их изготовления, чистый металлический кремний, может быть произведен на Марсе, равно как алюминий или медь для проводки в этих системах и пластмассы для электроизоляции. Чтобы сократить затраты, можно использовать упрощенные способы изготовления солнечных панелей в виде больших отдельных листов, недавно разработанные для использования на Земле. Такие методы, примененные на Марсе, вполне могут сделать осуществимым крупномасштабное местное производство фотоэлектрических систем. Вероятно, вы удивитесь, но производительность этих источников энергии на Марсе падает совсем незначительно, когда небо затягивают облака [38, 39]. За исключением очень сильных бурь, количества пыли, типичные для северного осеннего и зимнего неба, рассеивают, а не блокируют большую часть солнечного света. Фотоэлектрические панели, в отличие от солнечных динамических отражателей, хорошо функционируют вне зависимости от направления падающего света. Таким образом, они должны работать на Марсе круглый год. Их эффективность низкая, всего около 12 %, и в процессе не удастся получить тепловую энергию, превосходящую электрическую, но с этим придется смириться. Производительность панелей может значительно ухудшаться из-за пыли, которая будет осаждаться на них. Их придется чистить вручную или же оснастить систему чем-то вроде автомобильных «дворников».

Возможности использования ветра – еще одно дополнение к энергетической системе базы. Ветряные мельницы работали на Земле в течение многих столетий, низкотехнологичная природа делает их привлекательными для производства на марсианской базе. Да, пылевые бури планетарного масштаба случаются не периодически и, следовательно, бесполезны как реальный источник энергии. Более того, поскольку давление марсианской атмосферы в сто раз меньше такового на Земле, скорости ветра на поверхности Марса, измеренные на местах высадки модулей миссии «Викинг», были близки всего к 5 метрам в секунду, что подразумевает незначительный потенциал энергетики с использованием этого источника. Однако типичные потоки на приличных высотах над поверхностью имеют скорость около 30 метров в секунду, что позволяет вырабатывать такое же количество энергии на единицу площади ветряных установок, как при ветре в 6 метров в секунду на Земле. Это уже вполне приемлемо. Значит, ключевой параметр для практичных ветряных мельниц – высота размещения над поверхностью: мельница должна оказаться над неподвижным поверхностным слоем атмосферы. В настоящее время эта высота неизвестна, и ответ, несомненно, в любом случае варьируется в зависимости от места на Марсе. Какой бы большой ни оказалась высота, следует помнить, что на Красной планете мы будем возводить ветряную мельницу при силе тяжести в 38 % от земного значения, и, возможно, практичнее окажется построить ветряные башни, непривычно высокие на взгляд землянина.

Генерация геотермальной энергии

Примерно с 1930 года начальные и средние школы-интернаты в сельских районах Исландии по возможности располагали там, где доступна геотермальная энергия. В таких центрах школьные здания и жилые помещения для учеников и сотрудников отапливаются с помощью геотермальных источников. Также они, как правило, оборудованы бассейнами и сами обеспечивают себя овощами (томатами, огурцами, цветной капустой и т. д.), выращенными в собственных теплицах. Сейчас в различных частях страны есть множество таких школ, и довольно часто они используются в качестве туристических отелей в летние каникулы. Нередко эти центры становятся ядрами новых волонтерских общин в сельских районах.

С. С. Эйнарсон. Геотермальное теплоснабжение местности, 1973

С помощью солнца и ветра, используя оборудование марсианского производства, можно получить десятки или даже сотни киловатт электроэнергии. Эти методы кажутся привлекательными, поскольку энергетические системы могут быть развернуты и запущены почти в любом месте, позволяя производить электроэнергию нецентрализованно. Это окажется очень кстати на Марсе, так как отпадет необходимость снабжать энергией далекие объекты в период, пока не будет выстроена энергопередающая инфраструктура. Тем не менее эти источники дают довольно скромные объемы энергии, а потому приходится искать более мощные альтернативы. Как выяснил британский ученый Мартин Фогг [40], такой вариант доступен на Марсе в виде геотермальной энергии.

Она генерируется благодаря высоким температурам недр планеты, достаточным для того, чтобы вскипятить жидкость – например, воду, – а затем использовать пар для запуска турбины генератора. На Земле геотермальная энергия – четвертая по значимости после сжигания топлива, гидроэлектростанций и АЭС, она обеспечивает около 11000 МВт, или 0,1 % всей энергии, потребляемой человечеством. Жители Исландии получают большую часть используемой ими энергии – более 500 МВт – из тепла земных недр.

Один геотермальный колодец на Земле обычно генерирует от 1 до 10 МВт электричества – не много по стандартам земных электростанций, но изрядно, если ориентироваться на требования марсианской базы. На Земле геотермальные электростанции такого размера могут быть приняты в эксплуатацию в течение шести месяцев от начала бурения и способны работать 97 % времени, причем эта цифра уступает только аналогичному показателю для гидроэлектростанций. Мало того, кроме большого количества энергии, геотермальная скважина могла бы обеспечивать базу на Марсе кое-чем не менее ценным: обильным количеством жидкой воды. На Земле генерирующие станции должны располагаться там, где находятся источники геотермального тепла, и, так как мы уже выбрали места для наших городов, это обстоятельство часто представляет проблему. А вот на Марсе города еще только предстоит построить. Учитывая значимость геотермальной энергии и воды, место обнаружения такого источника, вероятно, продиктует расположение базы.

Говоря короче, геотермальные источники энергии будут чрезвычайно выгодны для марсианских поселенцев. Вопрос в том, существуют ли они. Возможно, это покажется вам странным, но ответ почти наверняка будет положительным.

На Марсе есть крупномасштабные вулканические образования, например в провинции Фарсида, возраст которых менее 200 миллионов лет. Примерно 4 % поверхности планеты (около 5 миллионов квадратных километров, в основном в северных районах Элизиум, Аркадия и Амазония, а также в экваториальной области Фарсида) классифицируется марсианскими геологами как Верхняя Амазония: рельеф этой части планеты изменился в результате либо вулканической деятельности, либо затопления за последние 500 миллионов лет. События, произошедшие так давно, кому-то покажутся древней историей, но, учитывая, что возраст Марса составляет 4 миллиарда лет, на самом деле их стоит квалифицировать как недавние. С геологической точки зрения, 200 миллионов лет назад – это «сегодня». Если вулканы были активны тогда, они так же могут быть активны в настоящее время.

Более того, как мы уже видели, Марс обладает большими запасами воды. Жидкие грунтовые воды, вероятно, встречаются в пределах километра от поверхности по меньшей мере в некоторых местах. Если некая область была геотермально активна в недавнем прошлом, вода в ней может быть достаточно горяча, чтобы использовать ее для получения энергии.

Если в качестве подходящих кандидатов мы рассмотрим только территории Верхней Амазонии и предположим, что темп их формирования равномерен на отрезке в 500 миллионов лет, мы обнаружим, что 10 % (0,5 миллиона квадратных километров), вероятно, имеют возраст менее 50 миллионов лет, 1 % (50 тысяч квадратных километров) – менее 5 миллионов лет, а 0,1 % (5 тысяч квадратных километров), наверное, были активны в течение последних 500 тысяч лет.

Не следует извлекать геотермальную энергию из области, которая вулканически активна в настоящее время. Недра остаются горячими довольно долго после того, как активность ослабла. В своей основополагающей статье про марсианскую геотермальную энергию Фогг представил расчеты температурных профилей тамошних грунтов как функции времени с момента, когда регион был активен. Его результаты обобщены в табл. 7.2.

Для справки, текущий уровень развития технологии наземного бурения позволяет углубиться примерно на 10 километров. На Марсе делать глубокие скважины должно быть легче, так как меньшая сила тяжести уплотняет почву менее значительно. Можно видеть, что площади, связанные с геотермальной активностью в течение последних 5 миллионов лет, довольно обширны, и для таких территорий будет достаточно скважин глубиной всего в несколько километров, чтобы добыть очень горячую воду. После того как она окажется на поверхности, она станет очень быстро превращаться в пар и может быть использована для выработки электроэнергии с помощью движущейся турбины. Такая станция на Марсе окажется еще более эффективной, чем на Земле, потому что низкое атмосферное давление позволит пару сильнее расширяться перед конденсацией. Часть сточной воды, образующейся в результате этого процесса, будет отведена для снабжения базы в необходимом объеме. Остальная вода направится обратно в скважину, чтобы снова пополнить подповерхностный водоносный слой.

Таблица 7.2. Характеристики марсианских геотермальных полей

Геотермальную энергию нельзя сгенерировать на Луне, ее нельзя сгенерировать на астероидах. Из всех внеземных тел в Солнечной системе только Марс имеет потенциал для создания такого обильного источника энергии для поддержки человеческих поселений.

Варианты применения энергии Солнца и ветра для периферийных энергетических установок вместе с использованием геотермальной энергии для основных потребностей указывают, что при использовании ядерных реакторов в начале освоения планеты марсианская база, которая освоит соответствующий набор технологий использования местных ресурсов, будет способна расширять возможности по обеспечению источниками энергии своими силами. Чем больше энергии окажется у базы, тем быстрее она станет расти и, следовательно, получать еще больше энергии по мере роста. Как только на Марсе появится возможность для производства солнечной, ветряной и особенно геотермальной энергии, рост базы станет экспоненциальным.

Использование базы для передвижения на большие расстояния

А не прекратится ли глобальное исследование Марса в период, пока будет строиться база? Ничего подобного! Как бы хорошо мы ни выбрали место для нее, с уверенностью можно сказать, что некоторые существенные ресурсы, необходимые для ее развития, окажутся доступны только на участках, удаленных на десятки, сотни или тысячи километров от нее. Для роста базы потребуются глобальное разведывание и транспортировка ресурсов. Это будут симбиотические отношения, в которых сама база станет обеспечивать возможность для передвижения исследователей на большие расстояния.

Ситуация в некотором смысле аналогична истории освоения Антарктики человеком. До Международного геофизического года (1957) исследование проводили посредством серии выездов, где каждая разведывательная группа использовала собственный корабль в качестве базы. Однако с начала того года было принято решение построить большую постоянно работающую базу в проливе Мак-Мердо. Сегодня она позволяет использовать и ремонтировать механизированные транспортные средства, вертолеты и самолеты, которые дают исследователям Антарктики доступ к любой части континента. Концентрируя ресурсы в одной точке, люди создали возможность проводить исследования гораздо шире и детальнее, чем когда-либо раньше, сохранив при этом традицию использования собачьих упряжек и лыж для вылазок от отдельных разведочных судов.

Местности на Марсе гораздо более суровые, чем даже в Антарктиде. Чтобы иметь действительно высокую мобильность, там придется летать. В то время как воздушные шары и дозвуковые самолеты можно использовать, чтобы запускать малые роботизированные устройства в ветреное марсианское небо, единственными системами, достаточно надежными для транспортировки людей, станут аппараты с ракетными двигателями, способные прорываться через любую погоду. Это могут быть либо чисто баллистические устройства, выпрыгивающие из марсианской атмосферы, для того чтобы перебраться с одной стороны планеты на другую, либо крылатые ракетопланы, способные летать на сверхзвуковой скорости. Оба типа систем расходуют много топлива, а управление ими будет немыслимо, пока люди на Марсе не начнут изготавливать большое количество ракетного топлива.

Для примера рассмотрим марсианский пилотируемый баллистический прыгун с массой в 10 тонн, работающий на метаново-кислородных ракетных двигателях с удельным импульсом в 380 секунд. Скажем, мы хотим, чтобы он пролетел 2600 километров (то есть преодолел 45 градусов по широте или долготе на поверхности Марса), оставил на месте груз и налегке вернулся на базу. Для того чтобы выполнить этот маневр, устройству будет нужно отношение масс, близкое к 7, так что всего понадобится 60 тонн топлива. Если мы хотели бы осуществить полет на 15-тонном ракетоплане (крылья сделают его тяжелее) со сверхзвуковым отношением подъемной силы к лобовому сопротивлению (L/D), равным 4, отношение масс будет около 5, так что снова понадобятся 60 тонн ракетного топлива. Ясно, что не существует способа часто использовать эти виды транспортных средств на Марсе, в случае если их метаново-кислородное топливо или хотя бы только водородное сырье для его производства импортируется с Земли.

Необходимость перевозить достаточное количество топлива и для перемещения к месту назначения, и для возвращения из разведывательного вылета ограничивает максимальную дальность перемещения химических ракет на Марсе расстоянием в 4000 километров. Этот лимит может быть устранен, если транспортное средство станет самостоятельно производить топливо после посадки. Химические двухкомпонентные виды топлива не позволяют этого, потому что на их производство требуется слишком много энергии (около 5 кВт. ч на килограмм), и, следовательно, такие затратные системы не подойдут для частых запусков.

Однако в конце 1980-х годов я придумал концепцию, которую назвал «ядерная ракета на марсианском топливе» (ЯРМТ, или NIMF, nuclear rocket using indigenous martian fuel), которая, как мне кажется, способна устранить эту проблему [41, 42]. В случае ЯРМТ в качестве топлива используется простой диоксид углерода из марсианской атмосферы, которые нагревается за счет бортового ядерного ракетного двигателя для создания горячей выхлопной струи газа. Поскольку в данном случае ЯРД не превращает тепло в электричество, все приспособления для преобразования энергии, которые на самом деле составляют большую часть массы ЯРД, оказываются ненужными, и система становится компактной и легкой. Так как топливо здесь – обычный диоксид углерода, который можно добыть при низких затратах энергии (менее 0,3 кВт. ч на килограмм) путем закачивания из атмосферы, на борту понадобится не так много электроэнергии, так что все оборудование для химического синтеза также оказывается ненужным. Горячий диоксид углерода нельзя назвать высококлассным ракетным топливом, удельный импульс будет около 260 секунд – это все, на что можно рассчитывать. Но старателю нужен мул, способный есть горный кустарник, а привередливый скакун, предпочитающий отборный корм, в горах будет бесполезен. ЯРМТ – по существу, гораздо более мощный и продвинутый вариант газового прыгуна, рассмотренного в главе 6, – это идеальное разведывательное судно, поскольку для его питания сгодится все, что можно найти на месте. Ракетные транспортные средства, оснащенные этим типом двигателей, обеспечат исследователям Марса полную мобильность в масштабах планеты.

Преимущества режима работы ЯРМТ многочисленны. Несмотря на меньший удельный импульс, тот факт, что такой ракете не нужно везти с собой топливо на обратную дорогу, делает возможным охват всей планеты, в то время как даже самые лучшие химические системы ограничены в дальности передвижения. ЯРМТ обладает еще одним преимуществом: так как она сама производит топливо, то гораздо меньше полагается на энергетические ресурсы базы, чем химические системы. Производство 60 тонн метаново-кислородной смеси, необходимой химической ракетной системе, как описано в начале данного раздела, на 123 дня полностью займет имеющийся на базе реактор на 100 кВт электрической энергии. А вот на отправку ЯРМТ база вообще не потратит ни энергии, ни даже части запасов водорода или воды. Единственное, что потребуется в таком случае, – продовольствие для экипажа, техническое обслуживание и ремонт. Еще одно преимущество работы ЯРМТ на Марсе – это ее уникальная способность быстро доставлять большие количества груза в очень удаленные районы. Если срочно нужны 20 тонн сульфида меди, 40-тонная грузовая ЯРМТ слетает на другую сторону планеты и заберет эту руду Никакая другая система не обеспечит такой производительности.

Вы можете вспомнить (я писал об этом в главе 3), что в период до разработки «Марс Директ» я отстаивал архитектуру пилотируемой миссии на Марс на основе одного запуска тяжелой ракеты-носителя, использование ЯРД для вывода корабля на траекторию к Марсу и использование ЯРМТ, для того чтобы исследовать планету, а затем вернуться. Я отказался от этих идей в пользу «Марс Директ», потому что мне стало ясно, что технологии, требуемые для ЯРД и ЯРМТ, слишком сложны, чтобы сформировать на их основе первые исследовательские экспедиции на Марс. Миссии с их использованием казались очень привлекательными, но время, необходимое для их разработки, вынудило бы слишком далеко отложить первый полет. Тем не менее, технология ЯРМТ дает большие возможности для развития базы на Марсе. Таким образом, в контексте расширенной программы исследования было бы целесообразно приложить значительные усилия, чтобы ввести в игру транспортные средства на основе ЯРМТ. Тогда, после того как через несколько лет развития базы они будут готовы к эксплуатации, люди смогут иметь доступ к ресурсам в любой точке планеты.

Начало колонизации

Первые исследователи Марса проведут 18 месяцев в ожидании, когда первое удачное стартовое окно откроется для их возвращения домой. Но по мере развития базы и улучшений условий жизни на ней некоторые будущие астронавты могут решить продлить срок своего пребывания на планете сверх полуторагодичной вахты – до четырех, шести лет и более. Спонсоры базы, вероятно, предложат крупные финансовые бонусы для тех, кто решится на продление срока. В конце концов, большая часть расходов базы станет уходить на перемещение людей на Марс и обратно. Чем дольше будет работать база, тем больше окажется стимул развивать новые формы межпланетной транспортировки, чтобы уменьшить затраты на логистику еще сильнее. Это может сделать правительство, или, вероятно, это будет реализовано через систематическую поставку грузов с Земли на базу посредством конкурирующих частных компаний – так или иначе, но это будет сделано обязательно. Полеты на Марс год от года станут дешеветь, а еще больше подешевеет поддержание жизни и работы астронавтов, находящихся на Красной планете. Поскольку все больше людей станет прибывать на планету и оставаться там на длительное время, база все больше станет напоминать город.

Так начнется колонизация Марса.

Глава 8

Колонизация Марса

Это предложение, сделанное публично и относившееся ко всем, выявило много различных мнений среди людей и вызвало многие страхи и сомнения в их рядах. Некоторые, руководствуясь личными причинами, потрудились вдохновить остальных; другие из-за своих опасений спорили, приводя множество доводов, необоснованных и несостоятельных; нам предстояло большое дело, и оно было связано со многими невообразимыми угрозами и опасностями…

Ответ на эти заявления был таков: все великие и благородные поступки сопровождаются большими трудностями, которые должно принять и преодолеть с подобающим мужеством.

Губернатор Уильям Брэдфорд. История колонии Плимут, 1621

В предыдущих главах мы рассмотрели процесс освоения и заселения Марса в основном с технической точки зрения. Мы узнали, что, используя технологии XX века, первые исследователи могут достичь Марса примерно через десять лет при затратах, которые заведомо по силам США. Мы пришли к выводу что, если приложить больше усилий, через несколько десятилетий после первой высадки на планете на Марсе можно будет создать базу способную поддерживать жизнь десятков или даже сотен людей – тех людей, которые затем приступят к освоению местных ресурсов и когда-нибудь сделают Марс домом для миллионов.

Таким образом, мы подошли к сути дела: фазе заселения Марса. Действительно ли Марс может быть колонизирован? С технической точки зрения, почти нет сомнений: в конечном счете мы сумеем сделать на Марсе почти все, что захотим, и даже, как мы увидим в следующей главе, терраформировать его – превратить из холодного, засушливого мира в теплую и влажную планету. Но насколько далеко мы имеем право зайти? В то время как фазы разведывания и строительства базы могут и, вероятно, должны быть выполнены за счет государственного финансирования, в фазе заселения Марса на первый план выходит экономика. Если марсианская база, на которой проживает даже несколько сотен человек, вероятно, сможет существовать за счет правительственных средств, то развивающееся марсианское общество, способное разрастись до сотен тысяч человек, – уже нет. Чтобы стать самостоятельной, настоящая марсианская цивилизация должна быть или полностью автаркической (что возможно только в далеком будущем), или способной произвести какой-то товар на экспорт, что позволило бы оплачивать импортируемые товары.

Этот вопрос станет ключевым для будущего Марса, и не только для человеческой цивилизации на планете, но и для марсианской природы. Если нам удастся создать жизнеспособную марсианскую колонию, численность людей будет расти, а вместе с ней – наши возможности изменять и преобразовывать новый мир. Марс когда-то был планетой с умеренным климатом, и если приложить достаточно усилий, он может стать таким снова. Для поселенцев преимущества жизни на планете после терраформирования настолько очевидны, что нет сомнений: если будет колонизация, то будет и терраформирование. Поэтому, в конечном счете, осуществимость терраформирования зависит от того, насколько экономически успешными окажутся человеческие колонии на Марсе.

Главное возражение против заселения и терраформирования Марса сводится к следующему: такие проекты могут быть осуществимы с технологической точки зрения, но оплатить их нам не по силам. Марс расположен далеко, туда трудно добраться, и он представляет собой враждебную среду, которая не содержит никаких ресурсов очевидной экономической ценности. Звучит убедительно, но следует отметить, что те же аргументы когда-то приводились в пользу полной непрактичности заселения европейцами Северной Америки и Австралии. Конечно, технологические и экономические проблемы, с которыми столкнутся колонизаторы Марса в XXI веке, очень сильно отличаются от тех, которые пришлось преодолеть при колонизации Нового Света. Тем не менее я убежден, что эти аргументы несостоятельны из-за той же ошибочной логики и отсутствия понимания, из-за которых европейские правительства многих стран в течение четырехсот лет после Колумба недооценивали значимость колониальных поселений (в отличие от торговых постов, плантаций и добывающих видов деятельности).

В период своего мирового господства испанцы игнорировали Северную Америку; для них она была всего лишь огромной бесполезной дикой территорией. В 1781 году, когда Корнуоллис держал осаду в Йорктауне, англичане направили свой флот в Карибское море, чтобы захватить несколько островов с высокодоходными сахарными плантациями у французов. В 1803 году Наполеон Бонапарт продал треть современной территории Соединенных Штатов за два миллиона долларов. В 1867 году Александр II продал Аляску по схожей скромной цене. О существование Австралии в Европе узнали за двести лет до того, как там появилась первая колония, а европейские правители даже не пытались претендовать на континент до 1830 года. Эти примеры близорукого управления государством сегодня стали легендарными. Тем не менее поведение современных правителей говорит о том, что близорукость никуда не делась. Я считаю, что двести лет спустя нынешнее равнодушие политиков к Марсу и другим небесным телам будет казаться такой же нелепой ошибкой.

Почти невозможно узнать, какие предприятия будут экономически жизнеспособными через двадцать лет, а уж тем более через пятьдесят или сто. Тем не менее в этой главе я постараюсь показать вам, как и почему экономика колонизации Марса может начать работать и почему успех колонизации в конечном итоге станет залогом нашей дальнейшей космической экспансии. Хотя я буду время от времени возвращаться к историческим аналогиям, мои аргументы будут основаны не на историческом опыте, а на особенностях самого Марса, его уникальных характеристиках, ресурсах, технологических требованиях и его связи с другими важными телами нашей Солнечной системы.

Уникальность Марса

Когда вы предлагаете какое-то новое начинание, например составляете бизнес-план, обычно необходимо собрать и перечислить преимущества вашего продукта или услуги. Что такого у вас есть, что конкурент предложить не может? Хорошо, что особенного есть на Марсе?

Среди внеземных тел в нашей Солнечной системе Марс выделяется тем, что он обладает всеми необходимыми ресурсами, чтобы не только поддерживать жизнь колонистов, но и создать новую ветвь человеческой цивилизации. Эта уникальность проявляется особенно отчетливо, если сравнить Марс с нашей Луной, которую чаще всего называют местом, где мог бы поселиться человек.

В отличие от Луны на Марсе много углерода, азота, водорода и кислорода в биологически легкодоступных формах, таких как газообразный диоксид углерода, газообразный азот, водяной лед и вечная мерзлота. Углерод и азот имеются на Луне в ничтожных количествах: несколько частиц на миллион. Там есть некоторое количество водяного льда, но его можно найти только в постоянно затененных ультрахолодных (-230 °C) полярных кратерах – таких холодных местах, что их содержимое практически недоступно за пределами сред с нужными условиями. Кислород на Луне имеется в изобилии, но только в виде сильно связанных оксидов, таких как диоксид кремния (SiO_2), оксид железа (Fe_2O_3), оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al_2О_3), которые требуют очень высокоэнергетических процессов для восстановительных реакций. Современные данные показывают, что, если бы Марс был гладкими и весь его лед и вечную мерзлоту растопили в жидкую воду, планета покрылась бы океаном глубиной около 100 метров. Это резко контрастирует с условиями на Луне, поскольку на ней так сухо, что, если бы там обнаружили бетон, лунные колонисты добывали бы его, чтобы получать воду. Таким образом, если растения и могут быть выращены в теплицах на Луне (маловероятное предположение, как мы убедились), то большую часть ресурсов для их выращивания придется импортировать.

Также на Луне примерно в два раза меньше металлов, представляющих промышленный интерес (медь, никель и цинк, например), а также многих других нужных элементов, таких как сера, фтор, бром, фосфор и хлор. На Марсе все они имеются в изобилии. Более того, на Марсе, как и на Земле, протекали гидрологические и вулканические процессы, которые, вероятно, объединили различные элементы в локальные скопления богатых минеральных руд. Ученые сравнили геологическую историю Марса с геологической историей Африки [43] и сделали очень оптимистичные выводы по поводу его минеральных богатств. На Луне же не было ни рек и океанов, ни вулканов, и в результате она в основном состоит из мусорных пород с очень небольшим содержанием полезных руд.

Электроэнергию можно производить и на Луне, и на Марсе, используя солнечные батареи, и здесь преимущества чистого неба Луны и ее близости к Солнцу в какой-то степени уравновешивают потребность в больших хранилищах энергии, связанного с 28-дневным суточным циклом Луны. Но, если мы захотим производить солнечные панели, чтобы создать собственную расширяющуюся энергетическую базу, Марс имеет огромное преимущество, так как только там есть большие запасы углерода и водорода, необходимых для производства чистого кремния, который идет на изготовление фотогальванических панелей и другой электроники. Кроме того, у Марса есть потенциал, связанный с энергией ветра, в то время как использовать ее на Луне принципиально невозможно. Но и солнечная энергия, и энергия ветра имеют сравнительно скромный потенциал – десятки или в лучшем случае сотни киловатт. Чтобы создать полноценную цивилизацию, понадобятся более богатые запасы энергии, и они доступны на Марсе, как в краткосрочной, так и в среднесрочной перспективе благодаря его геотермальным ресурсам, которые позволяют во множестве строить электростанции класса 10 МВт (10 000 ватт). В долгосрочной перспективе на Марсе будет процветать экономика, основанная на использовании его богатых запасов дейтериевого топлива для термоядерных реакторов. Дейтерий на Марсе встречается в пять раз чаще, чем на Земле, и в десятки тысяч раз чаще, чем на Луне.

Но, как мы уже обсуждали в главе 7, самая большая проблема на Луне, как и на всех других небесных телах без атмосферы и в предлагаемых искусственных колониях в открытом космосе, состоит в том, что солнечного света недостаточно для выращивания сельскохозяйственных культур. Один акр растений на Земле требует 4 МВт энергии солнечного света, а на квадратный километр понадобится 1000 МВт. Весь мир целиком не производит количества электроэнергии, которого будет достаточно для освещения ферм сельскохозяйственного гиганта США – штата Род-Айленд. Культивирование растений под электрическим светом просто экономически безнадежно. Но, чтобы использовать естественный солнечный свет на Луне или любом другом небесном теле без атмосферы, необходимо строить теплицы из материала достаточной толщины, чтобы оградить растения от солнечных вспышек, а это требование чрезвычайно увеличивает затраты на создание пашни. И от нее все равно не было бы толку, потому что растения не могут адаптироваться к суточному циклу длиной 28 дней.

Марсианская атмосфера имеет достаточную толщину, чтобы защитить от солнечных вспышек посевы, выращенные на поверхности планеты. Поэтому тонкостенные надувные пластиковые теплицы, защищенные негерметичным, устойчивым к ультрафиолетовому излучению куполом из жесткого пластика, помогут нам быстро создать пахотные земли на поверхности Марса. Даже если исключить проблему солнечных вспышек и суточного цикла длиной в месяц, такие простые теплицы оказались бы бесполезны на Луне, так как внутри них было бы нестерпимо жарко. На Марсе же сильный парниковый эффект, созданный такими куполами, обеспечит внутри оптимальный умеренный климат. Такие купола диаметром до 50 метров будут достаточно легкими, чтобы на начальном этапе привозить их с Земли, а затем можно начать изготавливать их на Марсе из местных материалов. Поскольку на Марсе есть все ресурсы, необходимые для производства пластмассы, можно быстро создать и установить сети таких куполов диаметром от 50 до 100 метров, тем самым делая доступными большие участки поверхности планеты и для жилья, где можно обойтись без скафандра, и для сельскохозяйственных площадок. Это только начало, потому что, как мы увидим в главе 9, в конечном итоге у людей появится возможность увеличить толщину атмосферы Марса. Для этого нужно вызвать искусственное глобальное потепление, высвободив парниковые газы из реголита. Тогда жилые купола можно будет делать практически любого размера, поскольку исчезнет проблема с перепадами давления между внутренней и внешней средами. Более того, тогда можно будет выращивать специально выведенные культуры и за пределами куполов.

Следует отметить, что Марс – единственное известное нам небесное тело, где колонисты смогут жить на поверхности, а не в туннелях и свободно передвигаться и выращивать урожай при свете дня. Марс – это место, где люди могут жить, заводить детей, увеличивая численность колонии, и обеспечивать себя всем необходимым благодаря местным ресурсам. То есть Марс – это место, где может появиться настоящая человеческая цивилизация, а не старательский или научный форпост. И, что немаловажно для межпланетной торговли, Марс и Земля – единственные места в Солнечной системе, где люди могут выращивать сельскохозяйственные культуры на экспорт.

Межпланетная торговля

Марс является лучшим объектом для колонизации в Солнечной системе, поскольку на сегодняшний день он имеет наибольший потенциал для самообеспечения. Тем не менее, даже если роботизированные технологии производства будут развиваться очень быстрыми темпами, Марс станет полностью самодостаточным только тогда, когда численность его популяции будет исчисляться в миллионах. Таким образом, потребность в импорте специализированных промышленных товаров с Земли на Марс останется на ближайшие столетия. Эти товары могут иметь сравнительно небольшую массу, так как действительно сложными в изготовлении будут только небольшие детали даже самых высокотехнологичных товаров. Тем не менее за эти небольшие замысловатые предметы нужно платить, и высокие затраты на запуск с Земли и межпланетный перелет значительно увеличат их цену. Что же Марс может экспортировать на Землю в ответ?

Именно этот вопрос заставил многих думать, что колонизация Марса трудновыполнима или по крайней мере уступает по выполнимости колонизации Луны. Например, много раз говорилось о том, что на Луне есть запасы гелия-3, изотопа, не найденного на Земле, который может иметь очень большое значение как топливо для термоядерных реакторов второго поколения. На Марсе нет запасов гелия-3. С другой стороны, из-за сложной геологической истории Марса на нем может присутствовать концентрированная минеральная руда с гораздо большим содержанием драгоценных металлов, чем в настоящее время обнаруживается на Земле, – потому что земные руды сильно истощены человеком за последние пять тысяч лет. В совместной статье с Дэвидом Бейкером в 1990 году я показал, что, если на Марсе доступны концентрированные запасы металлов, не менее ценных, чем серебро (то есть само серебро, германий, гафний, лантан, церий, рений, самарий, галлий, гадолиний, золото, палладий, иридий, рубидий, платина, родий, европий, а также множество других), их потенциально можно будет транспортировать на Землю со значительной выгодой [44]. Многоразовое транспортное средство с одноступенчатым двигателем, предназначенное для старта с поверхности Марса, такое как ЯРМТ (о нем рассказывается в главе 7), могло бы перевозить грузы на орбиту Марса для транспортировки на Землю с помощью любых недорогих одноразовых химических двигательных ступеней, изготовленных на Марсе, или многоразовых челночных солнечных межпланетных кораблей, или межпланетных кораблей с магнитными парусами (эти передовые двигательные системы рассматриваются в дополнительном разделе в конце этой главы). Существование таких драгоценных металлических руд, однако, по-прежнему остается под вопросом.

Но есть один промышленный ресурс, который точно существует на Марсе повсеместно в больших количествах, – дейтерий, тяжелый изотоп водорода. На Земле на каждый миллион атомов водорода приходится 166 атомов дейтерия, а на Марсе – 833. Дейтерий – не только ключевое топливо для термоядерных реакторов первого и второго поколений, но и важный ресурс для современной атомной энергетики. Если у вас есть достаточное количество дейтерия, вы можете замедлить ядерный реактор «тяжелой» водой вместо обыкновенной «легкой», и такой реактор будет работать на природном уране, не требующем обогащения. Ядерные реакторы канадского производства, известные как CANDU, сегодня работают по этому принципу. Проблема, однако, заключается в том, что придется подвергнуть электролизу 30 тонн обычной «легкой» воды, чтобы получить достаточное количество водорода для производства одного килограмма дейтерия, и пока не будут доступны очень большие количества дешевой гидроэлектрической энергии, процесс останется непозволительно дорогим. (Именно поэтому во время Второй мировой войны для проекта немецкой атомной бомбы пришлось располагать производство тяжелой воды рядом с большой норвежской плотиной ГЭС в Веморке. Когда отряд норвежского сопротивления и «Би-17» Соединенных Штатов разрушили это место в серии налетов в 1943 году, немецкая ядерная программа фактически была уничтожена.) Даже с дешевой электроэнергией дейтерий остается очень дорогим, его текущая рыночная стоимость на Земле составляет около 10000 долларов за килограмм, что примерно в 12 раз дороже, чем серебро (27 долларов за унцию), на 25 % дороже золота (1200 долларов за унцию). И это сегодня, пока мы стоим еще только на пороге появления промышленного термоядерного синтеза. После того как термоядерные реакторы начнут широко использоваться, цены на дейтерий будут расти. Как уже говорилось в предыдущих главах, большая часть энергии на марсианской базе пойдет на электролиз воды, чтобы поддерживать различные процессы жизнеобеспечения и химического синтеза. Если этап выделения дейтерия применять к водороду, полученному путем электролиза, до того как он возвращается обратно в химические реакторы, тогда каждые 6 тонн марсианской электролизированной воды могут обеспечить около одного килограмма дейтерия в качестве побочного продукта. Каждому человеку на Марсе потребуется около 10 тонн электролизированной воды в земной год. Если для технических целей электролизированной воды необходимо в два раза больше, в общей сложности для марсианской колонии на 200 000 человек ее потребуется 6 миллионов тонн в год. Это позволит производить в год 1000 тонн дейтерия, чего достаточно для получения 11 тераватт электроэнергии – примерно столько же, сколько все человечество потребляет сегодня. При современных ценах на дейтерий это могло бы приносить годовой экспортный доход в 10 миллиардов долларов.(Например, Новая Зеландия получила 26 миллиардов долларов валового экспорта в 2009 году, хотя население страны составляет всего 4,3 миллиона человек.) При современной средней стоимости электроэнергии в 7 центов/кВт. ч общая стоимость энергии, производимой на Земле, в результате составит около 7 триллионов долларов в год.

Идеи могут стать еще одним экспортным товаром для марсианских колонистов. Точно так же, как огромный дефицит рабочей силы в колониальной Америке XIX века привел к появлению «изобретательности янки», крайняя нехватка рабочей силы в сочетании с технологической культурой поможет развить марсианскую изобретательность. Благодаря этому будут множиться изобретения в сферах энергетики, автоматизации и робототехники, биотехнологий, а также многих других. Марсианские изобретения, лицензированные на Земле, позволят финансировать Красную планету, а также радикально повысить уровень земной жизни – так в XIX веке американские изобретения изменили Европу и в конечном итоге остальной мир.

Изобретения новой цивилизации, появляющиеся в силу необходимости, могут сделать Марс богатым, но есть и другие способы. Один из них – торговля полезными ископаемыми, которые можно добывать в поясе астероидов, лежащем между орбитами Марса и Юпитера.

Чтобы понять эту идею, необходимо рассмотреть энергетические отношения между Землей, Луной, Марсом и главным поясом астероидов. Пояс астероидов вступает здесь в игру, потому что, как известно, содержит обширные запасы очень богатых металлических руд в условиях низкой гравитации, что делает их потенциально легкими для экспорта на Землю [36]. Например, Джон Льюис из Университета штата Аризона рассмотрел случай простого астероида диаметром всего один километр. Масса такого астероида составит всего 2 миллиарда тонн, из которых 200 миллионов тонн будут приходиться на долю железа, 30 миллионов тонн – высококачественного никеля, 1,5 миллиона тонн – стратегически важного кобальта и 7500 тонн – смеси металлов платиновой группы, средняя стоимость которой при современных ценах может достигать 20 000 долларов за килограмм. В сумме это составит 150 миллиардов долларов для одной только платины. В этом почти нет сомнений, так как у нас имеется много образцов астероидов в виде метеоритов. Как правило, метеоритное железо содержит от 6 до 30 % никеля, от 0,5 до 1 % кобальта и концентрацию металлов платиновой группы по меньшей мере в 10 раз выше, чем в земных рудах. Более того, так как астероиды также содержат немало углерода и кислорода, все эти вещества могут быть выделены из астероида и отделены друг от друга с использованием химических процессов на базе моноокисида углерода, которые мы обсудили в главе 7 для очищения металлов на Марсе. На сегодня известно около 5000 астероидов, из которых около 98 % находятся в главном поясе между Марсом и Юпитером на среднем расстоянии от Солнца примерно 2,7 астрономической единицы, или а.е. (Земля находится на расстоянии 1 а.е. от Солнца). Эта группа в главном поясе включает все известные астероиды, находящиеся в пределах орбиты Юпитера, с диаметрами более 10 километров, сотни диаметром 100 километров и одно тело – Цереру – с диаметром около 950 километров. За исключением некоторого количества мелких объектов, которые подходят к Солнцу ближе, чем Земля, и нескольких замеченных за Юпитером, остальные 2 % астероидов, все малого размера, имеют орбиты, лежащие между орбитами Земли и Марса. Однако число околоземных астероидов, соответствующее 2 % от общего количества, является сильно завышенным в сравнении с количеством астероидов главного пояса, так как относительная близость первых к Земле и Солнцу делает их гораздо более удобными для обнаружения. Разумная оценка будет примерно такой: астероиды главного пояса превосходят по численности околоземную группу по меньшей мере в тысячу раз. Из близких к Земле астероидов около 90 % располагаются ближе к Марсу чем к Земле.

Из примера Льюиса должно стать ясно то, что все эти астероиды вместе представляют огромный экономический потенциал. Хотя в последнее время было сделано многое, чтобы подчеркнуть важность астероидов околоземной группы (особенно в связи с постепенным осознанием того, что, если мы не будем развивать космические программы по защите от таких астероидов, один из них, скорее всего, когда-нибудь врежется в нашу планету и уничтожит человеческую расу), относительные количества астероидов в двух классах с очевидностью показывают, что добыча будет сосредоточена в главном поясе.

Шахтеры, работающие на астероидах, не смогут производить большую часть необходимого им продовольствия на месте. Таким образом, возникнет потребность в импорте продуктов питания и других необходимых товаров или с Земли, или с Марса. Как показано в табл. 8.1 ниже, у Марса в этом отношении будет масса преимуществ. Они связаны с тем, что значения ΔV для запуска реактивной ракеты с Марса гораздо меньше, чем для запуска с Земли, и как следствие, отношение масс (полная масса заправленного космического корабля, деленная на его сухую массу), которое требуется для космических аппаратов, покидающих Марс, также намного меньше.

В таблице 8.1 в качестве примера рассматривается Церера, крупнейший астероид,[29] расположенный самом центре главного пояса. Однако вы заметите, что я также упоминаю Луну как потенциальный порт назначения. Несмотря на то что она намного ближе к Земле, с точки зрения реактивного движения, гораздо легче достичь Луны с Марса! Для такого запуска требуется отношение масс всего в 12,5, в то время как для полета с Земли на Луну это отношение должно составлять 57,6. И по той же причине путешествия с Земли или с Марса практически на любой околоземный астероид будут менее удобными, чем к астероидам основной группы главного пояса.

Таблица 8.1. Перелеты во внутренней Солнечной системе

Все строки в табл. 8.1, за исключением последних двух, рассчитаны для системы транспортировки с метаново-кислородными (СН_4/O_2) двигателями с удельным импульсом в 380 секунд и ΔV, подходящими для траекторий с использованием высокоэффективных химических двигательных установок. Они были выбраны потому, что смесь метана и кислорода обладает самым высоким удельным импульсом из всех видов топлива, которые можно хранить в космосе, и ее можно изготовить на Земле, на Марсе или на углеродистом астероиде. Топливо из смеси водорода и кислорода хоть и имеет более высокий удельный импульс (450 секунд), не может долго храниться в космосе. Более того, оно непригодно для дешевых многоразовых космических транспортных систем, поскольку его стоимость почти на порядок выше, чем для смеси метана и кислорода, и его объемность затрудняет транспортировку топлива на орбиту, если применять многоразовые одноступенчатые ракеты РОСД (но это позволяет использовать его для действительно недорогих ракет для доставки с Земли на НОО). Последние две записи в таблице рассчитаны для ядерных электрических ракет (ЯЭР): для движения в космосе предлагается аргонное топливо с удельным импульсом в 5 тысяч секунд, доступное и на Земле, и на Марсе, а для запуска с поверхности к НОО – смесь метана и кислорода. Такие системы РОСД и ЯЭР, хотя и кажутся сегодня фантастикой, в будущем обещают стать надежной основой для технологии межпланетных перевозок.

Можно видеть, что, если использовать исключительно химические системы двигателей, то отношение масс, необходимое для того, чтобы доставить сухую массу к поясу астероидов с Земли, в 14 раз больше, чем если производить запуск с Марса. Это означает, что при полете с Марса на Цереру отношение массы полезной нагрузки к взлетной массе ракеты по-прежнему гораздо больше, чем при полете с Земли на Цереру. На самом деле расчеты в табл. 8.1 позволяют сделать вывод, что выгодная торговля между Землей и Церерой (или любым другим телом в главном поясе астероидов) с использованием химических двигателей скорее всего невозможна, тогда как между Марсом и Церерой организовать ее не составит большого труда. Так что из таблицы видно, что отношение масс для доставки грузов с Марса на Луну почти в пять раз выше, чем для полетов с Земли на Луну.

Если появляются ядерные электрические ракеты, расклад меняется, но не очень значительно. Марс по-прежнему обладает семикратным преимуществом перед Землей с позиции отношения масс, а значит, отношение полезной нагрузки к взлетной массе ракеты почти в сто раз выше для полета с Марса, чем с Земли.

Но это всего лишь отношения масс, а как отмечалось выше, дело не только в них. Теперь давайте сравним от начала до конца некоторые миссии, стартующие к Церере с Земли или с Марса. Сравнение показателей приведено в табл. 8.2, причем и для варианта только с химической системой двигателей, и для сочетания химической и ЯЭР транспортных систем. Обе миссии доставляют 50 тонн груза. Кроме того, и ЯЭР, и химическая система должны включать топливные баки, массу которых я оценил в 7 % от массы топлива, которое они несут. Для транспортных средств, работающих на пути от поверхности к орбите, я использовал метан-кислородные РОСД и предположил, что транспортные средства должны иметь сухую массу (на тепловую защиту, двигатели, шасси и т. д.), исключая массу баков, равную массе их полезной нагрузки, то есть 50 тонн. Химическая межпланетная транспортная система может быть более хрупкой, так что я назначил им сухую инертную массу, исключая массу баков, равную 20 % от массы полезной нагрузки. Ядерные электрические двигатели в табл. 8.2 требуют 10 мегаватт электрической мощности для полета на Цереру с Марса и 30 мегаватт электрической мощности для полета с Земли, для каждой ЯР системы отношение массы к мощности составит 5 тонн/МВт. (Это отношение гораздо ниже, чем 40 тонн/МВт для проектируемого реактора на 100 кВт энергии, который мы собираемся использовать в миссии «Марс Директ», но, учитывая гораздо больший размер устройства и более футуристический контекст, можно считать это предположение разумным.) Различные номинальные мощности дают обеим системам примерно равные соотношения мощность/масса. Тем не менее система ЯЭР, стартовав с Земли, по-прежнему должна поддерживать работу двигателя в 2,4 раза дольше. Если вы хотите увеличить номинальную мощность отправляемого с Земли ядерного двигателя, чтобы он работал так же долго, как двигатель, отправляемый с Марса, то масса миссии, стартующей с Земли, устремилась бы к бесконечности. В таблице 8.2 массы приведены для полной миссии. Ясно, что общие требования к запуску, вероятно, будут разделены между множеством ракет-носителей.

Таблица 8.2. Масса товарных грузовых миссий к главному поясу астероидов (тонны)

Как видите, общая масса запуска для миссий, начинающихся на Марсе, примерно в 50 раз меньше, чем для вылетов с Земли, независимо от того, какую двигательную технологию мы используем для межпланетного перелета. Если выбранная ракета-носитель имеет стартовую массу в 1000 тонн, потребуется 107 запусков, чтобы объединить все грузовые миссии на смеси метана и кислорода, запущенные с Земли, и только два запуска с Марса. Даже если бы стоимость топлива и других деталей миссии на Марсе была бы в 10 раз выше, чем на Земле, то все равно оставалась бы чрезвычайно выгодной. Более того, приведенный мной анализ предполагает, что корабли вернутся из пояса астероидов без груза. Если дополнительно обременить миссию достаточным количеством топлива, чтобы доставить добытый металл с астероида без дозаправки на Марсе, миссия с Земли станет еще более безнадежной.

Отсюда следует простой вывод: все, что должно быть отправлено к поясу астероидов и может быть произведено на Марсе, следует производить на Марсе.

Схема будущей межпланетной торговли, таким образом, становится очень четкой. Образуется «торговый треугольник»: Земля поставляет высокотехнологичные промышленные товары на Марс, Марс поставляет низкотехнологичные промышленные товары и продовольствие в пояс астероидов и, возможно, к Луне, астероиды поставляют металлы (а Луна, возможно, гелий-3) обратно на Землю. Эта схема аналогична той, что сложилась между Великобританией, ее североамериканскими колониями и Вест-Индией во время колониального периода. Великобритания отправляла промышленные товары в Северную Америку, американские колонии поставляли продовольственное сырье и ремесленные изделия в Вест-Индию, а Вест-Индия посылала сахар в Великобританию. Сходный торговый треугольник, включающий Великобританию, Австралию и Моллукские острова, также поддерживал британскую торговлю в Ост-Индии в XIX веке.

Заселяя Марс

Из-за сложности межпланетных путешествий колонизация Марса может казаться невыполнимой задачей. Однако колонизация, по определению, есть путешествие в один конец, и именно тот факт, что колонии в новом мире необходимо обеспечить успех, позволит транспортировать большие количества людей.

Рассмотрим две модели того, как люди могли бы эмигрировать на Марс: при государственном и частном финансировании.

Государственное финансирование сделало бы технические средства, необходимые для массового переселения на Марс, доступными уже сегодня. На рисунке 8.1 мы видим одну из версий концепции, которую можно использовать для транспортировки мигрантов на Марс. Тяжелая ракета-носитель на базе конструкции шаттла поднимает 145 тонн (почти как у «Сатурн-5») на НОО, затем ядерная ракета (например, такая, какую продемонстрировали в Соединенных Штатах в программе NERVA в 1960-х годах) с удельным импульсом в 900 секунд забрасывает 70-тонный обитаемый модуль повышенной вместимости на семимесячную траекторию к Марсу. Прибыв на Марс, модуль использует свою коническую оболочку как систему парашютов для аэродинамического торможения, а затем спускается с помощью более или менее обычного парашюта и производит посадку, используя собственный набор метаново-кислородных двигателей.

Увеличенный жилой модуль имеет 8 метров в диаметре и состоит из четырех жилых этажей общей площадью 200 квадратных метров, что позволит удобно разместить 24 человека и во время пребывания в космосе, и на Марсе. Дополнительная площадь доступна на пятом (верхнем) этаже, после того как тот освободят от груза по прибытии на Марс. Таким образом, за один запуск ракеты-носителя с Земли к Марсу можно отправить 24 человека, снабженных продовольствием и инструментами.

Теперь предположим, что начиная с 2030 года каждый год с Земли в среднем запускаются четыре такие ракеты-носителя. Если далее мы введем несколько обоснованных демографических предположений, можно будет рассчитать демографические кривые для Марса. Результаты показаны на рис. 8.2. Рассматривая график, мы видим, что при таких усилиях (и с технологическим оснащением, замороженным на уровне начала XXI века) человеческая популяция Марса в предстоящем столетии будет расти приблизительно в пять раз медленнее, чем население колониальной Америки в XVII и XVIII веках.

Рис. 8.1. Увеличенная ядерная тяжелая ракета-носитель, способная транспортировать с Земли на Марс 24 колониста

Это само по себе очень важный результат. Это означает, что расстояние до Марса и задача транспортировки, с ним связанная, не станут основным препятствием для человеческой цивилизации на Красной планете. Скорее, ключевыми будут вопросы использования ресурсов, выращивания еды, строительства жилья и изготовления различных полезных товаров на поверхности Марса (об этом мы уже говорили в главе 7). Более того, прогнозируемые темпы роста населения хоть и не очень велики, но в историческом масштабе выглядят довольно значительно. И если предположить, что запуск обойдется в 1 миллиард долларов, программу стоимостью в 4 миллиарда долларов в год в течение какого-то времени могла бы стабильно финансировать любая крупная земная держава.

Однако при цене запуска около 1 миллиарда долларов расходы на одного иммигранта будут составлять 40 миллионов долларов. Такие расходы по силам государству (какое-то время), но не частным лицам или группам. Если мы хотим построить марсианское общество на энтузиазме и энергии большого числа иммигрантов, стремящихся оставить свой след в новом мире, плата за перевозку должна будет стать значительно ниже. Поэтому давайте изучим альтернативную модель, чтобы понять, как можно сделать ее более выгодной.

Рис. 8.2. Колонизация Марса по сравнению с колонизацией Северной Америки. Анализ предполагает, что число иммигрантов составит 100 человек в год, начиная с 2030-го, и каждый год будет увеличиваться на 2 %, количество мужчин и женщин среди них одинаково. Возрасты всех иммигрантов от 20 до 40 лет. Предполагается, что средняя рождаемость составит 3,5 ребенка на семью, а уровень смертности – 0,1 % в год для возраста от 0 до 59 лет, 1 % в год для возраста от 60 до 79 лет, 10 % в год для тех, кто старше 80 лет

Еще раз рассмотрим нашу РОСД на смеси метана и кислорода, используемую для транспортировки полезной нагрузки с поверхности Земли до низкой околоземной орбиты. Для доставки на орбиту каждого килограмма полезной нагрузки требуется около 70 килограммов топлива. Затраты на двухкомпонентное метаново-кислородное топливо составят около 20 центов за один килограмм, так что доставка к орбите каждого килограмма груза на топливо обойдется в 14 долларов. Если затем мы предположим, что расходы на функционирование всей системы будут в семь раз выше расходов на топливо (примерно в два раза больше соотношения «общая стоимость/стоимость топлива» для авиакомпаний), то стоимость доставки на НОО может составлять около 100 долларов за килограмм. Давайте предположим, что есть космический корабль, постоянно курсирующий между Землей и Марсом, который повторно использует воду и кислород с эффективностью в 95 %. Такие межпланетные «челноки», предложенные астронавтом «Аполлон-11» Баззом Олдрином в качестве основного транспорта для маршрута Земля – Марс, позволяют с комфортом перевозить множество людей, поскольку такие аппараты достаточно запустить лишь один раз, при этом полет в оба конца будет занимать 2,2 года и повторяться практически бесконечное количество раз. Купив билет на такой «челнок», каждый пассажир с 100 килограммов личных вещей вынужден будет взять около 400 килограммов продовольствия, чтобы обеспечить себя пищей, водой и кислородом во время 200-дневного полета на Марс. Таким образом, понадобится перевезти 500 килограммов со скоростью ΔV около 4,3 километра в секунду, чтобы переместить иммигранта с НОО Земли на челночный межпланетный космический корабль. Капсула, используемая для транспортировки иммигрантов с НОО к «челноку» и с «челнока» на поверхность Марса, вероятно, должна иметь массу из расчета 500 килограммов на одного пассажира. Таким образом, на орбиту «челнока» нужно доставить для каждого пассажира в общей сложности 1000 килограммов, что при удельном импульсе в 380 секунд для метаново-кислородной двигательной системы на транспортной капсуле переводится в 3200 килограммов на низкой околоземной орбите. При цене доставки на НОО в 100 долларов за килограмм и в предположении, что стоимость самого «челнока» амортизируется за очень большое число миссий, затраты на одного пассажира, летящего на Марс, составят 320 000 долларов.

Очевидно, что в приведенном выше расчете я сделал много предположений и изменение этих условий может значительно повлиять на цену билета. Например, использование прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) сверхзвукового самолета, для того чтобы получить значительную часть ΔV по пути с Земли на НОО, может сократить затраты на доставку к орбите в тысячу раз. Чтобы поднять транспортную капсулу почти до вывода из поля силы тяжести Земли, можно использовать ракету с электрическим двигателем, после чего капсула будет сброшена, чтобы выполнить управляемый пролет на небольшом расстоянии от Земли с использованием разгонного блока на химическом топливе. Это позволит ей уйти с орбиты и достичь «челнока» с ΔV, развитой химическим двигателем, всего лишь в 1,3 километра в секунду, тем самым полезная нагрузка удваивается, а затраты снижаются. Если «челнок» оснащен магнитным парусом (см. дополнительный раздел в конце главы), а не движется по естественным межпланетным орбитам с помощью гравитационных маневров, гиперболическая скорость капсулы для отправления с Земли, требуемая для стыковки с «челноком», может равняться нулю, что позволит преодолеть весь путь с НОО Земли к челноку с помощью электрического реактивного двигателя, или, предположительно, даже с помощью солнечных или магнитных парусов. Если увеличить эффективность системы жизнеобеспечения на «челноке» с базовых 95 % повторного использования воды и кислорода до 99 %, можно будет везти меньше продовольствия, что опять же снизит затраты. Таким образом, есть основания ожидать, что транспортные расходы по маршруту Земля – Марс снизятся еще на порядок, примерно до 30 000 долларов на пассажира. Изменения стоимости перевозки, которые произойдут благодаря постепенному введению каждой из этих инновационных концепций, показаны в табл. 8.3.

Таблица 8.3. Возможные сокращения стоимости системы транспортировки по маршруту Земля – Марс

Тем не менее сумма в 320 000 долларов для первых иммигрантов довольно интересна. Это не те деньги, которые легко просто взять и потратить, но это сравнимо со стоимостью дома из тех, в которых живет верхушка среднего класса в американских пригородах. Такую сумму люди могут потратить, если очень захотят. А почему они захотят? Примерно по следующей причине: из-за малого населения Марса и большой стоимости собственно транспортировки, несомненно, труд на Марсе будет обходиться намного дороже, чем на Земле. Поэтому и заработная плата может оказаться значительно выше. В то время как на Земле инженер заработает 320 000 долларов приблизительно за шесть лет, на Марсе, скорее всего, он получит ту же сумму за два года. Эта разница, аналогичная той, что существовала между доходами в Европе и Америке в течение большей части последних четырех столетий, может сделать эмиграцию на Марс желанной и достижимой целью для отдельного человека. С XVII по XIX век многие европейские семьи откладывали средства на то, чтобы один из членов семьи мог эмигрировать в Америку. Такой эмигрант, в свою очередь, копил деньги на то, чтобы перевезти к себе родных. Сегодня к тому же способу прибегают иммигранты из стран третьего мира, где заработная плата может быть гораздо меньше цены авиабилета. Поскольку, чтобы заработать на Марсе, туда нужно сначала добраться, поездку можно оплатить в кредит. Так поступали в прошлом, почему бы не поступить так и в будущем?

Рис. 8.3. Со временем база на Марсе вырастет в настоящее поселение, начало новой ветви человеческой цивилизации. (иллюстрация Роберта Мюррея, «Марсианское общество»)

Как упоминалось ранее, нехватка рабочей силы послужит марсианской цивилизации стимулом для технологического и социального развития. Если вы платите зарплату в пять раз больше земной, вы не захотите тратить время ваших подчиненных на ручной труд в теплицах или заполнение форм, и вы не станете строить бюрократических препятствий тому, кто обладает нужными навыками. Короче говоря, марсианская цивилизация будет практичной, поскольку ей придется быть такой, как пришлось американской цивилизации в XIX веке. Этот вынужденный прагматизм даст Марсу огромное преимущество в конкурентной борьбе с менее напряженным и, следовательно, более связанным традициями обществом оставшейся позади Земли. Если необходимость – мать изобретательности, то Марс обеспечит колыбель. Общество фронтира, основанное на технологическом совершенстве и прагматизме и состоящее из людей, которые сами развили в себе инициативность, обязательно породит множество изобретателей. Их изобретения будут удовлетворять потребности не только Марса, но также и земного населения. Поэтому они станут приносить Марсу доход (через предоставление земных лицензий) и в то же время препятствовать стагнации, к которой склонно земное общество с его избытком рабочей силы. Этот процесс оздоровления, как мы обсудим в последующих главах, в конечном счете станет наибольшим преимуществом, которое колонизация Марса предложит Земле. И больше всего выиграют те земные общества, которые имеют самые тесные социальные, культурные, языковые и экономические связи с марсианами.

Продажа марсианской недвижимости

Марсианская недвижимость может быть разбита на две категории: жилая и открытая. Под жилой недвижимостью я подразумеваю все, что находится под куполом и позволяет поселенцам жить в относительно привычной среде без скафандров. Открытая недвижимость, в противоположность, это те помещения, которые находятся вне куполов. Очевидно, что жилая недвижимость гораздо более ценная, чем открытая. Тем не менее оба вида можно купить и продать, и как только транспортные расходы упадут, марсианская недвижимость начнет расти в цене.

Единственный вид земли, существующей на Марсе прямо сейчас, это открытые (то есть не находящиеся под куполом) площади. Они невероятно обширны – 144 миллиона квадратных километров, – но могут показаться абсолютно бесполезными. Однако это не так. Огромные участки земли были куплены и проданы в Кентукки за большие суммы за сто лет до того, как прибыли поселенцы. На месте региона к западу от Аппалачей в 1600-х годах можно представить себе Марс. Две вещи делали эти далекие земли ценными и продаваемыми. Во-первых, кое-кто предвидел, что когда-нибудь территории будут использоваться, поэтому продавались патенты на землю английской короны, разрешавшие частное владение. Если бы существовал механизм, который позволял бы владеть частной собственностью на Марсе, участки на планете можно было бы покупать и продавать. Такой механизм не требует создания патрулей или других служб, чтобы следить за тем, соблюдается ли право собственности. Вполне достаточно будет патента о регистрации имущества, выданного сильным государством, например Соединенными Штатами Америки. Например, если Соединенные Штаты решили выдать патент на горные работы любой частной группе, которая обследовала кусок марсианской территории с какой-то определенной долей точности, это повысит спрос на участок за счет его гипотетической будущей ценности (и, вероятно, частные инвесторы захотят организовать роботизированное разведывание земель с помощью зондов). Более того, такие исследования будут инициироваться на международном уровне по всей Солнечной системе, если американская таможня станет штрафовать за любые материалы из любого уголка Солнечной системы, добытые с нарушением правил. Подобный механизм предполагает примерно такой же суверенитет США над Марсом, как текущая деятельность патентного бюро США по превращению идей в интеллектуальную собственность предполагает суверенитет правительства США над вселенной идей. Но будь то Соединенные Штаты, НАТО, Организация Объединенных Наций или Марсианская Республика, для объявления бесполезной местности недвижимостью следует заручиться одобрением правительства какого-нибудь государства.

А уже после того как это будет претворено в жизнь, даже недостроенная открытая недвижимость на Марсе станет постоянным источником финансирования для первых марсианских поселений. При средней цене в 20 долларов за акр Марс стоил бы около 700 миллиардов долларов. Если Марсу суждено быть терраформированным, вероятно, цены на открытую недвижимость вырастут в сто раз, и тогда всю площадь планеты можно грубо оценить в 70 триллионов долларов. Если удастся найти способ терраформирования Марса, при котором его общая стоимость окажется меньше этой суммы, у владельцев земель появятся все основания заняться планетарной инженерией.

Конечно, вся открытая недвижимость на Марсе не будет иметь одинаковую ценность. Какие-то участки будут содержать ценные минералы, воду, геотермальные источники энергии или другие ресурсы, какие-то – находиться ближе к жилым зонам. Разумеется, такие земли будут стоить дороже. Из этих соображений владельцы открытых неисследованных территорий на Марсе, как и землевладельцы прошлого, станут всеми силами способствовать дальнейшему исследованию и заселению собственных участков.

Жилая недвижимость под куполами будет цениться гораздо выше, чем открытая. Каждый купол диаметром 100 метров и массой около 80 тонн будет покрывать площадь около двух акров. Если предположить, что внутри разместятся жилые помещения для 20 семей и каждая семья готова заплатить 50000 долларов за участок (надел со стороной 20 метров), то общая стоимость недвижимости, заключенной под одним куполом, составит 1 миллион долларов. При таких ценах массовое создание жилых площадей под куполами окажется одним из крупнейших видов бизнеса на Марсе и основным источником дохода для колонии.

В XXI веке из-за роста населения недвижимость на Земле продолжит дорожать, поэтому людям будет все труднее приобретать собственное жилье. Продолжится и бюрократизация повседневной жизни, которая будет все сильнее мешать энтузиастам найти средства для воплощения своих творческих замыслов на Земле. Законы, защищающие сложившиеся порядки, будут становиться всё более обременительными для тех, кто попытается эти порядки изменить. Замкнутый мир будет ограничивать возможности личности и стремиться обеспечить соблюдение поведенческих и культурных норм, неприемлемых для многих. Например, рассмотрим оскорбление человеческой природы, которое представляет собой нынешняя политика Китая «одна семья – один ребенок».[30] Когда разногласия, вызванные таким угнетением, перерастут в неизбежные бунты и войны, появятся проигравшие. Смотря сегодня на весь мир, не сложно выделить десятки малых народов в Азии, Африке, на Ближнем Востоке и в странах бывшего Советского Союза и Европы, примыкающие к большим народам, которые проявляют или когда-то проявляли желание завоевать своих соседей. Опять же, будут войны и побежденные, и миллионы эмигрантов, которые не захотят подчиниться и предпочтут тяготы жизни в новом мире. Им понадобится планета-убежище, и Марс станет такой планетой.

Исторические аналогии

Основная аналогия, которую я хотел бы провести, – это аналогия между Марсом в грядущую эпоху освоения и Северной Америкой прошлого. Наша Луна, близкая к «столичной» планете, но бедная с точки зрения ресурсов, напоминает Гренландию. Другие объекты, такие как астероиды главного пояса, могут быть богаты ресурсами для возможного экспорта на Землю в будущем, но на них вряд ли удастся создать полноценное самобытное общество – их я сравниваю с Вест-Индией. Только Марс имеет полный набор ресурсов для развития местной цивилизации, и только Марс является подходящей целью для настоящей колонизации. Как и Америка в ее взаимоотношениях с Великобританией и Вест-Индией, Марс обладает преимуществом благодаря своему расположению – близости к астероидам, которые позволят ему эффективно вести добывающую деятельность в интересах Земли. Но из-за близоруких расчетов европейских государственных деятелей и финансистов XVIII века Америку никогда не считали удобной базой для торговли сахаром и специями из Вест-Индии или внутренней торговли мехом и не рассматривали как потенциальный рынок для промышленных товаров. У Америки было другое предназначение – стать домом для новой ветви человеческой цивилизации, местом, где гуманистические идеалы сочетаются с пограничными условиями, и в результате – двигателем для небывалого прогресса и экономического роста. Богатство Америки одновременно состояло и в том, что она могла дать своим новым жителям все, и в том, что в нее приезжали люди правильного склада ума. Особенности жизни в новом мире, которые в случае Америки создали культуру практичных, находчивых и изобретательных людей, будут с сто раз актуальнее применительно к Марсу.

Марс суровее, чем любое место на Земле. Но, если человек сможет приспособиться к таким условиям, его жизнь станет лучше. Марсиане будут благоденствовать.

Дополнительный раздел. Передовые межпланетные перевозки

Выбор транспорта зависит от места назначения. Точно так же, как открытие Нового Света подготовило почву для революции в европейском кораблестроении, основание марсианской базы потребует новых видов космических двигательных систем, которые сделают колонизацию Марса достижимой с коммерческой точки зрения. Эти новые системы, гораздо более производительные, чем нынешние, уже существуют в виде проектов и дожидаются своего часа. Давайте посмотрим, что может нам принести будущее.

Воздушно-реактивные пусковые установки

Современные ракетные системы запуска лишь на 2 % превосходят реактивные самолеты в эффективности переноса грузов. Причина проста: ракеты приходится нагружать необходимым для их собственного движения окислителем, в то время как реактивные самолеты получают его из воздуха. Поскольку окислитель составляет около 75 % от общего веса топлива, это чрезвычайно уменьшает производительность ракет. Ракеты-носители по пути на орбиту летят через огромные количества окислителя. Почему бы не пытаться использовать хотя бы какую-то его часть?

К сожалению, развитию сверхзвукового воздушно-реактивного двигателя препятствуют технические трудности и отсутствие желания вести такую работу. Текущие ПВРД, используемые на некоторых ракетах, могут развивать скорость до 5,5 Маха, но, если повышать ее дальше, нельзя будет замедлить воздух, который входит в реактивный двигатель, до дозвуковых скоростей так, чтобы не нагревать его слишком сильно. Таким образом, сжигание топлива в двигателе должно происходить в сверхзвуковом потоке. На это способен двигатель нового типа, сверхзвуковой ПВРД, в некотором смысле он превосходит существующие реактивные двигатели так же, как реактивные самолеты превзошли пропеллерные. Национальная программа разработки воздушно-космического самолета была отменена в США в 1993 году, когда ее сочли недостаточно значимой, но ученые успели провести обширные компьютерные вычисления, показавшие, что сверхзвуковые реактивные двигатели будут работать. Несколько менее сложный с технической точки зрения вариант, который может обладать многими преимуществами сверхзвукового ПВРД, – это ракета с двигателем, дожигающим топливо в воздушном пространстве, то есть ракета, получающая часть необходимого ей окислителя из атмосферы во время взлета. Такие ракеты, которые могут развить удельный импульс более 1000 секунд, были продемонстрированы на испытательном стенде компанией Маркуардт в 1966 году. К сожалению, из-за очередных прихотей бюрократической системы программу отменили до того, как двигатели начали тестировать в полетах.

Использование сверхзвуковых прямоточных воздушных реактивных двигателей или двигателей с дожиганием топлива хотя бы во время части полета одноступенчатой ракеты (РОСД) к орбите значительно увеличило бы возможную полезную нагрузку. Это именно то, что нужно, чтобы удовлетворить логистические требования развивающейся программы заселения Марса, для которой потребуются дешевые поставки большого количества груза на орбиту и за ее пределы. Колонизация Марса, таким образом, занимает центральное место в развитии технологий, которые предоставят нам дешевый доступ в космос.

Электродвигатель

Ключевым показателем производительности ракеты является ее удельный импульс, количество секунд, за которое двигатель использует фунт топлива, чтобы получить фунт тяги. Лучшие химические ракеты, доступные сегодня, имеют удельный импульс около 450 секунд, в то время как для ядерного ракетного двигателя он может составлять около 900 секунд.

Но есть еще один способ достичь высокого удельного импульса. Это ионизация газа путем удаления части электронов из его атомов, а затем его ускорение с помощью сил притяжения и отталкивания электростатической решетки. Этот метод известен как электрическое реактивное движение, или «ионный привод». В сходной концепции газ преобразуется в плазму, которая затем выбрасывается из магнитного сопла, создавая тягу.

Рис. 8.4. Космический аппарат с ядерным электрическим двигателем потребует очень больших систем реакторов. Подобные транспортные системы сейчас провозглашают ключом к быстрым полетам на Марс, но это напрасная надежда, так как такие ракеты набирают ускорение очень медленно. Однако поскольку они очень экономно расходуют топливо, то, возможно, когда-нибудь будут использованы, чтобы значительно уменьшить затраты на транспортировку грузов на Марс (иллюстрация предоставлена НАСА)

В любом случае, используя электрические двигатели, можно генерировать удельные импульсы до многих тысяч секунд, даже не нагревая выхлопной газ до очень высоких температур. Это не просто теория, но реальный факт – ионные приводы сегодня используются для маневров по поддержанию стационарных орбит многих спутников. Но, если необходимо создать большую тягу, понадобится много электроэнергии. Например, для 120-тонного космического корабля потребуется мощность 5 МВт (это примерно в 70 раз больше, чем запланировано для МКС), чтобы сгенерировать тягу в 280 ньютонов (около 60 фунтов) с удельным импульсом в 5000 секунд. Однако если предположить, что у вас есть такое большое количество энергии, можно сгенерировать ΔV = 30 километров в секунду, необходимую для путешествия с низкой околоземной орбиты к Марсу и обратно, примерно за один год непрерывного создания тяги. Космический корабль с ядерным электрическим двигателем мог бы достичь такого невероятно большого значения ΔV только при отношении масс около 1,82. Траектории, по которым должны двигаться транспортные средства с электрическим двигателем, обычно требуют гораздо больших ΔV (как правило, в два раза), чем химические двигательные установки, чтобы добраться из одной точки Солнечной системы в другую, но, так как удельный импульс примерно в 10 раз выше, можно спокойно улететь значительно дальше, если не позволять самой массе ядерной электрической двигательной системы чрезмерно возрасти.

Электрические ионные двигатели с мощностями в киловатты уже существуют, а усовершенствование их до мощностей в несколько мегаватт, необходимых для систем транспортировки на основе ядерных электрических ракет (ЯЭР), – задача вполне решаемая. Реальная проблема при разработке двигательных систем с ЯЭР на сегодняшний день состоит в том, чтобы получить государственную поддержку и средства, необходимые для разработки многомегаваттного космического ядерного реактора для питания ЯЭР. В этом контексте следует отметить, что утверждения некоторых ярых сторонников электрических двигателей, таких как группа VASIMR во главе с бывшим астронавтом Франклином Чанг-Диазом, что их технология плазменного двигателя позволит совершать быстрые (около 40 дней) полеты на Марс при наличии 200-мегаваттного ядерного реактора, просто смешны. Даже если оптимистично предположить, что отношение массы к энергии для систем космических реакторов конца XXI века восьмикратно уменьшится по сравнению с прогнозами, сделанными на основе современных технологий (от сегодняшних 40 тонн на мегаватт до будущей производительности в 5 тонн на мегаватт), 200-мегаваттный реактор будет иметь массу в 1000 тонн и перевесит свою полезную нагрузку на порядок. Но, так как реактору потребуется толкать не только относительно небольшую полезную нагрузку, но еще и себя, независимо от размеров, он никогда не сможет ускорить космический корабль до скорости, необходимой для быстрого полета к Марсу. Таким образом, заявления группы VASIMR о том, что они обладают прорывной двигательной системой, необоснованны, и это довольно печально, так как к группе примыкают те, кто выступает против отправки человека на Марс до тех пор, пока такие фантастические космические двигатели не станут доступными.

Однако, если отбросить иллюзорную цель использовать ЭРД для быстрого полета на Марс, размер системы ядерного реактора по отношению к полезному грузу может быть небольшим и тем самым снизить массу ракеты при запуске, а значит, и уменьшить расходы на будущую межпланетную торговлю.

Солнечные паруса

Должны быть созданы корабли и паруса, подходящие для небесных бризов…

Иоганн Кеплер, 1609

Почти четыреста лет назад наш старый друг Кеплер сделал наблюдение, что независимо от того, движется ли комета в сторону Солнца или от него, ее хвост всегда направлен прочь от светила. Это заставило его предположить, что свет, исходящий от Солнца, развивает силу, которая отталкивает хвост кометы от него. Он был прав, хотя тот факт, что свет оказывает давление, был доказан только в 1901 году.

Что ж, если солнечный свет может оттолкнуть хвосты комет, почему мы не можем использовать его, чтобы заставить передвигаться космические корабли? Почему мы не можем просто развернуть большие зеркала на нашем космическом аппарате, солнечные паруса, если угодно, и использовать солнечный свет, который будет оказывать на них давление, чтобы создать движущую силу? Ответ таков: мы можем, но понадобится чрезвычайно много солнечного света, чтобы сдвинуть корабль под его действием хоть чуть-чуть. Например, на 1 астрономической единице, расстоянии от Земли до Солнца, солнечный парус размером в квадратный километр получит силу 10 ньютон, действующую на него со стороны Солнца. Итак, чтобы солнечный парус стал практичной двигательной системой, нужно изготовить его из очень тонкого материала и сделать огромным. Скажем, мы изготовили парус площадью в 1 квадратный километр и толщиной в 0,01 миллиметра, или 10 микрон – это приблизительно одна четверть толщины кухонного мусорного мешка. В этом случае парус будет весить 10 тонн и сможет разогнать себя до 32 километров в секунду всего примерно за год. Конечно же, если бы парус тащил полезную нагрузку, равную его собственному весу, это замедлило бы его в два раза. Тем не менее солнечный парус толщиной в 10 микрон, чтобы стать эффективным средством перевозок между Землей и Марсом, должен быть размером с бейсбольный стадион. А если бы удалось создать парус толщиной в один микрон, тогда мы бы действительно полетели…

Никто еще никогда не запускал миссию на солнечных парусах, но в 1970-е годы в ЛРД НАСА провели очень серьезное исследование по использованию этой технологии, чтобы отправить зонд к комете Галлея во время ее появления в 1986 году. К сожалению, предложение не получило поддержки, то есть Конгресс отказался финансировать миссию. Любительские группы, такие как Всемирный космический фонд Роберта Штеле и французский Союз в защиту фотонных двигателей, создали солнечные паруса. Они надеялись провести регату на солнечных парусах к Луне в 1992 году, в честь юбилея открытия Колумбом Америки, но не нашли ракет-носителей, с которыми могли бы доставить их творения в космос.

Существуют некоторые реальные технические проблемы, связанные с упаковкой, распаковкой и развертыванием без повреждений огромных космических структур, изготовленных из очень тонкого материала, а также с управлением. Тем не менее следует сказать, что демонстрации солнечного паруса помешали в первую очередь не технические препятствия, а отказ мировых космических агентств выделить хотя бы сколь-нибудь значительные средства на их разработку и тестирование. Давайте надеяться, что марсиане поступят лучше.

Магнитные паруса

Солнечный свет – это не единственная значительная сила, исходящая от Солнца. Существует еще одна, и имя ей солнечный ветер.

Солнечный ветер представляет собой поток плазмы, протонов и электронов, который постоянно истекает с Солнца во всех направлениях со скоростью около 500 километров в секунду. Мы никогда не сталкиваемся с ним здесь, на Земле, потому что защищены от него магнитосферой нашей планеты.

Если магнитосфера Земли блокирует солнечный ветер, она должна создавать противодействие. Почему бы на космическом корабле не создать искусственную магнитосферу, чтобы использовать тот же эффект для работы двигателей? Эта идея посетила инженера «Боинг» Дана Эндрюса и меня в 1988 году. Она оказалась своевременной. В 1987 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники. Они необходимы, чтобы магнитный двигатель действительно смог работать, так как низкотемпературные сверхпроводники требуют слишком много тяжелого охлаждающего оборудования, а обычные проводники – слишком много энергии. Величина силы на квадратный километр солнечного ветра значительно меньше силы, создаваемой солнечным светом, но площадь, противодействующая магнитному полю, может быть намного больше, чем у любого созданного на практике жесткого солнечного паруса. Работая в сотрудничестве, Дан и я вывели уравнения и запустили компьютерное моделирование солнечного ветра, который воздействует на космический аппарат, генерирующий большое магнитное поле. Наши результаты таковы: если можно изготовить практичный высокотемпературный сверхпроводящий кабель, который будет проводить электрический ток той же плотности, что современные низкотемпературные сверхпроводники, такие как сплав ниобия и титана (NbTi), – около 1 миллиона ампер на квадратный сантиметр, – то можно будет создать магнитные паруса, которые будут иметь отношение тяги к весу в сто раз лучше, чем у солнечного паруса 10-микронной толщины [45]. Более того, в отличие от ультратонкого солнечного паруса, магнитный парус будет нетрудно развернуть. Он будет сделан не из тонкой пластиковой пленки, а из прочного кабеля, который за счет магнитных сил сможет автоматически «надувать» себя до формы жесткого обруча, как только начнется подача электрического тока. Потребуется энергия, чтобы заставить ток течь через кабель, но, поскольку сверхпроводящий провод не имеет электрического сопротивления, как только ток потечет по кабелю, дальнейшие затраты энергии на его поддержание не потребуются. В дополнение магнитный парус полностью ограждал бы корабль от солнечных вспышек.

Магнитный парус может создать достаточное усилие в направлении от Солнца, чтобы полностью или частично (за счет выключения электрического тока) противодействовать его гравитационному притяжению. Не вдаваясь в подробности, скажу, что эта возможность позволит аппарату, вращающемуся вокруг Солнца вместе с Землей, переходить на орбиты по направлению к любой планете Солнечной системы, просто увеличивая или уменьшая энергию магнитного паруса. И все это можно сделать, не потратив ни капли топлива.

Магнитные паруса в настоящее время не используются на практике, так как высокотемпературных сверхпроводящих кабелей для них не существует. Однако исследования в этой области ведутся очень активно. Я думаю, очень велики шансы того, что через десять или двадцать лет тип кабеля, необходимый для отличного магнитного паруса, будет широко доступен.

Синтез

Реакторы термоядерного синтеза работают с использованием магнитных полей, которые в вакуумной камере ограничивают плазму, состоящую из отдельных видов сверхгорячих заряженных частиц, способных сталкиваться и реагировать. Поскольку частицы высоких энергий имеют способность постепенно выбираться из магнитной ловушки, камера реактора должна быть определенного минимального размера, позволяющего предотвращать побег частиц достаточно долго, чтобы хватило времени на протекание реакции. Это требование минимального размера делает производство термоядерной энергии для проектов с низким энергопотреблением не самым привлекательным занятием, но в мире будущего, где энергетические потребности человечества вырастут в десятки или сотни раз, энергия термоядерного синтеза, несомненно, будет самой дешевой альтернативой ее традиционным источникам.

В дополнение к тому, что термоядерные реакторы создадут энергетическую базу для социального роста, они же могут стать частью очень перспективных двигательных систем космических аппаратов в первую очередь потому, что в условиях космоса вакуум, требуемый для реакции, можно получить бесплатно в любом желаемом объеме. Реакция дейтерия и гелия-3 (D/3Не) обеспечивает наилучшую производительность, потому что топливо имеет самое высокое отношение энергии к массе среди известных нам веществ, а производительность гораздо более дешевой реакции на чистом дейтериевом топливе (D-D) ниже примерно на 40 %. Ракетный двигатель на основе контролируемого термоядерного синтеза мог бы работать так, что плазма просто текла бы из одного конца магнитной ловушки, к утекшей плазме добавлялся бы обычный водород, а затем выхлопная смесь направлялась от корабля с помощью магнитного сопла. Чем больше водорода будет добавлено, тем выше будет тяга, но ниже скорость истечения. При полете на Марс или во внешние части Солнечной системы выхлоп будет примерно на 99 % состоять из обычного водорода, и скорость истечения будет более 100 километров в секунду (удельный импульс в 10 000 секунд). Если вообще не добавлять водород, теоретическая конфигурация может дать скорости истечения выше, чем 18 000 километров в секунду (удельный импульс 1,8 миллиона секунд), или 6 % от скорости света при использовании дейтерия и гелия-3, или 4 % от скорости света при использовании чистого дейтерия! Хотя сила тяги для таких ракет на чистом D/3Не или D-D будет слишком низкой для полетов по Солнечной системе, потрясающая скорость истечения означает, что теоретические рейсы к ближайшим звездам можно было бы осуществить менее чем за столетие. Такому кораблю с двигателем на термоядерном синтезе сжигание топлива потребуется, только чтобы развить ускорение, а остановки можно будет достичь путем развертывания магнитного паруса, чтобы создать противодействие межзвездной плазме.

Двигатели на термоядерном синтезе в конечном счете могут сократить полет на Марс с месяцев до недель, полет к Юпитеру и Сатурну – с нескольких лет до месяцев, а путешествие к другим солнечным системам – до десятилетий вместо тысячелетий. Возможно, что космические аппараты на термоядерном синтезе будут развиваться с быстротой, обеспечиваемой земными заводами, но и обратное по меньшей мере равновероятно. Вспомните, что первые действительно эффективные паровые двигатели были построены для снабжения энергией пароходов, а первые практичные ядерные энергетические установки использовались на атомных подводных лодках. Тому есть причина. Системы передвижения постоянно требуют более высокого уровня технологий, тогда как статические системы не требуют. Для потребителя киловатт остается киловаттом вне зависимости от того, производится ли он благодаря термоядерному синтезу или при горении угля. Но космический корабль с двигателем на термоядерном синтезе предлагает совершенно новые и значительно улучшенные технологии. Таким образом, самым сильным начальным толчком для внедрения термоядерного синтеза вполне может быть появление космических двигателей, которые ускорят транспортировку товаров между Землей и Марсом.

В настоящее время мировые исследовательские программы термоядерного синтеза развиваются черепашьими темпами, бюджеты урезаются из-за близоруких политиков, у которых нет ни желания, ни дальновидности, чтобы задуматься о потребностях будущего.

Вынуждая нас развивать технологии термоядерного синтеза, рост марсианской цивилизации вполне может послужить основой для выживания технологического общества.

Глава 9

Терраформирование Марса

Бог сотворил мир, а голландцы – Голландию.

Традиционная поговорка в Нидерландах

До сих пор в этой книге мы обсуждали перспективы скорого разведывания и заселения Марса. Теперь мы обратимся к заключительной задаче, которую Красная планета ставит перед человечеством, – терраформированию [46, 47]. Можно ли изменить Марс, чтобы сделать его полностью пригодным для жизни?

На первый взгляд идея кажется совершенно нереальной, просто научной фантастикой. Но еще не так давно к области научной фантастики относили полет человека на Луну. Сегодня лунные экспедиции стали предметом изучения для историков, а пилотируемые исследования Марса – областью работы инженеров. Многим кажется, что возможность значительно изменить температуру и атмосферу Красной планеты для создания более «землеподобных» условий – то есть «терраформировать» Марс – или чистой воды фантазия, или в лучшем случае задача для далекого будущего. Однако, в отличие от некоторых других смелых идей – путешествий со скоростью выше скорости света или, скажем, нанотехнологий, – у терраформирования есть история длиной примерно в четыре миллиарда лет.

Вся история жизни на Земле и есть пример терраформирования – поэтому наша красивая голубая планета стала именно такой, как сейчас. Когда Земля сформировалась, в ее атмосфере не было кислорода, только углекислый газ и азот, а грунт был каменистым и безжизненным. Нам повезло, что Солнце тогда давало примерно на 70 % меньше света, чем сейчас, в противном случае толстый слой двуокиси углерода в атмосфере создал бы парниковый эффект, который превратил бы нашу планету в подобие адски разогретой Венеры. Но, к счастью, фотосинтезирующие организмы эволюционировали так, что преобразовали углекислый газ в атмосфере Земли в кислород, в процессе полностью изменив химию поверхности планеты. В результате этой деятельности не только удалось избежать парникового эффекта, но и началась эволюция аэробных организмов, то есть таких, которые используют кислород для дыхания. Эти животные и растения продолжали изменять Землю еще больше, колонизируя сушу, создавая почву и резко изменяя глобальный климат. Жизнь эгоистична, поэтому не удивительно, что все изменения, которые она произвела с Землей, способствовали расширению биосферы и появлению все новых возможностей сделать окружающую среду еще комфортнее.

Люди практикуют это искусство совсем недавно по сравнению с остальными живыми существами. Начиная с самых ранних наших цивилизаций, мы использовали ирригацию, высаживали сельскохозяйственные культуры, пропалывали их, приручали животных и защищали их стада, чтобы получить от родной планеты как можно больше. Поступая таким образом, мы расширили биосферу для человеческой популяции, в результате чего возросла наша численность и вместе с тем способность изменять окружающую среду, чтобы поддержать продолжение экспоненциального роста. В результате мы буквально переделали Землю в такое место, где могут жить миллиарды людей, значительная часть которых освобождена от необходимости трудиться ежедневно ради выживания. И теперь мы можем смотреть в ночное небо и искать новые миры.

Некоторые люди считают идею терраформирования Марса еретической – дескать, человечество играет в Бога. Но другие видят в таких достижениях самое глубокое доказательство божественной природы человеческого духа – способность возвращать мертвый мир к жизни. Лично мне эта точка зрения ближе. Но я бы пошел дальше. Я бы сказал, что отказ терраформировать Марс означает отказ от человеческой природы и от нашей ответственности как членов сообщества самой жизни. Сегодня биосфера готова расширить свое влияние: охватить целый новый мир. Люди с их интеллектом и технологиями – уникальный инструмент, с помощью которого она может завоевать новую землю, первую среди многих. Бесчисленное множество существ жило и умирало, чтобы превратить наш мир в подходящее для людей место. Теперь наша очередь внести свой вклад в это дело.

Так давайте поставим вопрос еще раз: можно ли преобразовать Марс, чтобы сделать его полностью пригодным для жизни? Рассмотрим эту проблему. Несмотря на то что сегодня Марс – холодная, сухая и, вероятно, безжизненная планета, там есть все составляющие, необходимые для поддержания жизни: вода, углерод, кислород (в виде диоксида углерода) и азот. Физические свойства Марса, его сила тяжести, скорость вращения, наклон оси вращения и расстояние от Солнца достаточно близки к аналогичным показателям Земли, и это нам подходит. В одном Марс серьезно недотягивает: там не такая уж мощная атмосфера.

Атмосферное давление Земли на уровне моря составляет 14,7 фунта на квадратный дюйм, или приблизительно 1 бар. (Бар – единица измерения давления. Бар и миллибар, одна тысячная доля бара, обычно используются в метеорологии, я тоже остановлюсь на этих единицах при обсуждении терраформирования.) Давление в углекислотной атмосфере Марса составляет около 1 % атмосферного давления на Земле на уровне моря, оно колеблется от 6 до 10 миллибар (мбар). Однако мы знаем наверняка, что атмосфера Марса когда-то была гораздо плотнее, чем сейчас. Каналы, змеящиеся по поверхности Марса, служат доказательством, что когда-то по планете текла жидкая вода, а жидкая вода может существовать только при определенном диапазоне температур и давлений. На уровне моря на Земле этот температурный диапазон составляет от О °С – точка замерзания – до 100 °C – точка кипения. Чтобы вода могла течь по поверхности Марса, атмосферное давление и температура должны быть выше, чем сейчас.

Хотя атмосфера Марса в настоящее время весьма тонкая, большинство исследователей считает, что на планете есть достаточные запасы углекислого газа, чтобы уплотнить атмосферу. Часть двуокиси углерода существует в замороженном виде как сухой лед, составляющий значительную часть южной полярной шапки. Дополнительные запасы заключены в реголите, рыхлом материале, покрывающем поверхность планеты. (Реголит – это астрогеофизический термин для рыхлого грунта, применимый к любому планетарному телу. Почва – это земной реголит.) Высвобождение всех этих запасов углекислого газа значительно увеличит плотность атмосферы, возможно, до значения около 30 % от земного, или 300 мбар (почти треть бара). Нагревание планеты вызовет испарение огромных запасов захваченного диоксида углерода. Это не просто теория: мы знаем наверняка, что температура и атмосферное давление Марса изменяются благодаря движению планеты по эллиптической орбите вокруг Солнца в течение марсианского года. Когда Марс нагревается и охлаждается в течение года, его атмосферное давление меняется на 20 % в обе стороны по сравнению со средним сезонным значением.

Разумеется, мы не можем сдвинуть Марс ближе к Солнцу. Но нам известен еще один способ нагревания планеты, который мы, по-видимому, невольно практиковали на Земле в течение прошлого века. Я говорю о высвобождении или производстве газов, которые удерживают инфракрасное излучение Солнца – его тепло – и таким образом нагревают планету. На Земле это называется «парниковый эффект», и он вызван углекислым газом, который выделяется в результате сжигания ископаемого топлива, а также промышленными парниковыми газами. Называйте это терраформированием или парниковым эффектом, но то же самое мы способны устроить на Марсе. Парниковый эффект в атмосфере Марса может быть создан по крайней мере тремя различными способами: нагревом выбранных участков планеты для выделения крупных запасов природного парникового газа, двуокиси углерода; постройкой на Марсе заводов по производству очень мощных искусственных парниковых газов, например галогенуглеводородов, или фреонов (CFC); размножением бактерий, которые могли бы производить естественные парниковые газы, более мощные, чем диоксид углерода (но менее мощные, чем галогенуглеводороды), такие как аммиак или метан, если на Марсе удастся создать условия для жизни микроорганизмов.

Хотя концепция терраформирования Марса может показаться фантастической, идеи, на которые она опирается, просты. Главная из них – идея положительной обратной связи, явление, которое возникает, когда получаемый продукт системы увеличивает то, что поступает на вход системы. Для парникового эффекта на Марсе система с положительной обратной связью обнаруживается в соотношении между атмосферным давлением и температурой. Нагрев Марса выпускает углекислый газ из полярных шапок и из марсианского реголита. Освобожденный диоксид углерода увеличивает плотность атмосферы и повышает ее способность удерживать тепло. Удержание тепла увеличивает температуру поверхности и, следовательно, количество диоксида углерода, высвобождаемого из ледяных шапок и марсианского реголита. Это и есть ключ к терраформированию Марса – чем теплее он становится, тем плотнее будет его атмосфера, а чем плотнее его атмосфера, тем больше он нагревается.

В следующих разделах мы увидим, как можно смоделировать такую систему, и ознакомимся с результатами расчетов для такой модели. Эти результаты подтверждают, что в течение XXI века люди могут сделать марсианскую среду куда более пригодной для обитания живых организмов. Преобразовать Марс действительно в наших силах.

Расчеты для терраформирования

Как я отметил, Марс купается в диоксиде углерода, главном парниковом газе, но большая его часть удерживается на полюсах в замороженном виде или заблокирована в реголите планеты. Оба источника углекислого газа помогут создать на Марсе парниковый эффект, но именно замороженный углекислый газ на полюсах поспособствует началу процесса.

Крис Маккей и я использовали в расчетах модели марсианского климата, чтобы установить, что небольшое, но устойчивое изменение температуры на южном полюсе Марса – всего 4 °C – может инициировать парниковый эффект в полярной области, который приведет к испарению ледяной шапки. (Для желающих вникнуть в тонкости расчетов я добавил в конце главы техническую заметку, которая детально описывает модель, используемую нами в качестве основы для этого разговора о терраформировании.) По мере испарения шапки температура и давление атмосферы будут расти, что, в свою очередь, приведет к высвобождению огромных количеств углекислого газа, запертых в реголите. Короче говоря, скромное повышение температуры на 4 °C на южном полюсе может глобально поднять температуру на десятки градусов и преобразовать атмосферу с давлением в 6 миллибар в такую, где давление измеряется в сотнях миллибар.

Повышения температуры южного полюса всего на 4 °C едва ли будет достаточно, чтобы запустить такие изменения планетарного масштаба. Но это все равно что вытащить всего одного яблоко из нижней части аккуратно сложенной пирамиды в продуктовом магазине. Кто-то долго и упорно работал, чтобы разложить эти яблоки в состоянии хрупкого равновесия. Для того чтобы его нарушить, много не нужно. Так же и с южной полярной шапкой Марса. Она в основном состоит из замороженного диоксида углерода – сухого льда. У диоксида углерода есть характеристика, известная как «давление насыщенного пара», которая означает способность вещества переходить в газообразное или парообразное состояние. На давление насыщенного пара какого-то вещества влияет только температура, и, если поднять ее, поднимется и давление насыщенного пара – вещество будет превращаться в пар или газ более энергично. Давление насыщенного пара двуокиси углерода при 147 °К составляет 6 миллибар – это современные условия на южном полюсе Марса. (Чтобы перевести температуру из градусов Кельвина в градусы Цельсия, необходимо вычесть из нее 273 °C. То есть 273 °К равны О °С или 32 °Е Температура южной полярной шапки Марса, 147 °К, равняется -126 °C или -195 °Е) Это состояние равновесия для полярной шапки. До тех пор пока температура полюса остается такой, давление диоксида углерода не поднимается выше 6 миллибар, потому что избыточный углекислый газ просто конденсируется из атмосферы и возвращается в замороженное состояние, форму сухого льда.

Что если мы теперь увеличим температуру на полюсе искусственно? Позже я подробно опишу, как сконцентрировать на нем солнечный свет с помощью больших орбитальных зеркал, но пока давайте просто договоримся, что мы начали искусственно нагревать полюс. Вследствие повышения температуры давление насыщенного пара двуокиси углерода начнет увеличиваться, поэтому больше углекислого газа будет испаряться из шапки в атмосферу. Давление насыщенного пара – способность вещества превратить в газ – и атмосферное давление – фактический вес атмосферы над поверхностью – два очень разных понятия, но можно сказать, что по мере роста давление насыщенного пара углекислого газа на полюсах глобальное атмосферное давление на Марсе будет расти как следствие закачивания диоксида углерода в атмосферу при испарении полярной шапки. Давление насыщенного пара двуокиси углерода при любой температуре – хорошо известная величина, ее можно посмотреть в химическом справочнике, и то, что справедливо для углекислого газа на Земле, будет работать и для него на Марсе. Как влияет объем газообразного диоксида углерода на создание парникового эффекта в атмосфере планеты, также известно, хотя и с меньшей точностью, так что мы можем оценить, насколько увеличится температура на Марсе в результате уплотнения ее атмосферы. Теперь, когда мы разобрались с основными понятиями, пора рискнуть и вникнуть в численные расчеты, которые показывают, как мы можем ускорить терраформирование Марса.

Для начала взглянем на рис. 9.1. На этом рисунке вы видите результаты моделирования, проведенного Маккеем и мной для ситуации с южной полярной шапкой Марса, где, по нашему мнению, может находиться достаточное количество замороженного углекислого газа, чтобы поднять атмосферное давление Марса до значений от 50 до 100 мбар. Я нанес на график полярную температуру как функцию атмосферного давления и давление насыщенного пара как функцию полярной температуры. Обратите внимание на две точки, А и В, где кривые пересекаются. Это точки равновесия, где среднее атмосферное давление Марса (Р – атмосферное давление над усредненной поверхностью Марса в миллибарах) и полярная температура (Т – в градусах Кельвина) приведены в виде двух взаимно согласованных кривых. Однако А – это устойчивое равновесие, в то время как В – неустойчивое. Это можно увидеть, исследуя динамику системы там, где кривые не совпадают. Всякий раз, когда температурная кривая лежит выше кривой давления насыщенного пара, система будет двигаться вправо, к повышению температуры и давления. Так возникает парниковый эффект. Когда температурная кривая лежит ниже кривой давления, система будет двигаться влево, к понижению температуры и давления. Это случай растущего «эффекта морозильной камеры». Современные условия на южном полюсе Марса соответствуют точке А с давлением 6 миллибар и температурой около 147 °К.

Рис. 9.1. Динамика полярной шапки и атмосферы Марса. Текущие равновесие обозначено точкой А. Повышение полярной температуры на 4°К будет сближать точки равновесия А и В, вызывая неизбежный нагрев, который приведет к таянию шапки

Рис. 9.2. Динамика марсианского реголита и атмосферы при условиях Td = 20 °К с запасом CO_2 для реализации атмосферного давления в 500 мбар

Теперь рассмотрим, что произойдет, если искусственно повысить температуру на южном марсианском полюсе на несколько градусов. Вся кривая температуры будет двигаться вверх, заставляя точки А и В сближаться, пока они не встретятся. Если рост составит 4 °К, температурная кривая сместится достаточно высоко вверх на графике, чтобы везде оказаться выше кривой давления насыщенного пара. Результатом таких изменений будет парниковый эффект, который вызовет таяние всего полюса, возможно, меньше, чем за десятилетие. После того как давление и температура пройдут мимо точки В, Марс окажется в состоянии нарастающего парникового эффекта даже без искусственного подогрева, так что, если позже прекратить его, атмосфера будет оставаться на своем месте.

По мере испарения полярной шапки в игру вступает парниковый эффект, вызванный запасами углекислого газа в марсианском реголите. Эти резервы существуют главным образом в регионах на высоких широтах, и их одних может быть достаточно, чтобы увеличить атмосферное давление на Марсе до 400 мбар. Однако мы не сумеем получить из реголита весь запас диоксида углерода, потому что при нагреве реголит действует как «сухая губка», стремясь впитать углекислый газ обратно. К сожалению, тут мы сталкиваемся с самой крупной неизвестной на данный момент – количеством энергии или изменением температуры, которое требуется, чтобы высвободить двуокись углерода из марсианского реголита. Назовем эту неизвестную температурой десорбции (Td) и оценим ее в 20 °К, хотя позже мы будем менять ее значение, чтобы увидеть, где наша модель перестает действовать. Динамика атмосферы и реголита продемонстрирована на рис. 9.2. Рисунок показывает созданное за счет CO_2 из реголита атмосферное давление на Марсе (обозначенное как «давление реголита») как функцию от температуры реголита, Тreg. (Тreg является средним арифметическим значением температуры реголита в различных областях планеты, взвешенным в соответствии с тем, сколько поглощенного газа он может удержать самостоятельно при собственной локальной температуре. Поскольку холодная почва удерживает больше CO_2, Тreg близка к температуре вблизи околоарктических или околоантарктических районов Марса.) Рисунок также демонстрирует зависимость температуры реголита от давления двуокиси углерода в атмосфере. Чтобы получить эти кривые, я предположил, что при высвобождении всех доступных на текущий момент запасов углекислого газа из полярных областей атмосферное давление подскочило бы на 100 мбар, и высвобождение всех резервов двуокиси углерода из реголита повысило бы атмосферное давление на 394 мбар. Таким образом, предполагается, что вместе с уже имеющимся атмосферным давлением в 6 мбар в этом примере Марс имеет общее количество углекислого газа для поддержания атмосферного давления в 500 мбар.

Из рисунка 9.2 следует, что система атмосфера – реголит при Td, равном 20 °К, имеет только одну точку устойчивого равновесия (где обе кривые пересекаются). После того как полярная шапка исчезнет, глобальная температура и давление на Марсе сойдутся в этой точке. То есть к тому времени, когда процесс дойдет до полной остановки из-за истощения запасов углекислого газа в реголите и на полюсе, общее атмосферное давление будет составлять около 300 мбар, или 4,4 фунта на квадратный дюйм. На рисунке 9.2 показано, какой будет средняя суточная температура в тропических регионах Марса (Тmax) в летнее время, после того как плотность атмосферы увеличится. Обратите внимание, что кривая приближается к 273 °К, точке замерзания воды, или, что более важно с точки зрения терраформирования, точке таяния льда. Если прибавить к этому скромные дополнительные меры по созданию парникового эффекта, начнут таять водяной лед и вечная мерзлота.

Если предположить, что оценка температуры десорбции (Td) в 20 °К слишком оптимистична, положение точки равновесия сходимости (точка С на рис. 9.2) будет очень чувствительно к величине, которую мы выбираем. Рисунок 9.3 показывает, что произойдет, если значения температуры, необходимой для освобождения диоксида углерода из реголита, составят 25 и 30 °К. В этих случаях точка равновесия сходимости значительно смещается: от 300 миллибар при Td = 20 °К к 31 мбар при Td = 25 °К и к 16 мбар, если Td = 30 °К. Поначалу может показаться, что такая исключительная чувствительность последнего условия к неизвестной величине Td ставит под сомнение всю идею терраформирования. Однако на рис. 9.3 также показано (пунктирной линией), что произойдет, если мы используем искусственные методы создания парникового эффекта, чтобы поддержать температуру реголита (Тreg) на 10 °К выше значения, получаемого при самостоятельной дегазации диоксида углерода. Как упоминалось ранее, этого можно добиться, если закачать CFC промышленного производства в атмосферу. Как видите, это значительно улучшает итоговые показатели глобальной температуры и атмосферного давления, если предположить, что температура десорбции равна 25 или 30 °К. Кроме того, мы видим, что все три случая (Td равно 20, 25 или 30 °К) сходятся в конечных состояниях, где Марс обладает атмосферой с давлением в несколько сотен миллибар.

Рис. 9.3. Искусственное повышение температуры реголита на 10 °К может противодействовать эффекту изменения Td. Данные основаны на предположении, что планетарные запасы газообразного CO_2 соответствуют атмосферному давлению в 500 мбар

В модели есть еще одна неизвестная, которую мы должны исследовать, хотя о ней мы кое-что знаем. Это фактическое количество имеющихся резервов углекислого газа, которые можно обнаружить на Марсе. Чем больше запасы, тем больше углекислого газа мы сумеем извлечь из реголита, и, следовательно, тем плотнее станет атмосфера Марса. Итак, мы должны задать вопросы, богаты или бедны марсианские запасы диоксида углерода и как ответ на предыдущий вопрос сказывается на нашей модели? В настоящий момент лучшее, что мы можем сделать, это рассмотреть оба варианта.

Чтобы понять, насколько обилие двуокиси углерода может повлиять на наши усилия по терраформированию, и как значение Td будет взаимодействовать с имеющимся количеством углекислого газа, обратитесь к рис. 9.4–9.7. На них можно увидеть окончательное атмосферное давление и точки равновесия максимальной сезонной средней температуры для тропиков Марса, основанные на варианте с бедными запасами диоксида углерода, которые позволяют создать атмосферное давление около 500 мбар (50 мбар углекислого газа в южной полярной шапке и 444 мбар в реголите), и с богатыми – которые позволяют создать давление около 1000 мбар углекислого газа (100 мбар в полярной шапке и 894 мбар в реголите). Помните, что повышение температуры реголита с помощью искусственных методов приводит к значительной разнице в конечном состоянии атмосферы при различных значениях температуры десорбции. То же верно и для рис. 9.4–9.7, где различные кривые соответствуют различным условиям: либо после того, как CO_2 вытаял из полярной шапки, постоянный искусственный парниковый эффект уже не создается, либо же постоянно прилагаются усилия для поддержания средней температуры планеты на уровне 5, 10 или 20 °К выше величины, рассчитанной только для атмосферы из диоксида углерода. Например, как показано на рис. 9.5, даже при допущении, что температура десорбции равна 40 °К, искусственно поддерживаемая температура атмосферы в 20 °К приводит к скачку общей температуры более чем на 40 °К. Однако более важно, что если постоянно поддерживать среднюю температуру планеты на 20 °К выше значения, которое способны поддержать имеющиеся марсианские запасы двуокиси углерода, то атмосфера ощутимой толщины с приемлемым давлением может быть создана даже в том случае, когда температура десорбции имеет неутешительное значение в 40 °К.

Рис. 9.4. Равновесное давление, достигаемое на Марсе в предположении, что общие запасы газообразного CO_2 будут соответствовать атмосферному давлению в 500 мбар, после того как 50 мбар CO_2 выпарили из полярной шапки. DT – это искусственно поддерживаемый устойчивый рост температуры

Рис. 9.5. Равновесная максимальная сезонная температура (суточное среднее значение), достижимая на Марсе в предположении, что общие запасы газообразного CO_2 будут соответствовать атмосферному давлению в 500 мбар, после того как 50 мбар CO_2 выпарили из полярной шапки

Рис. 9.6. Равновесное давление, достигаемое на Марсе в предположении, что общие запасы газообразного CO_2 будут соответствовать атмосферному давлению в 1000 мбар, после того как 100 мбар CO_2 выпарили из полярной шапки. DT – это искусственно поддерживаемый устойчивый рост температуры

Рис. 9.7. Равновесная максимальная сезонная температура (суточное среднее значение), достижимая на Марсе в предположении, что общие запасы газообразного CO_2 будут соответствовать атмосферному давлению в 1000 мбар, после того как 100 мбар CO_2 выпарили из полярной шапки

Важный вывод, который можно сделать из этого анализа, заключается в том, что, хотя окончательные условия на Марсе после терраформирования могут быть весьма чувствительны к ныне неизвестному значению температуры, необходимой, чтобы освободить диоксид углерода из реголита, – Td, они даже более чувствительны к уровню постоянно поддерживаемого искусственного парникового эффекта. Проще говоря, конечные условия в системе атмосфера – реголит на Марсе после терраформирования можно контролировать. Повышая среднюю температуру планеты исключительно путем освобождения природных запасов углекислого газа, мы сможем преодолеть ограничения, налагаемые даже предельными значениями Td.

Как быстро углекислый газ выходит из реголита?

До сих пор мы рассматривали конечные условия, которые возникнут, после того как весь доступный нам углекислый газ испарится из полярной шапки и высвободится из реголита. Материал, полученный из полярной шапки, выделяется быстро, но вытеснение адсорбированного диоксида углерода из реголита на значительной глубине может занять некоторое время. Для терраформирования скорость, с которой происходит выделение углекислого газа из реголита, очень важна. В конце концов, если процесс испарения значительного количества газа из реголита займет 100 миллионов лет, то все наши расчеты будут представлять разве что академический интерес.

Скорость, с которой газ выходит из реголита, прямо пропорциональна скорости, с которой повышение температуры, которое мы создали на поверхности Марса, может передаваться грунту. Мы получим довольно хорошую оценку этого темпа, если предположим, что марсианский реголит во многом похож на сухую почву на Земле, возможно, с небольшой примесью льда. Скорость, с которой тепло распространяется в такой среде, регулируется процессом теплопроводности. Уравнения теплопроводности предсказывают, что время, необходимое, чтобы повышение температуры распространилось на заданное расстояние в некой среде, пропорционально квадрату расстояния. Если взять за основу показатели для сухой земной почвы, скорость распространения тепла на Марсе составит около 16 квадратных метров в год. Мы также должны оценить количество газа в реголите. Если взять раздробленные цеолиты и при марсианских температурах подержать их в углекислом газе, они адсорбируют достаточное количество диоксида углерода, примерно 20 % от их чистой массы. Марсианский реголит состоит не из цеолита, но, вероятно, включает в себя много глиноподобного материала, который сходен с цеолитами по свойствам. Давайте предположим, что марсианский реголит насыщен углекислым газом примерно на 5 % и что свободный материал имеет среднюю плотность 2,5 тонны на кубометр. В этом случае нам бы пришлось вытеснять углекислый газ из реголита – дегазировать его – до глубины 200 метров, чтобы произвести на Марсе давление в 1000 мбар (1 атмосфера, давление на уровне моря на Земле). Скажем, мы индуцировали устойчивый искусственный рост температуры на поверхности в 10 °К, чего вполне достаточно, чтобы извлечь значительную часть газа, находящегося в реголите. Затем тепло начнет распространяться в грунте. Скорость, с которой это произойдет, показана в табл. 9.1.

Как видите, если на достижение значительной глубины уходит очень много времени, то небольшая прогреется достаточно быстро. И хотя нужны тысячи лет, чтобы тепло распространилось на 200 метров вниз и высвободило из реголита запас углекислого газа для давления в 1000 миллибар, первые 100 миллибар можно получить в течение всего нескольких десятилетий.

Поскольку значительная часть областей Марса нагревается выше точки замерзания по меньшей мере в определенные времена года, большие количества воды, вмороженные в реголит как вечная мерзлота, начнут таять и в конечном итоге вытекут в сухие русла рек. Водяной пар тоже эффективно действует как парниковый газ, а поскольку давление насыщенных паров воды на Марсе при таких условиях значительно вырастет, возвращение жидкой воды дополнит лавину самоускоряющихся эффектов, способствующих быстрому потеплению на планете. Сезонная доступность жидкой воды – также ключевой фактор, важный для создания природных экосистем на поверхности Марса.

Таблица 9.1. Скорость поступления в атмосферу углекислого газа из марсианского реголита

Как может протекать процесс дегазации реголита, мы знаем лишь приблизительно, а общий объем имеющихся запасов диоксида углерода не будет известен наверняка, до тех пор пока астронавты не полетят на Марс, чтобы провести детальное исследование. Так что приведенные результаты следует рассматривать как приблизительные и неточные. Тем не менее понятно, что положительная обратная связь, генерируемая марсианской парниковой системой с диоксидом углерода, значительно снижает количество инженерных усилий, которые потребуются для преобразования Красной планеты. В самом деле, поскольку количество парникового газа, необходимое для нагрева планеты, приблизительно пропорционально квадрату требуемого изменения температуры, создание на Марсе нарастающего парникового эффекта при искусственном повышении температуры на 10 °К потребует всего лишь около 4 % инженерных усилий в подходе грубой силы, которые будут необходимы для увеличения температуры на 50 °К, чтобы марсианские тропики находились при температуре выше точки замерзания воды. Теперь рассмотрим следующий вопрос: как повысить глобальную температуру Марса на 10 °К?

Методы достижения глобального потепления на Марсе

Наиболее перспективными, по всей видимости, будут три варианта: использование орбитальных зеркал для изменения теплового баланса южной полярной шапки (что вызовет испарение диоксида углерода из полярных запасов); массовое производство искусственных галогенуглеводородов на промышленных объектах на поверхности Марса; создание распространенных бактериальных экосистем, способных нагреть планету путем выделения больших количеств сильных естественных парниковых газов, таких как аммиак и метан. Мы рассмотрим каждый из способов по очереди. Однако может статься, что взаимовыгодное сочетание нескольких таких методов может дать лучшие результаты, чем любой из них, использованный по отдельности [47].

Орбитальные зеркала

Хотя производство космического зеркала, способного нагреть всю поверхность Марса до земных температур, теоретически возможно, по инженерной сложности эта задача выходит далеко за пределы технологического горизонта этой книги. Гораздо более практичная идея состоит в постройке зеркала, способного прогреть ограниченную область Марса на несколько градусов. Как показывают данные на рис. 9.1, нагрев южного полюса на 4 °К должен вызвать испарение резервуара с диоксидом углерода в полярной шапке. На основании общего количества солнечной энергии, необходимого для повышения температуры в данной области на определенное количество градусов выше полярного значения в 150 °К, мы приходим к выводу, что космическое зеркало радиусом 125 километров может отражать достаточно солнечного света, чтобы поднять температуру во всей области к югу от 70° южной широты на 5 °К. Этого более чем достаточно. Если солнечный парус будет сделан из материала вроде покрытого алюминием майлара с плотностью 4 тонны на квадратный километр (и толщиной около 4 мкм), его масса составит 200 000 тонн. Множество кораблей близкой массы в настоящее время плавают по океанам Земли. Таким образом, хотя для запуска с Земли парус слишком велик, его можно будет построить в космосе из вещества с астероидов или спутников Марса – когда у нас появятся необходимые технологии. Общее количество энергии, необходимое, чтобы обработать материал для такого отражателя, составит около 120 МВт. лет. Для этого нам потребуется набор 5 МВт ядерных реакторов, которые могут быть использованы в пилотируемом ядерном электрическом реактивном (ЯЭР) космическом аппарате. Интересно, что при размещении вблизи Марса такое устройство не должно обращаться вокруг планеты. Давление солнечного света сбалансирует притяжение планеты, позволяя зеркалу парить как «статит»,[31] а вырабатываемая энергия постоянно будет направляться на южную полярную область [48]. Рабочая высота для паруса предложенной плотности составит 214 000 километров. Идея статита-отражателя и размер зеркала, необходимый для того, чтобы спровоцировать рост полярной температуры, приведены на рис. 9.8 и 9.9.

Рис. 9.8. Солнечные паруса с плотностью 4 тонны на квадратный километр можно стационарно удерживать над Марсом давлением излучения на высоте 214 000 километров. Расход небольшого количества света позволит избежать затенения

Рис. 9.9. Солнечные паруса-зеркала с радиусами порядка 100 километров и массами в 200 000 тонн способны поднять температуру на 5 °К и тем самым вызвать испарение CO_2 в южной полярной шапке Марса. Такие зеркала мы можем построить в космосе

Если значение Td меньше 20 °К, то самостоятельного высвобождения полярных запасов углекислого газа может быть достаточно, чтобы вызвать испарение резервов реголита и нарастающий парниковый эффект. Однако представляется вероятным, что если Td превысит 20 °К, то нам придется добавить сильные парниковые газы в атмосферу, чтобы вызвать глобальное повышение температуры, достаточное для создания ощутимого атмосферного давления на Марсе.

Производство галогенуглеводородов на Марсе

Наиболее очевидный способ повысить температуру на Марсе – построить заводы по производству самых сильных парниковых газов, известных человеку, то есть галогенуглеводородов, или CFC, и распространить их в атмосфере. На Земле CFC обвиняют не только в создании парникового эффекта, но и в разрушении озонового слоя. Однако, если мы будем выбирать наши галогенуглеводородные парниковые газы тщательно и использовать разновидности, не содержащие хлора, мы можем создать защищающий от ультрафиолетового излучения озоновый слой для марсианской атмосферы. Одним из хороших кандидатов на роль такого газа будет перфторметан, CF_4, который также отличается стабильностью в верхних слоях атмосферы (сохраняется в течение более чем 10 000 лет). В таблице 9.2 мы приводим количество галогенуглеводородных газов, которое необходимо выпустить в атмосферу, чтобы обеспечить заданный рост температуры, и количество энергии, которая позволит произвести требуемые CFC в течение двадцати лет. Если эти газы имеют срок жизни в атмосфере, равный ста годам, то примерно одна пятая часть уровня мощности, указанного в таблице, потребуется для поддержания концентрации CFC после того, как она будет накоплена. Промышленные усилия, связанные с таким уровнем энергии, будут значительными, поскольку будет производиться несколько десятков тонн чистого материала каждый день и потребуется задействовать несколько тысяч рабочих на Марсе. Может понадобиться уровень мощности около 5000 МВт, что примерно совпадает с количеством энергии, которое использует сегодня большой американский город, например Чикаго. В общей сложности бюджет проекта может составить несколько сотен миллиардов долларов. Тем не менее, если рассмотреть все аспекты, такой проект вряд ли окажется неподъемным для человечества середины XXI века.

Биологическое решение

Мы потратим гораздо меньше усилий на создание парникового эффекта на Марсе, если обратимся к нашим биологическим помощникам. Такой подход к терраформированию отстаивал покойный Карл Саган, начиная с 1960-х годов, когда предположил, что Венеру можно было бы сделать более пригодной для жизни, если посеять в ее атмосферу водоросли, которые бы потребляли углекислый газ и тем самым уменьшали адский парниковый эффект на планете [49]. Идея, скорей всего, неработоспособная, но в поздних исследованиях Марса Саган и его коллега Джеймс Поллак выяснили, что существуют бактерии, которые могут потреблять азот и воду и производить аммиак [50]. В атмосфере Марса азот присутствует в незначительных количествах, но его богатые запасы могут обнаружиться в нитратных залежах реголита. Другие бактерии умеют соединять воду и углекислый газ в метан. И аммиак, и метан являются отличными парниковыми газами, в тысячи раз более мощными, чем двуокись углерода, хотя и не такими эффективными, как галогенуглеводороды. Если запустить парниковый эффект полярными зеркалами или производством CFC и тем самым обеспечить циркуляцию некоторого количества жидкой воды, мы, вероятно, сможем создать на поверхности планеты бактериальную экосистему, которая ускорит процесс благодаря выделению больших количеств аммиака и метана. В самом деле, если бы 1 % поверхности планеты был покрыт такими бактериями (а мы предполагаем, что они работают с эффективностью около 0,1 %, преобразуя энергию солнечного света в химические соединения), то ежегодно производилось бы около миллиарда тонн метана и аммиака. Этого достаточно, чтобы нагреть планету на 10 °К примерно за тридцать лет.

Таблица 9.2. Создание парникового эффекта на Марсе с помощью галогенуглеводородов (CFC)

Кроме того, аммиак и метан будут защищать поверхность планеты от солнечного ультрафиолетового излучения. Хотя в процессе аммиак и метан будут непрерывно разрушаться, так как типичная молекула имеет срок жизни в атмосфере в несколько десятилетий. Но бактерии постоянно будут их заменять. Также по мере нагревания планеты и дегазации диоксида углерода из реголита озоновый слой Марса будет утолщаться, обеспечивая дополнительное УФ-экранирование и для поверхности, и для аммиака и метана в атмосфере. (Углекислый газ способствует образованию озона. В самом деле, Марс в настоящее время имеет озоновый слой[32] толщиной около 1/60 толщины земного, что довольно хорошо, если считать, что толщина его атмосферы всего 1/120 от земной.)

В считаные десятилетия, используя комбинацию из этих подходов, можно преобразовать Марс из сухой ледяной пустыни в относительно теплую и слегка влажную планету, на которой мы сумеем поддерживать жизнь. Воздух преобразованного Марса не станет подходящим для дыхания, но людям больше не понадобятся скафандры, можно будет свободно передвигаться в обычной открытой одежде и простом дыхательном приспособлении типа акваланга. Кроме того, поскольку атмосферное давление удастся довести до приемлемого для людей уровня, можно будет строить для людей огромные жилые помещения под надувными куполами, содержащие пригодный для дыхания воздух. (Купола могут быть неограниченного размера, потому что они не будут страдать от перепада давления между их внутренней и внешней средой, как во время строительства базы.) С другой стороны, простые выносливые растения могут процветать за пределами жилых помещений в среде, богатой углекислым газом, и быстро распространиться по всей поверхности планеты. С течением веков эти растения будут внедрять кислород в марсианскую атмосферу в возрастающих количествах, пригодных для дыхания, и тем самым создавать приемлемые условия для более сложных растений и животных. Содержание диоксида углерода в атмосфере при этом станет уменьшаться, а планета – остывать, пока не будут введены парниковые газы, способные блокировать те участки инфракрасного спектра, которые ранее блокировал диоксид углерода. Рано или поздно настанет день, когда в куполообразных тентах не останется необходимости.

Активация гидросферы

Первые успехи в терраформировании Марса, нагрев планеты и уплотнение ее атмосферы, могут быть достигнуты удивительно скромными средствами, например, использованием галогенуглеводородных газов местного производства с некоторой помощью бактерий. Уровень содержания кислорода и азота в атмосфере, однако, будет слишком низким для многих растений, и, если не предпринять мер, планета останется довольно сухой, так как при небольшом повышении температуры понадобятся столетия, чтобы расплавить льды и глубоко похороненную вечную мерзлоту Марса. Именно на этом втором этапе терраформирования Марса активируется гидросфера, атмосфера становится пригодной для сложных растений и примитивных животных, а температура продолжает расти, и в этом, вероятно, все более важную роль будут играть изготовленные в космосе крупные солнечные концентраторы. Быстро активировать гидросферу нам позволит использование орбитальных зеркал.

Например, если бы зеркало радиусом 125 километров, которое мы собирались использовать для испарения полярной шапки, сконцентрировало полученную им энергию на меньшей области, это дало бы 27 ТВт энергии, чтобы растопить озера (один тераватт, или ТВт, равен одному триллиону ватт). Этого достаточно, чтобы растопить 2 триллиона тонн воды в год (озеро со стороной 200 километров и 50 метров в глубину). Одно такое зеркало поможет нам перевести огромное количество воды из вечной мерзлоты в нарождающуюся марсианскую экосистему. Чем быстрее начнет циркулировать вода, тем активнее станет деятельность денитрифицирующих бактерий по разрушению нитратного слоя Марса, а значит, в атмосферу будет поступать все больше свободного азота и станет больше растений, производящих кислород. Активация гидросферы также поспособствует разрушению окисляющих химических соединений в марсианском реголите (которые, как показали данные миссии «Викинг», неустойчивы в присутствии воды), и в процессе в атмосферу будет высвобождаться дополнительный кислород. Таким образом, хотя проектирование и производство таких зеркал потребуют от нас грандиозных усилий, пользу от полученных десятков тераватт энергии трудно переоценить.

Наполнение атмосферы планеты кислородом

Самая сложная в технологическом плане задача – наполнить атмосферу Марса таким количеством кислорода, которое позволяет поддерживать животную жизнь. В то время как бактерии и простейшие растения могут выжить без кислорода, более сложные растения требуют давления по крайней мере 1 мбар, а людям нужно 120 мбар. Несмотря на то что в марсианском реголите, вполне вероятно, содержатся супероксиды или нитраты, которые можно нагреть, чтобы высвободить кислород и азот в виде газов, процесс потребует огромного количества энергии, примерно 2200 ТВт. лет на каждый произведенный миллибар. Подобные количества энергии потребуются и растениям, чтобы выделять кислород из диоксида углерода. Однако у растений есть преимущество: если их однажды посадили, они могут разрастаться и размножаться. Поэтому производство кислородной атмосферы на Марсе распадается на две фазы. На первом этапе используются инженерные методы грубой силы, дополненные распространением для начала цианобактерий и примитивных растений для получения достаточного количества кислорода (около 1 мбар), чтобы затем сделать возможным распространение более сложных растений по всему Марсу. Если предположить, что у нас будут три космических зеркала 125-километрового радиуса и достаточные запасы необходимых материалов на поверхности Марса, мы получим желаемый результат примерно за двадцать пять лет. Есть и другой способ: количество кислорода, дающее давление в 1 мбар, может быть добавлено в атмосферу примерно за век благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий. В любом случае, как только появятся начальный запас кислорода, умеренный климат, утолщенная углекислая атмосфера, обеспечивающая достаточное давление и значительно снижающая дозу космической радиации, и приличное количество циркулирующей воды, можно будет внедрять генетически модифицированные растения, которые сумеют приспособиться к марсианскому реголиту и осуществлять фотосинтез с высокой эффективностью, вместе с бактериями-симбионтами. Предположим, что распространить растения по всему Марсу мы сумеем в течение нескольких десятилетий и что эффективность этих растений благодаря генной модификации будет составлять 1 % (довольно много, но иногда встречается и на Земле), то они будут эквивалентны продуцирующему кислород источнику энергии примерно на 200 ТВт. Если объединить усилия таких биологических систем с энергией около 90 ТВт от космических зеркал и 10 ТВт от элементов питания на поверхности (земная цивилизация сегодня использует около 15 ТВт), требуемые 120 мбар кислорода, которые нужны для жизни людей и других высших животных под открытым небом, могут быть произведены примерно в течение девятисот лет. Если мы сумеем разработать более мощные искусственные источники энергии или вывести еще более эффективные растения (или, допустим, сконструировать самовоспроизводящиеся машины для фотосинтеза), процесс может ускориться. И этот факт сам по себе способен стать двигателем для воплощения таких технологий в жизнь. Можно отметить, что энергия термоядерного синтеза в количествах, необходимых для ускоренного терраформирования, также является ключевой технологией для осуществления пилотируемых межзвездных полетов. Если терраформированию Марса суждено способствовать появлению такой боковой отрасли, то конечным результатом этого проекта станет доступность для человечества не только одного нового мира, пригодного для проживания, но целых мириад миров.

Подарок для будущего

(…Ты зло

Во благо обращаешь, и о том)

Свидетельствует новозданный мир,

Второе Небо, что невдалеке

От Врат Небесных, на глазах у нас,

Ты сотворил, воздвиг и основал

На чистом гиалине – на хрустальном

Прозрачном океане. Создал Ты

Простор, почти безмерный, полный звезд, —

Миров, которые когда-нибудь

Возможно, ты захочешь населить…[33]

Джон Мильтон. Потерянный рай. Книга седьмая

Теоретические расчеты выносят однозначный вердикт: Красная планета может быть терраформирована. Но только астронавты-исследователи, работающие на Марсе, сумеют получить достаточное количество информации о планете и способах использования ее ресурсов, чтобы превратить мечту в реальность. Но игра, конечно, стоит свеч, потому что на кону стоит целый новый мир.

В некотором смысле, обсуждение потенциала человечества по терраформированию Марса возвращает нас в исходную точку. Каково наше место во Вселенной? Кеплер доказал, что законы небес постижимы для человеческого разума. Первые астронавты, которые долетят до Марса, докажут, что миры небесные достижимы для человеческой жизни. Но, если мы можем терраформировать Марс, это докажет, что миры небесные сами по себе подвластны человеческой разумной воле.

Марс может стать вторым домом для жизни во всех ее проявлениях, не только для людей, и даже не только для «рыб морских… птиц небесных… и каждого живого существа, что движется по земле», но и для множества видов, которых еще не существует. Новые миры порождают новые формы жизни, и в новых условиях терраформированного Марса жизнь, привезенная с Земли, может пойти дальше и множиться в еще неизведанном разнообразии новых царств и родов.

Это чудесное наследие, которое мы передадим будущим поколениям. Это не только новый мир для жизни и цивилизации, но пример того, чего мужчины и женщины, обладающие интеллектом, смелостью и дальновидностью, могут достичь, когда действуют во имя высших идеалов. Нам никогда не быть богами. Но человечество, которое преобразует Марс, докажет, что люди больше, чем просто животные, что на самом деле мы – существа, которые несут особую искру. Видя обновленный Марс, каждый сможет гордиться тем, что он – человек. Слушая историю Красной планеты, каждый сможет вдохновиться и взяться за задачи, ведущие к звездам.

Уравнения для моделирования условий на Марсе

Можно оценить среднюю температуру на Марсе как функцию атмосферного давления CO_2 и солнечной постоянной, используя следующее уравнение:

Тmean = 213,5S0,25 + 20(1 + S)P0,5, (1)

где Tmean есть средняя температура планеты в градусах Кельвина, S – количество солнечного излучения, причем для современного Солнца S равен 1, и Р является атмосферным давлением над средней высоте поверхности Марса, приведенным в барах. (1 бар – это значение, которое жители равнинной местности считают нормальным атмосферным давлением – 14,7 фунта на квадратный дюйм. Так как подобные решения обычно принимают люди, живущие на зловонных болотах возле таких столичных городов, как Вашингтон, Лондон и Париж, это странное значение стало стандартом.)

Поскольку атмосфера является эффективным средством передачи тепла от экватора к полюсу, мы с Крисом Маккеем оценили:

Тpole,= Тmean – 75S0,25/(1 + 5Р) (2)

Также разумно предположить, основываясь на грубом приближении к наблюдаемым данным, что:

Тmax = Тequator =1,1 Тmean (3)

и что глобальное распределение температуры определяется по формуле:

Т(θ) = Тmax – (Тmax – Тpole) × (sinθ)1,5, (4)

где θ – это широта (северная или южная).

Уравнения (1)-(4) задают температуру на Марс как функцию давления диоксида углерода. Тем не менее, как упоминалось выше, давление диоксида углерода на Марсе само является функцией температуры. Есть три источника диоксида углерода на Марсе: атмосфера, сухой лед в полярных шапках и газ, поглощенный реголитом. Взаимодействие резервуаров полярных шапок с атмосферой хорошо понятно и определяется простым соотношением между давлением насыщенного пара двуокиси углерода и температуры на полюсах. Оно задается кривой давления насыщенного пара диоксида углерода, которая аппроксимируется следующим образом:

Р = 1,23×10^7{ехр(-3170/Тpо1е)} (5)

До тех пор пока углекислый газ есть как в атмосфере, так и на южном полюсе, уравнение (5) дает точный ответ на вопрос о том, как давление углекислого газа в атмосфере будет зависеть от полярной температуры. Однако, если полярная температура должна подняться до значения, при котором давление насыщенного пара гораздо больше, чем то, что может быть произведено запасом CO_2 на южном полюсе (от 50 до 100 миллибар), то шапка исчезнет и атмосфера будет регулироваться запасами углекислого газа в реголите.

Соотношение между давлением запаса углекислого газа в реголите, атмосферным давлением и температурой точно не известно. Маккей предлагает следующую эмпирическую оценку [51]:

P ={CMa×exp(T/Td)}3,64, (6)

где Ма – количество газа, адсорбированного в реголите в барах, С – константа, подобранная таким образом, чтобы уравнение (6) отражало хорошо известные марсианские условия, a Td – характеристическая энергия, необходимая для освобождения газа из реголита («температура десорбции»). Уравнение (6) является по существу вариацией известного закона изменения химического равновесия в зависимости от температуры, так что можно считать его в целом верным. Тем не менее величина Td неизвестна и, вероятно, останется такой до тех пор, пока человек не начнет осваивать Марс. Но мы можем вынести проблему за скобки путем изменения Td от 15 до 40 °К (чем ниже значение Td, тем легче будет тем, кто займется терраформированием). Затем мы используем глобальное распределение температуры, заданное уравнением (4), чтобы проинтегрировать уравнение (6) по поверхности планеты и получить глобальное «давление реголита». Это дает достаточно точную квазидвумерную картину проблемы равновесия системы атмосфера – реголит, в которой большая часть поглощенного диоксида углерода распределяется в холодных регионах планеты. Таким образом, в нашей модели региональные (в смысле широты) изменения температуры, особенно в приполярных регионах, могут так же серьезно влиять на взаимодействие системы атмосфера/реголита, как изменения средней температуры планеты.

Результаты расчетов по этой модели, показанные графически в данной главе, дают серьезные основания полагать, что Марс может быть терраформирован.

Глава 10

Взгляд с Земли

No bucks, no Buck Rogers.[34]

Аноним

В предыдущих девяти главах я обрисовал технические возможности и мое видение того, чего мы можем достигнуть, запустив пилотируемую программу освоения Марса. Теперь пришло время вернуться на Землю. Величайшее препятствие нашим попыткам закрепиться на Марсе будет заключаться не в инженерных тонкостях пилотируемой миссии, не в суровом путешествии и не долгих днях исследования нового мира. Мы не встретим преград на самом Марсе. Самое большое препятствие поджидает нас здесь, на нашей родной планете в обличье земных политиков. Как мы можем получить деньги, необходимые для осуществления программы?

Некоторые думают, что это неосуществимо. Они припоминают провал двух инициатив исследования космоса президентов Бушей как доказательство того, что американские политики не поддержат пилотируемую программу исследования Марса. Сторонники этого мнения ошибочно исходят из того, что случившееся однажды должно в точности повториться снова. Скептики говорят, что оба Буша, и старший, и младший, попытались повторить успех Джона Ф. Кеннеди по запуску «Аполлона» на Луну, но в условиях жизни после холодной войны громкий призыв не имел успеха. Обе ИИК провалились, поэтому все последующие ИИК обречены на провал. Что и требовалось доказать. Звучит логично, но это совершенно неверно. Буш-старший не сделал для своей ИИК то, что Джон Кеннеди сделал для «Аполлона». Скорее, Буш сделал для ИИК то же, что сделал для курдов: объявил, что час пробил, подбросил мяч в воздух и ушел с поля. Как отметил Дуэйн Дэй из Института космической политики, «Буш был сторонником исследования космоса точно так же, как он был "президентом, заботящимся об окружающей среде" или "президентом, развивающим образование", – то есть только номинально». Также верно, что «90-дневный отчет» НАСА с его ценником в 450 миллиардов долларов и обещанным сроком в тридцать лет не спасли ситуации, но реальная проблема была не в «90-дневном отчете», а в руководстве страны, готовом терпеть недостатки, присущие этому отчету.

Позвольте мне пояснить, что именно я имею в виду. В июне 1990 года, когда ИИК Буша-старшего еще только начинала катиться по наклонной плоскости, я принял участие в проходившей в ее рамках большой конференции по реактивному движению в Университете штата Пенсильвания, спонсируемой НАСА. Выступая на пленарном заседании этой конференции, Роберт Уокер, конгрессмен от республиканской партии Пенсильвании, открыто высказал представителям аэрокосмической промышленности и прессы, что Конгресс проголосовал против финансирования ИИК по следующей причине: высшее руководство НАСА, главой которого в то время был Ричард Трули, сказало конгрессменам, что, если агентство получит желаемое количество денег на программы шаттла и космической станции, Конгресс может проголосовать по вопросу ИИК так, как ему заблагорассудится. Иными словами, руководство НАСА отказалось поддерживать программу, которую президент Буш-старший назвал национальным приоритетом. Многие думали, что это настоящая диверсия и что Трули должен быть уволен. Марк Альбрехт и Пит Уорден, возглавлявшие в то время Национальный космический совет, пытались разобраться в сложившейся ситуации, но из-за безразличия президента прошло два года, прежде чем Трули сменили. К тому времени ИИК была практически мертва.

Отсутствие участия со стороны Буша-старшего в сочетании с противодействием руководства НАСА оставили ИИК сиротой, за которую заступались лишь некоторые сотрудники Космического совета и несколько дружественно настроенных конгрессменов. Не имея практически никакого реального политического влияния, они были вынуждены попытаться финансировать ИИК, украв несколько небольших ассигнований у Конгресса. Когда об этом узнали политические противники администрации, они воспользовались случаем, чтобы унизить Буша и главу его Космического совета Дэна Куэйла. Кевин Келли, помощник сенатора Барбары Микульски от демократической партии Мэриленда, возглавил разгром и взял на себя задачу выявлять любые случаи, когда НАСА присваивает средства, чтобы потратить их на ИИК. Тем временем в 1992 году руководителем НАСА стал Дэн Голдин, который пришел к выводу: лучший способ сохранить хотя бы часть необходимых для марсианской миссии технологических программ – это избавиться от слабого звена и отменить ИИК. После года попыток спасти проект Голдин все же свернул его окончательно.

Буш-младший находился в более благоприятной ситуации, чем его отец, и в какой-то момент начал свою ИИК (названную «Перспектива исследования космоса», или ПИК). Его партия контролировала обе палаты Конгресса. Однако, несмотря на обладание этим важным преимуществом, Бушу-младшему все-таки удалось все испортить, назначив новым руководителем НАСА виртуозного бюрократа Шона О'Кифа, который не хотел отправлять астронавтов даже к космическому телескопу «Хаббл», не говоря уже о Марсе. О'Киф организовал лунно-марсианскую программу таким образом, чтобы она была действительно запущена только после того, как Буш покинет свой пост, даже если его переизберут на второй срок. Таким образом, хотя ПИК объявили в январе 2004 года и ее план был изложен, подавляющая часть бюджета пилотируемых космических полетов НАСА оставалась направленной на поддержание шаттлов и МКС по крайней мере до 2010 года. Другими словами, наслаждайтесь новой космической инициативой, неудачники, но это будет всего лишь бизнес, как обычно, пока мы не уйдем отсюда.

После того как НАСА потратило целый год на расчеты для совершенно невыполнимой лунной миссии без использования тяжелой ракеты-носителя, О'Киф в конце концов покинул пост из-за критики (в первую очередь после его строптивого отказа использовать шаттл для критически необходимой ремонтной миссии к телескопу «Хаббл»). К сожалению, пришедший ему на смену доктор Майкл Гриффин, очень компетентный инженер, которому мы, по сути, обязаны спасением телескопа «Хаббл», воспринял стратегию О'Кифа как спущенную сверху директиву, которая обязала его выполнять, а не критиковать.

Я встретился с Гриффином в его офисе в штаб-квартире НАСА в июне 2005 года и надавил на него самым решительным образом, чтобы он отказался от плана О'Кифа. «Может показаться, что все готовы к ПИК прямо сейчас, – сказал я, – что ее поддерживают и президент, и Конгресс. Но все может измениться. 21 января 2009 года будет новый президент, который не имел никакого отношения к постановке этой цели. Если на данном этапе ПИК не поставить хотя бы веху – вернуться на Луну, все ставки сгорят. Скорость решает все». Поэтому я настоятельно призывал Гриффина запустить всего еще один шаттл, чтобы спасти «Хаббл», а затем свернуть программу и направить весь бюджет проекта шаттлов, 4 миллиарда долларов в год, на разработку тяжелой ракеты-носителя и другого летного оборудования, необходимого для лунно-марсианской инициативы. Вся полезная нагрузка для Международной космической станции, которую планировалось отправить очередным шаттлом, могла бы быть доставлена с помощью тяжелой ракеты-носителя, если поскорее заняться ее проектированием. А главное – без этого не оставалось практически никаких шансов на то, что к следующему дню инаугурации разработка ПИК продвинется достаточно далеко, чтобы избежать прекращения миссии при новой администрации президента.

Гриффин выслушал меня, потом покачал головой. «Я знаю все это, – сказал он. – Но вы не понимаете ограничений, при которых я вынужден работать. Я не руковожу американской космической программой. Я – администратор американской космической программы. Я не делаю политику. Я администрирую политику президента».

Так он и делал. И, конечно, изменения начались. Менее чем через два года после нашей встречи республиканская партия потеряла контроль над Конгрессом, а еще через два года – над Белым домом. Республиканец Гриффин не остался работать при новой администрации президента, и ПИК, развивавшаяся с черепашьей скоростью, так и не дала никакой полезной аппаратуры для космических полетов и оказалась под угрозой отмены.

Нападение Белого дома Обамы на ПИК задержалось на год, поскольку в начале 2009 года деньги тратились на все и вся в рамках программы стимулирования экономики. Тем не менее к 2010 году администрация президента была готова нанести удар, и, когда это произошло, он оказался мощным. Научным консультантом президента тогда был доктор Джон Холдрен, человек, в 1970-х годах написавший, что Соединенные Штаты являются «чрезмерно развитой страной», которую нужно деиндустриализовать. Под его руководством администрация объявила о своем намерении отменить план НАСА по возвращению на Луну (в который к тому моменту превратилась ПИК), не предлагая никакой альтернативы. В дополнение к этому была отменена программа «Созвездие», в рамках которой начали проектировать ракеты-носители среднего и тяжелого класса «Арес-I» и «Apec-V» и капсулу для экипажа «Орион», необходимые для ПИК, и агентство, уже не имевшее шаттлов, осталось без какой-либо возможности хотя бы продолжать отправку людей на орбиту Земли, не говоря уже о более далеких полетах. Вместо этого, по-видимому, чтобы подсластить пилюлю и занять людей, агентству решили дать набор бессмысленных проектов. Среди них была реконструкция стартового стола шаттла – и это после прекращения полетов, а также различные бессмысленные проекты саморекламы, например групповые демонстрационные запуски якобы революционных электрических двигателей VASIMR (см. дополнительный раздел главы 8) – вместо разработки ядерных энергетических реакторов, которые были бы полезны для реальных пилотируемых миссий.

Эта оригинальная политика Холдрена, изложенная администрацией в феврале 2010 года, обрекла бы американскую программу пилотируемых полетов на десятилетие без достижений и не сэкономила бы при этом денег. Справедливо возмущенная двухпартийная группа в Палате представителей и Сенате мобилизовалась, выразила свое несогласие и в конечном счете сумела заставить администрацию смягчить свою позицию. В результате удалось сохранить программу капсулы «Орион» (хотя на момент написания книги она подготовлена только для полетов с орбиты на Землю, а не с Земли на орбиту), было выделено финансирование для дальнейшего проектирования тяжелой ракеты-носителя и была провозглашена номинальная цель – пилотируемая миссия на околоземный астероид к 2025 году.

Это были полезные, но недостаточные шаги. Капсула, что умеет только спускаться к орбиты, по-прежнему оставляет нас без возможности полететь куда-нибудь. Достичь околоземного астероида – это приемлемая цель, если к ней не потеряют интерес, но то, что она запланирована на 2025 год, позволяет НАСА ничего не делать в этом направлении еще по меньшей мере пять лет. Под вопросом оказывается и судьба тяжелой ракеты-носителя, так как никто не станет напряженно трудиться над созданием ракеты, для которой в обозримом будущем нет миссии или полезной нагрузки для запуска.

В результате американская программа полетов человека в космос теперь полностью брошена на произвол судьбы.

Сравнивая блестящего специалиста по военной и политической стратегии Наполеона Бонапарта с его распутным внучатым племянником Наполеоном III, Карл Маркс однажды сказал: «Все исторические события повторяются дважды, первый раз в виде трагедии, а второй раз в виде фарса». Это утверждение справедливо также для Джона Кеннеди и Бушей. Говорят, что, в то время как его армию уничтожали в битве при Седане, Наполеон III коротал время, играя в бильярд. Можно сказать, что Буш-старший потерял Марс, когда плавал на яхте в Кеннебанкпорте, а Буш-младший потерял Луну, катаясь на горном велосипеде в Кроуфорде. Провал обеих ИИК не доказывает ничего, кроме того что армии не выигрывают сражения, когда их генералы прохлаждаются за бильярдным столом.

В США существует значительная скрытая политическая поддержка пилотируемой марсианской программы. Я убедился в этом на собственном опыте, когда рассказывал о миссии на Марс многочисленным группам людей с самыми разными интересами, от благотворительных клубов Ротари до съезда сантехников, группам, лично не заинтересованным в программе освоения Марса как таковой. И чаще всего мне задают главный вопрос: «Почему мы не делаем этого?» Слушатели говорят мне: «Я помню „Аполлон“». «А не должны ли мы были лететь после этого на Марс? Почему не последовало никакого продолжения? Такие вещи должны делаться в этой стране!»

Я слышу это снова и снова. Общественность раздражают не высокие расходы, а то, что программа никуда не движется. Люди чувствуют себя обманутыми, но не космическим агентством (НАСА), а политиками. Будущее, которое жители Америки ожидали увидеть в 1960 году, было отменено. Что случилось? Почему все застопорилось? Политические зануды из Вашингтона могут сказать, что люди из глубинки не интересуются космосом, но я своими глазами видел, что это не так.

Некоторые могут посчитать, что моя убежденность строится только на личных впечатлениях. Но, если вам требуются научные опросы, их было много. В опросе, проведенном журналистами газеты Newsweek после публикации в 1994 году статьи о миссии «Марс Директ» с иллюстрацией на первой полосе, более половины респондентов поддержали пилотируемый полет на Марс. В 2002 году «Америка Онлайн» провела опрос, в котором 76 % респондентов заявили, что доллары налогоплательщиков должны быть потрачены на экспедиции на Марс, а 63 % опрошенных сказали, что они сами хотели бы полететь. Опрос, проведенный CBS News в 2003 году, показал: 80 % американцев считают, что американская космическая программа поспособствует научным достижениям, которые могут оказаться полезны, и 85 % сказали, что она дает значительный повод для гордости и патриотизма. Другой опрос CBS, проведенный в 2009 году, показал, что 51 % американцев поддерживает отправку людей на Марс. В том же опросе, проведенном через 40 лет после высадок «Аполлонов» на Луну, 71 % опрошенных сказали, что миссии «Аполлон» стоили затраченных на них денег. Это значительно больше 47 %, которые одобрили лунную программу вскоре после ее завершения в 1970 году.

Были собраны и другие статистические данные. За несколько лет Джон Д. Миллер из Чикагской академии наук изучил вопрос: насколько общественность в США понимает науку и технику [52]. В своих исследованиях он работал с сектором населения, который называют «заинтересованная общественность» применительно к вопросам науки и техники. Это люди, которые интересуются той или иной темой, считают, что разбираются в ней, и регулярно читают посвященные ей материалы, чтобы быть в курсе дела. Они достаточно информированы, чтобы чувствовать себя комфортно и уверенно, обсуждая интересующий вопрос. Другими словами, это та часть публики, которая наиболее склонна активно выступать в поддержку связанных с темой проектов или против них. После анализа данных, собранных в 1992 году, Миллер пришел к выводу, что 6 % американского населения проявляли внимание к освоению космоса, а еще 16 % интересовались этой темой. По выводам Миллера, подавляющее большинство людей из тех 22 % верили, что выгоды от освоения космоса перевешивают затраты. 22 % – это по-прежнему меньшинство. Но Миллер также обнаружил, что в его «заинтересованной» группе был наиболее высокий процент научно грамотных людей, и в целом она оказалась из самых образованных групп в его исследовании среди всего населения США.

Эти цифры по-прежнему актуальны. Данные за 2008 год показывают, что все еще есть надежные 22 % населения, очень заинтересованные в освоении космоса, а это почти 50 миллионов потенциальных взрослых избирателей.

Короче говоря, я со всем основанием полагаю, что, если бы американский лидер призвал людей воплотить программу по исследованию Марса (как в свое время Джон Кеннеди поддержал лунную программу), а затем сплотил вокруг себя соратников, он обнаружил бы, что возглавляет огромную политическую силу, как это произошло с Кеннеди в начале 1960-х годов. Предложенная программа исследования Марса имела бы технический и политический смысл. Стоимость в 450 миллиардов долларов вкупе с тридцатилетним сроком исполнения может превратить любое предложение в непосильное бремя, но, как мы видели, с помощью плана типа «Марс Директ» мы можем добраться до Красной планеты, потратив намного меньше денег и времени.

Тем не менее есть по крайней мере три очень разные модели осуществления пилотируемой программы по исследованию Марса. Я назвал эти модели в честь Джона Ф. Кеннеди, Карла Сагана и Ньюта Гингрича. Каждая из них имеет свои сильные и слабые стороны. Давайте обсудим их по очереди.

Модель Кеннеди

Первый и наиболее широко известный из всех трех основных подходов к марсианской миссии я называю моделью Кеннеди. Это единственный подход, который был осуществлен – так мы достигли Луны. В модели Кеннеди президент Соединенных Штатов встает перед людьми и призывает нацию ответить на вызов будущего. Когда я перечитываю речи Кеннеди о программе «Аполлон», у меня возникает чувство, что он был величайшим оратором XX века, за исключением, возможно, Уинстона Черчилля.

«Мы решили лететь на Луну! – сказал Кеннеди, его голос торжественно звенел. – Мы решили полететь на Луну в этом десятилетии, а также сделать многое другое не потому, что это легко, но потому, что это трудно… Потому что эта цель поможет собраться и оценить наши силы и умения, потому что этот вызов мы готовы принять и не готовы откладывать, здесь мы намерены добиться успеха!» Кеннеди определенно был проницателен. Хотя полет на Луну поспособствовал появлению новых технологий, новых рабочих мест и новых знаний, он однозначно был «актом веры и проницательности, поскольку мы не знаем, что мы получим в результате». Слушатели не могли не почувствовать, что в их присутствии вершится история.

Благодаря программе «Аполлон» Джона Кеннеди было сделано много больше, чем просто высадка людей на Луне, – появилась и политическая, и техническая парадигмы выполнения космических программ. В первую очередь для успеха необходима энергичная, однозначная и дальновидная поддержка президента. Кеннеди не пытался протащить свою программу через лабиринты политической системы. Вместо этого он стоял на трибуне в Палате представителей и заявлял о своих намерениях на специальной объединенной сессии Конгресса. Во-вторых, это была американская программа. Проводимая в разгар холодной войны программа «Аполлон» стала великолепной возможностью для США «поиграть» своими политическими, социальными и научными мускулами перед мировой общественностью. Полет на Луну высадка людей на ней и возвращение астронавтов на Землю – все это было сродни покорению Олимпа, где люди смогли разделить нектар с богами. Наконец, выделялись деньги. Кеннеди не скрывал стоимость программы и вместе с неутомимым Линдоном Джонсоном сделал все, что от него требовалось, чтобы финансировать проект, и даже больше.

Можно ли применить модель Кеннеди снова, на этот раз к Марсу? Хотя внешнеполитические императивы холодной войны стали просто воспоминаниями, успешная американская программа исследования Марса произведет огромное впечатление на весь мир. Первая нация, ступившая на Марс, несомненно, войдет в историю как народ, который открыл человечеству дорогу в будущее. Этот шаг показал бы миру и, что даже более важно, каждому гражданину США, что мы по-прежнему способны на многое, что мы по-прежнему нация пионеров, презирающих любые ограничения. Стоит ли это 50 миллиардов долларов? Думаю, что да, и даже много больше.

Если послушать некоторых людей, можно подумать, что космическая программа – это что-то вроде ракеты-носителя, которая просто унесет 50 миллиардов долларов крупными купюрами прямо к центру Солнца – другими словами, большие деньги, выброшенные на ветер. Но дело в том, что средства, потраченные на полет к Марсу, останутся здесь, на Земле. Это зарплаты инженера и сварщика, деньги на исследования для ученого, стипендия аспиранта; это плата за инновации и изобретения, которые останутся частью интеллектуального капитала нации и которые помогут создать новые проекты и продукты для использования на Земле; они нужны для оплаты всего оборудования, необходимого для миссии, от простейшей заклепки до современнейшей высокотехнологичной электроники. Кроме того, эти средства пойдут на оплату приглашения каждому молодому человеку Америки присоединиться к большому интеллектуальному приключению – это лучшая инвестиция в наше будущее благосостояние.

На самом деле снижение космических расходов США в конце эпохи «Аполлона» сопровождалось замедлением развития американской экономики, которое остается сравнительно вялым до сих пор. В течение 1960 года расходы НАСА в среднем составляли чуть больше 2,25 % от федеральных расходов (и выросли до почти 4 % от федеральных расходов в 1964 году). В те же годы экономика США в постоянных долларах ВВП выросла в среднем примерно на 4,6 % в год. В начале 1970-х годов доля федерального бюджета НАСА упала ниже уровня в 1 % федеральных расходов, на котором она остается до сих пор. Одновременно темп роста ВВП снизился до значения менее 2 %.

Сравнивая блестящие достижения НАСА во время эпохи «Аполлона» с ее посредственными успехами сегодня, часто говорят о том, что в своем пиковом значении бюджет НАСА в 1960-х составлял около 4 % всех федеральных расходов, а сегодня эта доля снизилась до 0,7 %. Тем не менее, если мы возьмем общие расходы НАСА за все время программы «Аполлон», с 1961 года, когда Кеннеди объявил о ее начале, по 1973 год, когда были запущены последние производные от «Аполлона», миссии «Скайлэб», сложим, разделим сумму на 13 рассматриваемых лет и переведем ее в сегодняшние доллары, мы обнаружим, что средний бюджет НАСА за период программы «Аполлон» составлял 19 миллиардов долларов в год, ровно столько же, сколько НАСА получает сегодня. И следует отметить, что в течение этого времени НАСА не только запускало пилотируемые миссии «Меркури», «Джемини», «Аполлон» и «Скайлэб», но также и роботизированные зонды «Рэйеджер», «Сервейор» и «Маринер», также вовсю разрабатывало программы «Пионер», «Викинг» и «Вояджер». Кроме того, американское космическое агентство разработало водородно-кислородные ракетные двигатели, многоступенчатые тяжелые ракеты-носители, ядерные ракетные двигатели, космические ядерные реакторы и радиоизотопные генераторы, скафандры, системы жизнеобеспечения в космосе, методы стыковки на орбите, технологии межпланетной навигации, методы передачи данных в глубоком космосе, технологии спуска в атмосферу, технологии мягкой посадки ракет, космическую станцию и т. д. Иными словами, практически все ухищрения, благодаря которым мы осваиваем космос сегодня, были разработаны в период с 1961 по 1973 год, в то же время, когда мы отправили астронавтов на Луну. Несмотря на последующие сопоставимые затраты, с тех пор было разработано очень мало важных технологий. Так, не требующий повышать расходы или жертвовать разработкой технологий, ориентированный на достижение цели адресный подход к космическому полету, возложенный на НАСА императивом Кеннеди, привел к наиболее экономически эффективному, изобретательному и продуктивному периоду в истории агентства.

Модель Кеннеди – проверенный путь к успеху. Она не только позволила воплотить мечту о человеке на Луне, но и привела к развитию космических технологий и положила начало величайшему периоду экономического роста в послевоенной истории Соединенных Штатов. Однако сегодня вполне можно задать вопрос, существуют ли в настоящее время национальные организации, поддерживавшие миссию «Аполлон». Возможно, вместо того чтобы стремиться продемонстрировать всему миру превосходство США, ради пилотируемой марсианской программы было бы лучше сосредоточиться на международном сотрудничестве? Эта идея лежит в основе альтернативного подхода к осуществлению пилотируемых марсианских миссий, который я называю моделью Сагана в честь самого последовательного, красноречивого и громкоголосого ее сторонника.

Модель Сагана

Карл Саган громче всех поднял голос в защиту международного подхода к исследованию Марса и отстаивал этот подход в той или иной форме в течение нескольких десятилетий. Первоначально его призыв к международному пилотируемому исследованию Марса был адресован США и Советскому Союзу. Саган увидел в совместной американско-советской марсианской программе способ объединить два антагонистических народа великой общей целью. Энергия ведущих инженеров и ученых обеих стран была бы направлена на развитие аэрокосмических, электронных и ракетных технологий, необходимых для экспедиции на Марс, а не на увеличение запасов ядерного оружия. Смешанный экипаж космического корабля воплотил бы в себе микрокосм домашней планеты, маленький мир, где две великие державы мира работали бы вместе.

Саган, конечно же, был не одинок в своих призывах к международному партнерству в освоении космоса. Почти каждый экспертный совет, назначенный НАСА или президентом (а их было много) в течение последних двадцати лет, призывал к совместным космическим проектам. Хотя политическая ситуация сильно изменилась, остается очевидная экономическая польза: чем больше партнеров, тем больше карманов. Неподъемные для одной страны затраты можно было поделить между двумя или несколькими государствами. Совместные усилия Европейского космического агентства позволили не только создать мощную европейскую космическую науку, но и разработать одну из самых успешных ракет-носителей, осуществляющих рейсы в настоящее время, «Ариан». Технологии, как и затраты, можно разделять к общей выгоде. В настоящее время Соединенным Штатам не хватает тяжелой ракеты-носителя достаточной мощности, чтобы запустить миссию в духе «Марс Директ». У России, с другой стороны, на вооружении была одна такая сравнительно недавно, в конце 1980-х годов, – «Энергия». Благодаря ее способности поднять груз в 100 тонн на НОО возрожденная «Энергия» была бы в настоящий момент самой мощной ракетой на планете. «Энергия» взлетала только дважды, отчасти потому, что для нее не было миссии. Пилотируемая программа исследования Марса идеально отвечала бы всем требованиям. Кроме того, на Международной космической станции используются несколько российских модулей в качестве основных компонентов орбитальной лаборатории.

Хотя реализация марсианской инициативы международными усилиями сулит нам очевидные выгоды, она может привести и к серьезным тратам. Делая проект совместным, мы неизбежно теряем над ним контроль. У нас по-прежнему остается право голоса, но при по-настоящему совместной работе ни одна из наций не может в одиночку определять судьбу проекта. Европейским и японским партнерам Соединенных Штатов по МКС пришлось попотеть, чтобы несколько раз переделать станцию по заказу Конгресса США. Партнеры мало что могли сделать, так как Конгресс усиленно ратовал за сокращение проекта. Аналогично, в ходе работы над программой МКС НАСА часто приходилось сталкиваться с вероятностью, что наш главный партнер, Россия, не сможет выполнить свои обязательства. В целом принятие решений в международных программах замедляется, что обычно приводит к увеличению затрат.

Если оставить политику в стороне, есть много технических препятствий, которые могут возникнуть в рамках масштабных совместных проектов: что делать, если один из партнеров согласился разработать технологию, а потом по тем или иным причинам не разработал ее? Что делать, если ключевой партнер выходит из программы? Что делать, если международные отношения меняются и дружественный народ становится врагом? Такие события могут полностью дестабилизировать расписание программы, и задержки в проектах такого масштаба, как «Аполлон», МКС или марсианская программа, как правило, накапливаются каскадно, приводя к потенциально катастрофическим последствиям для проекта.

Когда я впервые услышал о схеме Сагана для совместного американско-советского полета на Марс в 1980 году, я не считал это предложение практичным. Соединенные Штаты тогда были в разгаре своих «Звездных войн» и наращивали ракетное вооружение, Советский Союз воевал в Афганистане, и обе страны вели опосредованные войны друг с другом в Сальвадоре, Никарагуа и других местах. В 1980 году Соединенные Штаты и Советский Союз не смогли совместно участвовать в Олимпийских играх. Идея, что мы сумели бы провести совместную марсианскую программу продолжительностью в несколько лет, казалась утопичной. Кроме того, с точки зрения отбора экипажа сложно представить вариант хуже, чем предложенный Саганом: астронавты США и советские космонавты – две группы экс-пилотов истребителей, много лет обучавшиеся убивать противника и убежденные, что так нужно. Хотя Саган утверждал, что процесс взаимодействия сам по себе поможет объединить противостоящие народы, я подумал, что, вероятнее, конфликты между двумя странами свели бы сотрудничество на нет.

Однако сегодня есть новое основание для американско-российского сотрудничества в космосе. И его можно использовать не для того, чтобы попытаться заключить мир с врагом, а для того, чтобы стабилизировать отношения с нацией, которая могла бы стать настоящим другом. Россия сегодня – это побежденная сверхдержава с неустойчивой экономикой и растущими реваншистскими настроениями и в то же время страна, обладающая 10 000 ядерных боеголовок, которые могут быть кем-то незаконно присвоены или перенацелены на Соединенные Штаты, если националисты или экстремисты придут к власти. Таким образом, в интересах Соединенных Штатов помочь стабилизировать Россию политически и экономически. Поддерживать российскую экономику закупками ракетно-космической техники – один из способов сделать это. Конечно, большая часть расходов на сотрудничество уйдет не по назначению, но, с точки зрения налогоплательщика США, деньги все равно удастся сберечь, потому что российская космическая техника намного дешевле, чем западная.

Некоторые говорят, что такие действия были бы ошибкой, поскольку Россия может использовать свой космический потенциал против США, если зарождающаяся в ней демократия рухнет. Но сторонники этого мнения не учитывают, что в рамках совместной программы полета на Марс нам пришлось бы поддерживать лишь некоторые отрасли российской космической промышленности, имеющие ограниченное военное применение, – например, изготовление жидкотопливных двигательных систем, ракет-носителей большой грузоподъемности и систем жизнеобеспечения.

Однако еще более важно следующее: общая работа, риск и азарт совместной программы способны связать США и Россию узами настоящей дружбы, и в этом случае возрождение сильной России, которое может произойти в любом случае, пошло бы на пользу Америке, а не наоборот. Действительно, после сложного последнего десятилетия назрела потребность повторно скрепить великий западный союз всех государств, приверженных идеалам прогресса, ума и свободы. Программа пилотируемого полета на Марс может стать способом воссоздать этот союз.

Другими словами, в контексте современных глобальных политических реалий предложение Сагана о совместной американско-российской или, еще лучше, полностью международной программе полета людей на Марс имеет много достоинств. Его основной проблемой остается один программный риск – программа полета на Марс может стать заложником стабильности в России, Европе или в другом месте.

Но не исключено, что игра стоит свеч.

Модель Гингрича

Существует и третий подход к полетам на Марс, он более умозрительный, чем уже упоминавшиеся, но имеет большие перспективы. Я называю его подходом Гингрича, потому что я придумал его, понукаемый бывший спикером Палаты представителей, и потому что он согласуется с принципами, которых господин Гингрич придерживался некоторое время.

Вот история, лежащая в основе идеи. Летом 1994 года меня пригласили пообедать с тогда еще конгрессменом от республиканской партии Джорджии Ньютом Гингричем и некоторыми из его сотрудников, чтобы рассказать им о моих взглядах на исследование Марса. Я рассказал о плане «Марс Директ» как о недорогой программе пилотируемого полета к Марсу в краткосрочной перспективе. Гингрич был в восторге от озвученных мной возможностей. «Я хочу поддержать этот проект с законодательной стороны», – сказал он мне, но он хотел сделать это «в форме каких-то свободных инициативы, а не просто выделять деньги НАСА для подготовки миссии на Марс». Гингрич пригласил меня прийти на его телешоу, чтобы подробнее обсудить миссию, что я и сделал, а затем направил меня на встречу с Джеффом Айзенахом, президентом фонда «Прогресс и свобода»

Я встречался с Айзенахом несколько раз, и мы придумали идею законопроекта «Марсианская премия». Вот как это будет работать. Правительство США объявит награду в 20 миллиардов долларов, которую получит первая частная организация, успешно посадившая экипаж на Марс и вернувшая его на Землю, а также несколько призов около миллиарда долларов за различные значимые достижения на этом пути.

Это по меньшей мере новый подход к исследованию космоса, которое до сих пор оставалось прерогативой правительства. Он также имеет ряд замечательных преимуществ. В первую очередь то, что перерасход средств делается невозможным. Государство не потратит ни пенни по тех пор, пока не будут достигнуты желаемые результаты, и ни пенни сверх той суммы, которая будет согласована с самого начала. Успех или неудача при этом подходе зависят исключительно от изобретательности американского народа и работы системы свободного предпринимательства, а не от политических дрязг. Эта тактика гарантирует не только экономичные, но также быстрые и рациональные результаты. Когда люди ставят на карту собственные деньги, они куда охотней склоняются к практическим и взвешенным решениям инженерных задач, чем в случае бесконечных прений, обычных для государственной бюрократии. Читатели могут вспомнить, что, когда Чарльз Линдберг летел через Атлантику, он делал это не в рамках программы, финансируемой правительством, а в погоне за обещанным призом. В первые годы становления авиации было много таких призов, выдаваемых за прорывные технические достижения. Эта традиция продолжается и сейчас. Ее последнее достижение – выигрыш 10 миллионов долларов[35] от фонда X-Prize («Икс-Прайз») за полет на 100 километров ракетоплана «Спейс Шип Уан» Берта Рутана в октябре 2004 года – в настоящее время это позволяет доставлять самолеты в космос. Как результат этого успеха, коммерческая версия ракетоплана Рутана, получившая название «Спейс Шип Ту», как сообщается, в ближайшее время сделает суборбитальные рейсы доступными для обычных людей, способных их оплатить. Эти результаты были получены в заданные сроки и в рамках бюджета, что было бы немыслимо в современном НАСА.

У данного подхода к полету на Марс также есть и другие преимущества. Он простимулирует экономический рост при любых государственных расходах. Кроме того, многомиллиардные награды за прорывные достижения в космической промышленности не только спровоцируют личную космическую гонку но и могут породить новый вид аэрокосмической промышленности, основанной на производстве по минимальной цене. Существующая аэрокосмическая промышленность так не работает. Скорее, большие аэрокосмические компании заключают контракт с правительством, чтобы выполнить работу с дополнительными издержками, то есть при любой стоимости проекта они берут с правительства определенную дополнительную сумму, как правило, от 8 до 12 %. Поэтому чем больше денег крупные аэрокосмические компании тратят на выполнение работы для правительства, тем больше денег они получают. По этой причине их штабы набиты бесполезными дорогостоящими «менеджерами матрицы» (которые не управляют ничем), «рыночниками» (которые не занимаются торговлей) и «планировщиками» (планы которых никогда не будут использоваться). Единственная функция всех этих людей – увеличивать расходы компании. Поскольку правительству нужно доказательство того, что компания действительно понесла заявленные расходы, привлекается огромное количество учетчиков, чтобы отслеживать, как много рабочих часов тратится на каждый отдельный договор. Чтобы дать вам представление о том, насколько это плохо, приведу в пример главный завод «Локхид Мартин» в Денвере, где я раньше работал и где производятся ракеты-носители «Титан» и «Атлас». Работой на заводе занимается на самом деле лишь небольшая часть всего персонала. Тот факт, что «Локхид Мартин» с экономической точки зрения может конкурировать с другими крупными аэрокосмическими компаниями, указывает, что остальные компании столь же неэффективны.

Призовая система может изменить все это, потому что прибылью компании станет сумма приза за вычетом затрат на выполнение проекта, и точка. У компаний не будет оснований завышать расходы. Наоборот, у них появятся все основания снизить затраты. Они снизятся уже потому, что уменьшится бремя учета и бюрократии. Благодаря созданию новых аэрокосмических компаний или реформированию уже существующих «Марсианская премия» в конечном итоге будет экономить правительству и сопутствующей коммерческой индустрии миллиарды долларов, так как все космические системы и аппаратура для запусков станут обходиться гораздо дешевле.

Но как можно назначить «Марсианскую премию» всего в 20 миллиардов долларов? Разве я не упомянул, что программа «Марс Директ», вероятно, обойдется правительству дороже 30 миллиардов долларов? Даже если назначить дополнительные призы в размере от 10 до 20 миллиардов, вряд ли частные организации захотят участвовать в соревновании.

Но моя оценка стоимости миссии «Марс Директ» в 30 миллиардов долларов основана на модели Кеннеди, то есть рассчитана при условиях, когда НАСА финансирует существующих крупных аэрокосмических подрядчиков, которые расходуют лишние средства, и в то же время НАСА тратит много денег на собственную внутреннюю «программу менеджмента». Если бы миссии «Марс Директ» или «Марс Полудирект» были сделаны на подлинно частной основе, когда люди вправе покупать что хотят и где хотят, я полагаю, что стоимость работы находилась бы в диапазоне от 4 до 6 миллиардов долларов. Это звучит невероятно, если сравнивать с оценкой в 30 миллиардов долларов для «Марс Директ», не говоря уже о 450 миллиардах долларов на «90-дневный отчет», но, если сосредоточиться на том, что действительно необходимо, и воспользоваться преимуществами дешевых российских ракет-носителей и других способов сэкономить, будет трудно понять, почему программа должна стоить именно столько. В реальном мире на 4 миллиарда долларов можно купить очень много.

Рассмотрим следующие условия: в качестве общего стандарта аэрокосмические инженеры назначают стоимость разработки одного фунта массы нового истребителя с высокой производительностью в 5000 долларов. Таким образом, стоимость одной тонны аппаратуры при разработке таких сложных аэрокосмических систем, как жилые модули, марсианские взлетные модули, спускаемые капсулы и другое оборудование для миссии «Марс Директ», составляет около 10 миллионов долларов. (Тестовый экземпляр ракеты с одноступенчатым двигателем «Макдоннелл Дуглас DC–X» обошелся в 6 миллионов долларов за тонну.) Общая сухая масса аппаратуры, необходимой для миссии «Марс Директ» или «Марс Полудирект», без учета массы ракет-носителей заведомо меньше 100 тонн. Назначим для миссии стоимость в 1 миллиард долларов. Чтобы запустить к Марсу все, что вам нужно, необходимо будет поднять около 300 тонн (включая большое количество топлива для вывода аппарата с НОО на траекторию к Марсу, которое стоит дешево – меньше, чем 1000 долларов за тонну). Триста тонн на низкую околоземную орбиту можно было бы поднять тремя российскими «Энергиями», которые обошлись бы приблизительно в 300 миллионов долларов каждая [53], – в общей сложности 900 миллионов долларов на запуск плюс, возможно, 500 миллионов долларов на возрождение производство «Энергий». Общая стоимость всей разработки оборудования и запуска составила бы, таким образом, 2,4 миллиарда долларов. Если добавить еще 600 миллионов долларов на обслуживание, менеджмент программы, судебные издержки и другие мелочи, мы получим стоимость в 3 миллиарда долларов. Даже если «Энергия» или другие российские ракеты-носители (например, «Протон», стоимость запуска которого составляет около 4 миллиона долларов за тонну на НОО) не будут разработаны или разрешены к использованию, миссия по-прежнему не должна стоить так много. Текущие затраты на запуск с использованием современных ракет-носителей США, таких как «Титаны», «Атласы» или «Дельты», составляют около 10 000 долларов за килограмм, или 10 миллионов долларов за тонну на НОО. При таких суммах – хотя тяжелые ракеты-носители, например «Шаттл Си» или «Арес», оказались бы гораздо экономичнее – запуск необходимых 300 тонн стоил бы 3 миллиарда долларов. Добавим это к 1 миллиарду долларов на разработку оборудования и опять же увидим, что общая стоимость программы составляет менее 5 миллиардов долларов.

Итак, если реальная стоимость миссии – от 4 до 6 миллиардов долларов, приз в 20 миллиардов долларов должен мобилизовать приток необходимого капитала из частного сектора. Нет сомнений в том, что найдется некоторое количество людей, настроенных скептически по поводу названных мной цифр, но это не имеет значения. Если законопроект «Марсианская премия» окажется принят, важно будет одно: посчитают ли инвесторы, что миссию можно осуществить за такие деньги. Нам не придется убеждать конгрессменов, что пилотируемую программу исследования Марса можно провести дешево; нам нужно будет убедить только Билла Гейтса или Илона Маска. Это важно: частный сектор часто более склонен к инновациям, чем государственный, потому что не приходится искать консенсус по каждому новому проекту. Скорее для начала проекта нужен один новатор и один инвестор, который готов рискнуть.

Но что произойдет, если никто не примет вызов? В этом случае все упражнение не будет стоить налогоплательщикам абсолютно ничего.

Повредит ли объявление «Марсианской премии» НАСА? Я так не считаю. Скорее всего это приведет к притоку капитала в лучшие группы в различных центрах НАСА, так как частные консорциумы в погоне за призом будут стремиться заключить субдоговор для проведения экспертизы в конкретных областях, представляющих интерес. Это очень благотворно повлияет на специалистов в НАСА, потому что тогда они будут вынуждены развивать технологии, необходимые для запуска марсианской миссии, вместо того чтобы позволить себе разрабатывать технологии, не способствующие достижению амбициозных целей.

Я приведу ряд разработанных мной для Гингрича конкурсов, которые могли бы простимулировать развитие пилотируемой программы исследования Марса. Обратите внимание, что, хотя все эти задачи можно рассматривать как серию шагов по направлению к конечной цели, вовсе не обязательно, чтобы все их решила одна компания. Компания может выбрать одно задание и бросить его выполнение, она может заниматься задачами по порядку или пропустить более легкие, чтобы первой доставить экипаж на Марс и выиграть главный приз.

ЗАДАЧА 1: Выполнить миссию по получению орбитальных изображений Марса.

Приз: 500 миллионов долларов

Условия: Миссия должна успешно провести съемку по меньшей мере 10 % планеты с разрешением 20 сантиметров на пиксель или лучше. Все изображения должны быть предоставлены правительству США, которое займется их публикацией.

Бонус: дополнительный миллион долларов для съемки (с покрытием поверхности на 90 % или лучше) 200 мест, выбранных Марсианской научной рабочей группой НАСА.

(Примечание: Эта задача была впоследствии решена НАСА с использованием аппарата «Марс Реконнэйсенс Орбитер» (МРО), созданного для агентства компанией «Локхид Мартин» за 720 миллионов долларов. МРО прибыл на орбиту Марса в 2006 году и с тех пор получает изображения Красной планеты с высоким разрешением.)

ЗАДАЧА 2: С использованием роботизированного посадочного модуля собрать образцы марсианского грунта и перевезти образцы на Землю, используя в обратном рейсе ракетное топливо, произведенное на Марсе.

Приз: 1 миллиард долларов.

Условия: Масса доставленного грунта должна быть не менее 3 килограммов. По крайней мере 70 % (по весу) от смеси топлива, используемого для взлета с Марса и полета на Землю, должны быть произведены на Марсе из марсианских ресурсов.

Бонус: 10 миллионов долларов за каждый отдельный тип породы, привезенной с Марса, максимальная сумма 300 миллионов долларов.

ЗАДАЧА 3: Продемонстрировать систему жизнеобеспечения для долгосрочного применения в космосе.

Приз: 1 миллиард долларов.

Условия: Экипаж из трех или более человек должен пробыть в космосе по крайней мере два года без пополнения запасов с Земли.

ЗАДАЧА 4: Доставить на Марс герметизированный марсоход (ровер).

Приз: 1 миллиард долларов.

Условия: Средствами недельного теста, проведенного на Земле, должно быть доказано, что транспортное средство в состоянии поддерживать жизнь двоих человек на Марсе в течение одной недели. За эту неделю ровер должен преодолеть 1000 километров по бездорожью. Ровер должен пройти по крайней мере 100 километров на Марсе. Давление в кабине во время поездки по Марсу необходимо поддерживать в диапазоне между 3 и 15 фунтами на квадратный дюйм. Температура в салоне должна сохраняться в диапазоне между 10 и 30 °C.

ЗАДАЧА 5: Продемонстрировать первую систему, работающую на марсианском топливе, для того чтобы поднять полезную нагрузку в 5 тонн с поверхности на орбиту Марса.

Приз: 1 миллиард долларов.

Условия: По крайней мере 70 % (по весу) от используемой смеси компонентов топлива должны быть произведены на Марсе из марсианских ресурсов.

ЗАДАЧА 6: Продемонстрировать первую систему которая сможет произвести более 20 тонн ракетного топлива за 500 дней на поверхности Марса.

Приз: 1 миллиард долларов.

Условия: По крайней мере 70 % (по весу) от используемой смеси компонентов топлива должно быть произведено на Марсе из марсианских ресурсов.

ЗАДАЧА 7: Продемонстрировать первую систему которая может генерировать по крайней мере 15 киловатт мощности (среднее значение за день/ночь) в течение 500 дней, проведенных на Марсе.

Приз: 1 миллиард долларов.

Условия: Минимум 2 киловатта электрической мощности должны быть доступны в любое время.

ЗАДАЧА 8: Продемонстрировать первую систему которая может доставить 10 тонн полезной нагрузки на поверхность Марса.

Приз: 2 миллиарда долларов.

Условия: Демонстратор должен обеспечить мягкую посадку с перегрузкой не более 8 g, действующей на полезную нагрузку в любой части пути.

ЗАДАЧА 9: Первым продемонстрировать систему которая может поднять по крайней мере 120 тонн на низкую околоземную орбиту.

Приз: 2 миллиарда долларов.

Условия: Запуск ракеты-носителя осуществляется с территории США. Прошлая история «Сатурна-5» не рассматривается. Возрожденная система «Сатурн-5» допускается к рассмотрению.

ЗАДАЧА 10: Продемонстрировать первую систему которая может вывести 50 тонн на траекторию к Марсу.

Приз: 3 миллиарда долларов.

Условия: Гиперболическая скорость старта с Земли должна составлять не менее 4 километров в секунду. Система должна быть запущена ракетой-носителем или ракетами-носителями с грузоподъемностью не менее 120 тонн на низкую околоземную орбиту при старте. Запуск ракеты-носителя осуществляется с территории США.

ЗАДАЧА 11: Продемонстрировать первую систему которая может доставить 30 тонн полезной нагрузки на поверхность Марса.

Приз: 5 миллиардов долларов.

Условия: Демонстратор должен совершить мягкую посадку перегрузки полезного груза не должны составлять более 8 g в любой части пути.

ЗАДАЧА 12: Первым отправить экипаж на Марс и благополучно вернуть астронавтов на Землю.

Приз: 20 миллиардов долларов.

Условия: Большинство членов экипажа должны быть американцами. Как минимум три члена экипажа должны достичь поверхности Марса и оставаться на планете по крайней мере 100 дней. Один или несколько астронавтов должны сделать по крайней мере три выезда по крайней мере на 50 километров от посадочной площадки.

Бонус: В дополнение к 20 миллиардам долларов члены экипажа получат по 1 миллиону долларов на человека за каждый день, проведенный на поверхности Марса, максимальный бонус – 5 миллиардов долларов.

Некоторые общие условия будут применяться ко всем призам, так как отдельные задачи перекрывают друг друга. Например, любая система, которая может доставить 30 тонн полезной нагрузки на марсианскую поверхность, может также доставить и 10 тонн. Если более трудная задача будет решена раньше менее трудной, организация выигрывает оба приза. Чтобы гарантировать, что системы управления полетом разработаны в США, необходимо, чтобы по крайней мере 51 % комплектующих всей используемой аппаратуры, обеспечивающей выигрыш любого из призов, был изготовлен в Америке. Это не означает, что каждая подсистема должна быть на 51 % сделана в США. Например, успешная миссия на Марс с использованием российских тяжелых ракет-носителей еще может претендовать на приз в 20 миллиардов долларов при условии, что 51 % от общего оборудования миссии производится в Соединенных Штатах, но такая миссия не будет иметь право на приз за запуск тяжелой ракеты-носителя. Наконец, потребуется, чтобы тот, кто выиграл любой приз, продал до трех дополнительных копий награжденной системы полета правительству США. Экземпляр будет выбран правительством, и стоимость выбранной системы не должна составлять более 20 % от размера премии. Правительство США, в свою очередь, будет поддерживать все миссии, соревнующиеся за призы: оказывать по себестоимости услуги связи с помощью сети дальней космической связи НАСА и 34-метровых в диаметре антенн, предоставлять для всех запусков системы наземной поддержки и сопровождения в Космическом центре Кеннеди и других местах, а также обеспечивать разумные цены на участки для строительства стартовых площадок.

Если законопроект «Марсианских премий» был бы принят, это принесло бы куда больше пользы, чем комитеты, которые решали бы, какие архитектуры миссии и технологии являются лучшими. Система призов обеспечила бы не только необходимые стимулы, чтобы доставить людей на Марс, но также и поток капитала, который позволил бы частным организациям накапливать средства, необходимые для финансирования таких предприятий. Например, организация может начать с того, что сосредоточит внимание на выигрыше приза 9, разработке тяжелой пусковой установки. Приз в 2 миллиарда долларов в этом случае не только гораздо лучше, чем безубыточность предложения, но, кроме того, в случае выигрыша организация получит все шансы выиграть приз 10,3 миллиарда долларов для вывода 50 тонн груза на расчетную орбиту в сторону Марсу. Этот второй приз поставит организацию в очень выгодное положение и настроит ее выиграть приз 11,5 миллиардов долларов за первую мягкую посадку 30 тонн груза на Марс. Как только это будет сделано, в распоряжении организации окажется первоначальная система транспортировки по маршруту Земля – Марс, необходимая для осуществления миссии «Марс Директ», и обширный оборотный капитал, так что организация сможет замахнуться на большой 20-миллиардный приз за проведение пилотируемой миссии на Марс с возвращением на Землю. Группы с меньшим стартовым капиталом могут начать с выигрыша некоторых из меньших призов для миссий-предшественников и, таким образом войти в игру, так сказать, через боковую дверь. Таким образом, участвуя в конкурсе с различными задачами, организации будут накапливать и капитал, и опыт в ходе состязания за призы, которые полагаются за демонстрацию критически важных технологий и осуществление ключевых миссий-предшественников, необходимых для решения основных задач программы. Но призовая система не предопределяет дизайн миссии – никто не обязан стремиться выиграть все или некоторые из маленьких призов по дороге к главному призу. Поток капитала, о котором говорилось выше, может быть получен несколькими способами. Каждая конкурирующая организация вправе сама определить для себя наиболее эффективный путь к Марсу, в процессе создав набор дешевых систем перевозки, которые сделают возможной не просто быструю миссию, призванную оставить на Марсе наши флаги и следы, но систематическое изучение и заселение Красной планеты.

После того как Гингрича избрали спикером Палаты представителей, он был поражен требованиями налоговых активистов, сторонников легализации абортов, сторонников сбалансированного бюджета и других заинтересованных групп. Он просил разработать «Марсианскую премию», и, по словам Айзенаха, он был в восторге от нее. Но он ничего с ней и для нее не сделал, как не сделали его преемники на последовавших съездах республиканцев. То же самое можно сказать и об Альберте Горе, который до того, как его избрали вице-президентом, часто намекал, что поддерживает план Сагана для совместной американско-российской миссии на Марс. Однако, как только Гор был избран, он потерял всякий интерес к программе и не сказал ни слова о ней с тех пор. Точно так же мы не можем ожидать интереса со стороны нынешних политиков до тех пор, пока они не увидят некоторых веских поводов для политической поддержки набирающего обороты проекта марсианской миссии. Если мы когда-нибудь увидим любые действия любого из этих людей, нам нужно будет показать нашу силу. Это приводит нас к следующему разделу.

Что вы можете сделать

Если вы хотите, чтобы люди добрались до Марса, то вам необходимо стать космическим активистом.

Как мы видели, Миллер в своем исследовании заинтересованной космосом общественности выявил группу, численность которой приближается к 40 миллионам. Тем не менее три основные отечественные организации космических деятелей, Национальное космическое общество, Планетарное общество и Марсианское общество, могут похвастаться в общей сложности, возможно, 100 тысячами членов. У нас есть огромная скрытая поддержка, но организована только ее малая часть. Урожай богатый, но собирать его некому. Нужны постоянно действующие организации с большим членством, чтобы создать необходимую политическую силу. В двух словах, Марсу нужны вы. Недостаточно только сильно желать существования космической программы. Если вы верите в будущее, которое не ограничено горизонтами Земли, вам необходимо присоединиться к другим единомышленникам и сделать так, чтобы ваш голос был услышан. Присоединение к организации космических активистов – это, вероятно, лучший способ сделать это.

Существуют четыре основные организации, из которых можно выбрать. Я немного предвзят в этом вопросе, поскольку так уж вышло, что я – лидер одной из них, Марсианского общества. Но я постараюсь создать для вас достаточно объективную картину, чтобы вы могли решить, на чем сфокусировать свои усилия. Взносы и адреса, перечисленные ниже, верны на начало 2011 года. Но вы должны проверить информацию о них непосредственно перед отправкой любого членского взноса.

Планетарное общество является самым крупным из четырех, приблизительно с 50 тысячами участников. Оно основано Карлом Саганом, Луисом Фридманом и бывшим директором Лаборатории реактивного движения Брюсом Мюрреем, а сейчас его возглавляют Фридман, астроном Джим Белл и телеведущий и популяризатор науки Билл Най. Планетарное общество в первую очередь заинтересовано в продвижении роботизированного исследования Солнечной системы, но оно поддерживает пилотируемые программы исследования Марса при условии, что эти программы разрабатываются в соответствии с моделью международного сотрудничества Сагана. Вы можете присоединиться к Планетарному обществу, отправив чек на 37 долларов по адресу: Планетарное общество, 85, Южная Гранд, Пасадена, Калифорния 91105.

(Planetary Society, 85 South Grand, Pasadena, CA 91105.) www.planetary.org.

Национальное космическое общество является вторым по величине, там 20 тысяч членов. Оно основано Вернером фон Брауном и проницательным профессором Джерардом О'Нилом из Принстона. Сегодня общество возглавляют Марк Хопкинс, Кирби Айкин и исполнительный директор Гэри Барнхард. Основная задача «Национального космического общества» (НКО) – содействовать заселению человеком космоса. В сфере интересов НКО Луна, Марс, астероиды и свободно парящие космические колонии. Общество будет одинаково радо поддержать марсианскую (или лунную) программу, основанную на какой-либо из моделей (Кеннеди, Сагана или Гингрича). У НКО около ста отделений, которые организуют местные и региональные мероприятия, а также национальную конференцию один раз в год. Вы можете присоединиться к НКО, отправив чек на 20 долларов по адресу:

Национальное космическое общество, 115515-я Северо-восточная улица, номер 500, Вашингтон, округ Колумбия 20005. (National Space Society, 1155 15-th Street NW, Suit 500, Washington, D. C. 20005.)

Среди преимуществ членства выходящий два раза в месяц глянцевый журнал и частые информационные бюллетени об успехах космической программы www.nss.org.

Фонд «Космическая граница» является самой малочисленной организацией, включает около 500 членов. Она основана Риком Тамлинсоном и Джимом Манси, и сегодня ее возглавляют Манси, Боб Верб и Уильям Уотсон. Фонд «Космическая граница» имеет очень сильный уклон в сторону свободного предпринимательства. Из трех моделей для достижения Марса, обсуждавшихся в этой главе, им близка только модель Гингрича. Если фундаментальное значение для ваших принципов имеет открытие космоса с максимальной свободой предпринимательства и минимальным участием правительства, тогда задумайтесь над вопросом о присоединении к этой группе. Фонд «Космическая граница» финансирует одну национальную конференцию в год. Вы можете присоединиться к фонду «Космическая граница», отправив 25 долларов по адресу:

Фонд «Космическая граница», 16, Первая авеню, Наяк, Нью-Йорк 10960. (Space Frontier Foundation, 16 First Avenue, Nyack, NY10960.) www.spacefrontier.org.

Марсианское общество – самая новая из космических организаций. Вместе со многими другими членами «Марс Андеграунд», в том числе Крисом Маккеем, Кэрол Стокер и Томом Мейером, а также писателями-фантастами Грегом Бенфордом и Кимом Стэнли Робинсоном я основал «Марсианское общество» с целью дальнейшего исследования и заселения Марса с помощью как государственных, так и частных средств. Наш учредительный съезд в Боулдере, Колорадо, в августе 1998 года собрал 700 человек из 40 стран, которые привезли 180 статей и выступлений по всем вопросам: от стратегий марсианской миссии до этики терраформирования, и привлек внимание международной прессы. На момент написания книги в обществе около 7000 членов, у нас 80 отделений, из которых 50 находятся в Соединенных Штатах и 30 по всему земному шару. Наша деятельность включает широкое взаимодействие с общественностью, политическое лоббирование и работу двух баз, где мы моделируем пилотируемые исследования Марса. Одна из них находится в полярной пустыне на канадском острове Девон, а другая – в пустыне южной части штата Юта в США. На сегодняшний день более ста экипажей из шести человек каждый отправились на эти станции и провели симуляцию полетов на Марс продолжительностью от двух недель до четырех месяцев. В ходе этих миссий экипажам было поручено выполнить длительные программы полевой разведки по геологии и микробиологии, при работе были применены многие ограничения из тех, с которыми люди-исследователи столкнулись бы на Марсе. При выполнении таких тренировок мы узнаем многое о том, какие тактики и технологий полевых работ окажутся наиболее полезными, когда люди наконец-то полетят на Красную планету. В то же время репортажи об этих тренировочных миссиях, которые появились в ведущих СМИ мира, начиная с «Нью-Йорк Таймс", CNN и канала «Дискавери» и далее на ВВС, российском и японском государственных телеканалах, помогли получить представление о пилотируемых исследованиях нашего соседнего мира сотням миллионов людей по всему миру.

Рис. 10.1. Арктическая исследовательская станция Флешлайн Марсианского общества, расположенная на ободе гигантского метеоритного кратера в полярной пустыне на канадском острове Девон в 900 милях от Северного полюса (фото автора)

Марсианское общество проводит свою международную конвенцию каждый август. Вы можете присоединиться к нам либо через наш веб-сайт по адресу: www.marssociety.org, либо отправив 50 долларов (25 долларов для студентов) по адресу:

Марсианское общество, 11111, 8-й Западный проспект, блок А, Лейквуд, Колорадо, 80215. (Mars Society, 11111 W. 8-th Ave, unit A, Lakewood, CO, 80215.)

Если вы хотите связаться со мной, вы можете написать письмо на адрес Марсианского общества. Если вы хотите помочь, подпишитесь на сайте, чтобы мы могли добавить вас в список электронной рассылки Марсианского общества. Если вы присоединитесь к Марсианскому обществу, вы также получите доступ к нашей электронной библиотеке. Там вы можете найти достаточное количество моих технических статей, а также статей многих других авторов, на самые различные темы, начиная от межпланетных двигательных технологий и заканчивая этикой терраформирования.

Создание истории – это не зрелищный вид спорта. Теперь ваша очередь выйти на поле.

Рис. 10.2. Экипажи добровольцев Марсианского общества используют базу FMARS для тестирования методов разведки на острове Девон, одном из самых похожих на Марс участков на Земле (фото автора)

Вопрос истории

Установление на Марсе первого форпоста землян станет самым историческим деянием нашего времени. Люди во всем мире сегодня помнят Фердинанда и Изабеллу только потому, что они связаны с путешествием Христофора Колумба. В противоположность этому количество людей, которые могут назвать предшественников и преемников Фердинанда и Изабеллы, крайне мало, и все войны, жестокости, дворцовые перевороты, скандалы, взлеты и банкротства, которые, должно быть, казались так важны для людей того времени, сегодня почти забыты. Аналогичным образом, почти никто через пятьсот лет не будет знать, для чего была предпринята операция «Одиссея. Рассвет», не говоря уже о деле «Уайтуотер», за что велись войны в Ираке или Афганистане, какой была в XXI веке национальная система здравоохранения США и как формировался государственный бюджет. Но люди грядущих веков будут помнить тех, кто впервые попал на Марс и поселился там, и народ, который сделал это возможным.

Когда я был мальчиком, я читал много книг по классической истории. Я по-прежнему очень хорошо помню одну речь, которую Перикл, афинский полководец, произнес в честь погибших в конце второго года отчаянной войны Афин со Спартой. Он обратился к собравшимся родственникам: «Эти люди, ваши сыновья и мужья, мертвы, и я понимаю, что вы печальны. Но посмотрите на то, за что они умерли: они умерли за Афины. А что это, как не город, который призывает свой народ быть гражданами, а не просто жителями, который прославляет философию, науку и разум и который позволяет своему народу жить хорошо, помня о своем долге и праве – быть в полной мере человеком». И тогда Перикл сказал: «Будущие века будут восхищаться нами так же, как и нынешний век восхищается нами сейчас».

Хотя Афины вскоре оказались уничтожены как крупная держава, Перикл был прав: люди по-прежнему ими восхищаются спустя более двух тысяч лет, несмотря на все накопленные технологические и культурные достижения. Что ж, если мы сделаем свою работу и откроем новый мир для человечества, то две тысячи лет спустя, вероятно, люди будут жить не только на Земле и Марсе, но и на многих других планетах нашей Галактики. У этих людей будут технологии и способности, которые показались бы нам такими же магическими, какими наши технологии выглядели бы для жителя Афин времен Перикла. Но если все поразительные умения сделаем возможными именно мы, то люди грядущего, живущие в мирах среди мириада цивилизованных звезд, будут оглядываться на наше время и удивляться нам.

Эпилог

Значение марсианской территории

Чуть больше ста лет назад молодой профессор истории из тогда сравнительно малоизвестного Университета штата Висконсин приготовился выступить на ежегодной конференции Американской исторической ассоциации. Доклад Фредерика Джексона Тернера был последним в вечерней сессии. Ему предшествовала длинная вереница утомительных выступлений, однако большинство участников конференции осталось, чтобы послушать Тернера. Возможно, прошел слух, что будет сказано что-то важное. Так и оказалось: Тернер продемонстрировал блестящее понимание основ американского общества и американского характера. Источником эгалитарной демократии Америки, индивидуализма и духа новаторства были не правовые теории, прецеденты, традиции, национальный запас, сказал он. Им было существование границ.

«Американский интеллект обязан своими поразительными качествами фронтиру, – сказал Тернер. – Эта грубая сила, соединенная с проницательностью и любознательностью; этот практический, изобретательный склад ума, быстро находящий средства для достижения результатов; это мастерское понимание материального мира, лишенное артистизма, но неудержимое на пути к целям; эта неугомонная нервная энергия; этот господствующий индивидуализм, работающий во благо и на зло; и в то же время эти жизнерадостность и избыток чувств, которыми сопровождается свобода, – всё это особенности фронтира или же свойства, которые нужны в других местах в связи с его существованием».

Тернер продолжал, подходя к самой сути, «На границе на мгновение рушатся привычные связи, и необузданность торжествует. Там уже нет места неизведанному. Там есть упрямая американская среда со своим властным вызовом принять условия фронтира, там также есть унаследованный образ действия, и все же, несмотря на эту окружающую среду и несмотря на обычаи, каждая граница действительно предоставляет новую возможность, лазейку для побега из рабства прошлого. Там, где есть граница, есть и свежесть, и уверенность, и презрение к старому обществу, нетерпимость к его ограничениям и его идеям и равнодушие к его урокам».

«Как Средиземное море было для греков тем, что разрушало рамки обыденного, предлагало новые впечатления, вызывало появление новых институтов и видов деятельности, так и граница и новые территории значимы для Соединенных Штатов, если не сказать больше» [54].

Идеи Тернера стали интеллектуальной сенсацией, создавшей в течение нескольких лет целую школу историков – они показали, что не только американская культура, но прогрессивная гуманистическая цивилизация, которую представляет и Америка, появились главным образом благодаря великой границе глобального заселения, перед которой Европа оказалась в эпоху Великих географических открытий.

Тернер опубликовал свою статью в 1893 году. Всего за три года до этого, в 1890 году, американская граница была объявлена закрытой: линия заселения, которая всегда определяла будущее западной экспансии, фактически встретилась с линией заселения, проходящей к востоку от Калифорнии. Сегодня, чуть более века спустя, снова встает вопрос, заданный Тернером: что делать, если границ действительно больше нет? Что произойдет с Америкой и всем, за что она ратует? Может ли свободное, эгалитарное, инновационное общество выжить в отсутствие места для роста?

Возможно, вопрос был преждевременным во времена Тернера, но не сейчас. Мы видим, как наше общество постепенно теряет былую энергичность: коснеют властные структуры, бюрократизация пронизывает все уровни жизни, политические институты не справляются с крупными проектами, множатся правила, регулирующие все аспекты общественной, частной и коммерческой жизни, распространяется иррационализм, все более пошлой становится популярная культура, люди все меньше готовы рисковать, заботиться о себе или думать самостоятельно, страны настигает экономический застой и упадок, технологические новшества внедряются все медленней… Куда ни посмотри, все говорит об одном и том же.

Без фронтира, который вдохнет в человечество новую жизнь, исчезает дух, породивший прогрессивную гуманистическую культуру, которую представляла Америка в течение последних двух столетий. Речь идет не только о потере для одной нации – прогресс нуждается в авангарде, а никаких новых целей в поле зрения нет.

Создание новой границы, появление новой территории, таким образом, представляет собой величайшую социальную потребность Америки и всего человечества. Ничто не может быть более важным: какие бы паллиативы мы не применяли, без границ, в которых можно расти, не только американское общество, но и вся цивилизация, основанная на ценностях гуманизма, науки, свободы и прогресса, в конечном счете погибнет.

Я считаю, что новым фронтиром для человечества может стать только Марс.

Но почему не Земля, ее океанские глубины или отдаленные районы, например Антарктида? Действительно, мы можем заселить дно мирового океана или Антарктиду, и это будет проще и удобнее, чем создавать марсианские колонии. Но подобные разработки в текущий исторический момент не могут удовлетворить потребность человечества во фронтире, они недостаточно отдалены, чтобы обеспечить свободное развитие нового общества. В нашу эпоху с ее коммуникационными и транспортными системами не важно, насколько труднодоступно или сурово место, если оно на Земле, то оно расположено слишком близко. Чтобы вернуть себе чувство собственного достоинства, присущее создателям нового мира, люди должны освободиться от старого.

Марс идеально для этого подходит. Он достаточно далеко, чтобы освободить своих колонистов от интеллектуального или культурного доминирования старого мира, и в отличие от Луны достаточно богат ресурсами, которые поспособствуют рождению новой ветви человеческой цивилизации. Как мы уже видели, хотя Красная планета может на первый взгляд показаться ледяной пустыней, на ней есть все необходимое, чтобы создать передовую технологическую цивилизацию. Марс расположен далеко и может быть заселен. Тот факт, что Марс может быть заселен и преобразован, делает его новым миром, где можно заложить основу для светлого будущего земного человечества на ближайшие несколько веков.

Почему человечество нуждается в Марсе

Все стремилось преобразовать их; новые законы, новый образ жизни, новый общественный строй; здесь они станут мужчинами.

Жан де Кревкер. Письма американского фермера, 1782

Суть гуманистического общества заключается в том, что жизнь и права каждого человеческого существа считаются бесценными. Эта идея в течение нескольких тысяч лет составляла основу философии западной цивилизации, начиная с греческой и иудохристианской идей божественной природы человеческого духа. Тем не менее этот подход не породил новой организации общества до тех пор, пока великие исследователи эпохи Великих географических открытий не распахнули двери Нового Света, где спящие семена гуманизма, содержавшиеся в средневековом христианстве, могли прорасти и расцвести пышным цветом.

Проблема христианства в том, что оно консервативно – как пьеса, для которой написан сценарий и главные роли уже распределены. Проблема заключалась не в том, что природных ресурсов недоставало – средневековая Европа не была густонаселена, и там хватало лесов и других незаселенных областей, – проблема заключалась в том, что все ресурсы кому-то уже принадлежали. Был выбран правящий класс и набор правящих институтов, а вместе с ними были выбраны идеи и обычаи, и по закону «выживает главнейший» каждому предназначалось свое место. Были распределены роли второго плана, назначены певцы, а ролей в пьесе имелось не так уж много. И тем более там не было места для людей без роли.

Новый Свет стал местом, свободным от устаревших правящих институтов. Теперь актеров ничто не ограничивало, они могли стать драматургами и режиссерами. Тем, кому повезло поучаствовать в этом представлении, удалось не только раскрыть свои таланты, но и перевернуть представления зрителей о возможностях актеров. Люди, которым не было места в старом обществе, могли сами найти свою роль в новом. Люди, которые не «вписывались» в общество Старого Света, могли обнаружить и продемонстрировать, что они далеко не бесполезны, а напротив, бесценны в Новом.

Новый Свет разрушил основу власти аристократов и создал базу для развития демократии. Он способствовал разнообразию, он разрушил границы интеллектуально замкнутого мира с помощью импорта запретных ранее знаний и опыта. Он сделал возможным прогресс, избегая влияния тех институтов, власть которых держалась на обстановке застоя, и способствовал прогрессу тем, что инновации в условиях ограниченных человеческих ресурсов стали необходимы. Повысилась ценность труда и вместе с ней статус работника, и все увидели, что люди сами могут построить себе новый мир. В период с колониальных времен до XIX века, когда быстро возводились города, люди поняли, что Америка – не просто страна, в которой они живут, но страна, которую они помогали строить. Люди были не просто жителями своего мира. Они были его создателями.

Повесть о двух мирах

Рассмотрим вероятную судьбу человечества в XXI столетии при двух условиях: с марсианской границей и без нее.

Нет сомнений, что без марсианских территорий в XXI веке культурное разнообразие серьезно снизится. Уже в конце XX века продвинутые коммуникационные и транспортные технологии стали разрушать здоровое разнообразие человеческих культур на Земле. Поскольку технология позволяет нам сблизиться, мы становимся все более похожими. Мы не удивляемся, обнаружив Макдональдс в Пекине, услышав музыку кантри-энд-вестерн в Токио или увидев коренного жителя Амазонки в футболке с Майклом Джорданом на спине.

Объединение различных культур может быть здоровым, иногда такие слияния приводят к временному расцвету в сфере искусства и других областях. Но оно может и увеличить межнациональную напряженность. Но, несмотря на то что энергия, выделяемая при слиянии культур, расходуется в краткосрочной перспективе, в долгосрочной перспективе важно то, что эта энергия может быть израсходована. Аналогией культурной гомогенизации служит подключение провода между клеммами батареи. За короткое время сгенерируется много тепла, но, когда потенциалы сравняются, будет достигнуто состояние максимальной энтропии и батарея разрядится. Классическим примером такого явления в истории человечества является Римская империя [55]. Золотой век, наступивший в результате объединения, часто сменяется стагнацией и упадком.

Тенденция к культурной гомогенизации на Земле может только ускориться в XXI столетии. Кроме того, из-за быстрых коммуникационных и транспортных технологий, стирающих межкультурные барьеры, станет попросту невозможной та степень разделения, которая требуется, для того чтобы создать новые и уникальные культуры на Земле. Однако, если марсианская граница будет открыта, тот же процесс развития технологий также позволит нам создать новую, самобытную и динамичную ветвь человеческой культуры на Марсе и в конечном счете даже в других мирах. Драгоценное разнообразие человечества, таким образом, может быть сохранено при более широком охвате территорий, и только так. Один мир просто окажется слишком мал, чтобы сохранять или тем более создавать разнообразие, которое не только делает жизнь интересней, но и служит залогом выживания человеческой расы.

Без открытия новых границ на Марсе западная цивилизация также столкнется с риском технологической стагнации. Некоторым это заявление может показаться довольно спорным, поскольку развитие технологий в наши дни поражает воображение. Однако на самом деле скорость прогресса в нашем обществе стремительно снижается. Чтобы убедиться в этом, нужно лишь сделать шаг назад и сравнить изменения, которые произошли в последние тридцать пять лет, с теми, которые произошли в предшествующие им тридцать пять, и с теми, что произошли еще за тридцать пять лет до того. Между 1905 и 1940 годами мир изменился революционно: города были электрифицированы, появились стиральные машины и холодильники, телефоны и радиовещание стали обычным делом, распространились домашние стереосистемы, звуковое кино превратилось в новую грандиозную форму искусства, автомобили заполнили дороги, а авиация прошла путь от самолета братьев Райт к пассажирскому самолету «Дуглас DC-3» и истребителю «Хокер Харрикейн». Между 1940 и 1975 годами мир вновь изменился из-за появления компьютеров, телевизоров, антибиотиков, ядерной энергетики, «Боинга-727», SR-71s, ракет «Атлас», «Титан» и «Сатурн», спутников связи, межпланетных аппаратов и пилотируемых полетов на Луну. По сравнению с этими изменениями технологические инновации с 1975-го по настоящее время кажутся незначительными. В течение этого периода должны были произойти огромные изменения, но не произошли. Если бы мы следовали по технологической траектории предыдущих семидесяти лет, сегодня у нас были бы летающие автомобили, поезда на магнитной подушке, или маглевы (от словосочетания «магнитная левитация»), роботы, термоядерные реакторы, гиперзвуковые межконтинентальные путешествия, надежные и недорогие перевозки на орбиту Земли, подводные города, марикультура в открытом море и человеческие поселения на Луне и Марсе. Вместо этого сегодня мы видим, как развитие важных технологических разработок, таких как ядерная энергетика и биотехнологии, тормозится, тонет в скандалах – мы замедляемся.

Теперь рассмотрим зарождающуюся марсианскую цивилизацию: ее будущее будет критически зависеть от прогресса науки и техники. Так же как изобретения, порожденные нуждами американского фронтира, были мощной движущей силой мирового человеческого прогресса в XX веке, так «марсианская изобретательность», родившаяся в культуре, которая поощряет интеллект, практическую подготовку и решимость на пути к цели, обеспечит множество научно-технологических прорывов, которые резко изменят к лучшему условия жизни человека в XXI столетии.

Яркий пример того, как марсианская территория подстегивает развитие новой технологии, мы, несомненно, увидим в сфере производства энергии. Как и на Земле, достаточный запас энергии будет иметь решающее значение для марсианских поселений. Красная планета обладает одним существенным энергетическим ресурсом, о котором мы в настоящее время знаем: это дейтерий, который может быть использован в качестве топлива в почти безотходных реакторах на термоядерном синтезе. На Земле тоже есть большие запасы дейтерия, но при всех существующих инвестициях в другие, более грязные виды производства энергии исследования, которые сделали бы возможным практическое применение термоядерных реакторов, по-прежнему заброшены. Марсианские колонисты, несомненно, будут гораздо более заинтересованы в термоядерной энергии и, двигаясь в направлении разработки реактора, принесут колоссальную пользу также и материнской планете.

Параллель между Марсом и американским фронтиром XIX века в качестве движущей силы для развития технологий проводят крайне редко, скорее даже наоборот. Америка была двигателем технического прогресса в прошлом веке, так как ее западная граница создавала вечный дефицит рабочей силы на Восточном побережье. Это заставляло развивать автоматизацию производства и государственное образование. В современной Америке все не так. Иммиграция больше не поощряется, и создается большой сектор услуг бюрократов и разнорабочих, призванный поглотить энергию той части населения, участие которой в производящих отраслях экономики уже не нужно. Таким образом, начиная с конца XX века все в большей степени в наши дни каждый новый гражданин становится для государства бременем.

И напротив, на Марсе XXI века возникнет огромная нехватка рабочей силы. Действительно, можно с уверенностью говорить, что там не будет товара более ценного, чем рабочее время человека. Рабочим на Марсе станут платить больше и обращаться с ними лучше, чем с их коллегами на Земле, и образование будет стремиться к более высокому стандарту, чем когда-либо на родной планете. Так же как пример Америки XIX века изменил отношение к обычному человеку в Европе, влияние прогрессивного марсианского общества может ощущаться на Земле, как и на Марсе. Красная планета может установить новый стандарт для высшей формы гуманистической цивилизации, и, рассматривая его издалека, граждане Земли будут справедливо требовать не меньшего и для себя.

Фронтир повлиял на развитие демократии в Америке, создав самодостаточное население, которое настаивало на праве самоуправления. Весьма сомнительно, что демократия может сохраняться без таких людей. В современной Америке действительно в изобилии имеются демократические ловушки, но крайне желательно, чтобы в процессе управления страной принимали участие мыслящие люди. Учтите, что с 1860 года президентом Соединенных Штатов ни разу не выбирали представителя новой политической партии. Местные политические объединения и административные структуры, которые когда-то позволили гражданам принимать участие в партийных обсуждениях, исчезли. И при среднем показателе перевыборов в 90 % Конгресс США вряд ли точно отражает волю избирателей. Кроме того, независимо от решений Конгресса реальные законы, охватывающие все более широкие области экономической и социальной жизни, все чаще пишутся множеством контролирующих органов, чьи должностные лица даже не притворяются, что были кем-то избраны.

Демократия в Америке и в других странах западного мира нуждается в толчке к развитию. Этим стимулом может стать только пример людей фронтира, чья цивилизация объединена той же идеей, что когда-то вдохнула жизнь в американскую демократию. Как американцы указали путь Европе в прошлом веке, так в следующем марсиане могут указать нам путь, уводящий от олигархии и стагнации.

В замкнутом мире есть и большие угрозы для гуманистического общества, чем возвращение олигархии, и если граница остается закрытой, мы обязательно столкнемся с ними в XXI столетии. Эти угрозы – распространение различного рода антигуманистических идеологий и развитие политических институтов, воплощающих такие идеологии, но не ведущих открытую пропаганду. В верхней части списка таких разрушительных идей, которые имеют тенденцию распространяться естественным образом в закрытом обществе, находится теория Мальтуса, согласно которой по причине более или менее ограниченного количества мировых ресурсов рост населения и уровень жизни должны быть ограничены, или все мы погрузимся в безграничные страдания.

Мальтузианство является научно несостоятельным – все предсказания, сделанные на его основе, были неверны, потому что человеческие существа – не просто потребители ресурсов. Скорее, мы создаем ресурсы, разрабатывая новые технологии, и находим для них применение. Чем больше людей, тем выше скорость появления нового. Именно поэтому (в противовес теории Мальтуса) с ростом мирового населения растет уровень жизни, причем ускоренными темпами. Тем не менее в закрытом обществе мальтузианство выглядит самоочевидной истиной, и в этом заключается опасность. Недостаточно абстрактно приводить доводы против мальтузианства. Когда люди не видят, сколько перед ними неиспользуемых ресурсов, вера в их ограниченность становится обыденной. И если такое представление станет повсеместным, то каждый человек в конечном счете будет врагом любому другому человеку, и каждая раса или нация будет врагом любой другой расе или нации. Результатом может стать тирания, война и даже геноцид. Все люди могут быть братьями только в мире неограниченных ресурсов.

Марс манит

«Недавно мы очнулись от эйфории, порожденной глобальной экономикой, не думая о ее последствиях, о том, насколько мы несчастны, осознавая всё это. Было бы куда веселей, если бы пришла новость о том, что из-за какой-то причуды Солнечной системы другой мир мягко вторгся на нашу орбиту и придвинулся так близко, что можно построить мост и шагнуть на новые незаселенные континенты, выйти к новым неизведанным морям. Захотят ли снова те энергичные иммигранты освоить новые горизонты, так же как и раньше, или же они займутся устранением причин недовольства старым миром, используя новый билль о правах? Доступность такой новой планеты продлила бы, а то и спасла цивилизацию, основанную на движении, и люди снова наслаждались бы очарованием свободы…

Выло бы очень интересно порассуждать, что человеческое воображение собирается делать с миром без границ, где оно должно искать свое вдохновение в единообразии, а не в изменчивости, в одинаковости, а не в контрасте, в безопасности, а не в риске, изучая безвредные нюансы известного, а не опасные тайны неизвестных морей или континентов. Мечтатели, поэты и философы – не что иное, как инструменты, которые озвучивают и выражают надежды, чаяния и опасения народа.

Люди собираются отвергнуть эту границу с такой убежденностью, что нельзя выразить словами. Четыре столетия они слышали ее призыв, слушали ее обещания, бились об заклад о том, чем это все закончится, ставя на кон жизнь и судьбу. Но граница больше не зовет…»

Уолтер Прескотт Уэбб. Великая граница, 1951

Западная гуманистическая цивилизация, какой мы ее знаем сегодня, родилась и выросла в состоянии динамичной экспансии, и только в нем она способна существовать. Хотя некоторые формы человеческого общества могут сохраняться в нерасширяющемся мире, они не будут способствовать свободе, творчеству, индивидуальности или прогрессу. Столь мрачные предсказания могут показаться возмутительными, но ведь почти за всю свою историю большая часть человечества была вынуждена терпеть подобные статические режимы, и это был неприятный опыт. Свободные общества в истории человечества скорее исключение – не считая изолированных групп, которые существовали только в течение четырех столетий приграничной экспансии Запада. Эта история подошла к концу. Граница, открытая плаванием Христофора Колумба, в настоящее время закрыта. Если мы не хотим, чтобы эпоху западного гуманистического общества историки будущего рассматривали как короткий золотой век, яркую вспышку в бесконечной серой хронике человеческих страданий, то должна быть открыта новая граница. Марс манит.

Но Марс – это только одна планета, и если бы возможности человечества увеличивались так, как они могли бы возрастать в эпоху открытой марсианской границы, работа по его преобразованию и заселению вряд ли заняла бы наши силы на срок больший, чем три или четыре столетия. Предоставляет ли тогда заселение Марса просто-напросто возможность «продлить, но не спасти жизнь цивилизации, основанной на динамичности»? Значит ли это, что гуманистическая цивилизация в конечном счете все равно обречена? Думаю, нет.

Вселенная огромна. Ее ресурсы, если мы можем получить к ним доступ, бесконечны. В течение четырех столетий открытой границы на Земле наука и техника развивались с поразительной скоростью. Технологические возможности, достигнутые в течение XX века, показались бы невероятными нашему предку из XIX века, превзошли бы мечты человека из XVIII, а еще сто лет назад представлялись бы чистым колдовством. Ближайшие звезды невероятно далеки, примерно в 100 000 раз дальше, чем Марс. Хотя Марс сам по себе примерно в 100 000 раз дальше от Земли, чем Америка от Европы. Если последние четыре века прогресса настолько умножили скорость нашего передвижения, не смогут ли еще четыре века свободы сделать то же самое снова? Существуют достаточные основания полагать, что они смогут.

Заселение Красной планеты будет стимулировать развитие еще более быстрых вариантов передвижения в космосе, терраформирование Марса будет стимулировать развитие новых и более мощных источников энергии. Это, в свою очередь, откроет нам дорогу во внешнюю Солнечную систему, и все более трудные задачи будут подталкивать работу над двумя ключевыми технологиями: энергии и реактивного движения. Дело в том, чтобы не позволить процессу остановиться. В противном случае общество кристаллизуется в статическую форму, которая враждебна прогрессу. Именно таково определение настоящей эпохи – эпоха кризиса. Наша старая граница закрыта. Отчетливо видны первые признаки социальной стагнации. Тем не менее прогресс, хоть и замедляющийся, существует до сих пор: люди до сих пор верят в него, и государство пока не слишком ему мешает.

Мы по-прежнему обладаем большим даром, наследием Ренессанса, а именно, способностью инициировать другой ренессанс, открыв марсианскую границу. Если нам это не удастся, у нашей культуры еще долго не будет такой возможности. Марс суров. Тем, кто его заселит, понадобятся не только технологии, но научное мировоззрение, творческие способности и вольнодумная изобретательность, которые стоят за ними. Марс не позволит заселить себя людям из статического общества – у тех людей не будет того, что ему нужно. У нас есть это до сих пор. Сегодня Марс ждет детей старой границы. Но Марс не будет ждать вечно.

Специальное дополнение

Находки в марсианском метеорите 1996 года

Нам не нужно ждать, пока миссия доставки марсианского грунта непосредственно изучит марсианскую геологию. Несколько кусочков Красной планеты взяли на себя труд прилететь сюда. В 1996 году один из них, двухкилограммовый камень, известный как ALH84001, вызвал настоящий переполох.

История ALH84001 заключается в следующем. Порода образовалась на глубине в километр или два под поверхностью Марса около 4,5 миллиарда лет назад, вскоре после формирования самой планеты. Около 3,6 миллиарда лет назад он был отколот, вероятно, в результате метеоритного удара и отлетел не слишком далеко от изначального расположения. Затем, около 26 миллионов лет назад, еще один удар выбросил его с Марса и заставил летать в космосе до тех пор, пока не камень не столкнулся с Землей и 13 000 лет назад не приземлился в Антарктиде. Все эти факты стали известны благодаря различным видам химического анализа и методам датировки по изотопному составу. Например, марсианское происхождение метеорита доказано по соотношению изотопов кислорода и открытию полостей, заполненных газом, состав которого соответствует составу атмосферы Марса по измерениям миссии «Викинг». Время его образования поддерживается и отношениями самарий – неодим и рубидий – стронций, которые позволяют определять возраст породы, поскольку являются парами из материнского и дочернего элементов радиоактивного распада. Подобные изотопные отношения материнских и дочерних элементов указывают дату удара, отколовшего будущий метеорит от родительского тела, хотя и с меньшей точностью. Время, проведенное на Земле после падения, может быть определено с помощью обычного радиоуглеродного анализа содержания углерода-14, а время, проведенное в космическом полете, известно благодаря изменению изотопного состава, вызванного космическими лучами. Сложение этих двух последних показателей дает нам дату выброса метеорита с родительской планеты. Таким образом, основная хронология карьеры ALH84001 не подлежит сомнениям [56].

Геолог Роберта Скор из антарктической метеоритной программы Национального научного фонда нашла камень на холмах Аллана в Антарктиде в начале 1984 года (отсюда и название, ALH84001). Несмотря на то что он сразу же был определен Скором как аномальный, камень поместили в холодное хранилище в Космическом центре имени Джонсона НАСА и более или менее забыли о нем. Там он оставался до 1993 года, когда его образец был по ошибке доставлен исследователю метеоритов Дэвиду Митлфельдту, который заказал для экспертизы другой камень как часть его программы изучения диогенитов. Митлфельдт увидел в породе вкрапления карбонатов и понял, что ALH84001 не был обычным метеоритом, он был одним из тех редчайших (один на тысячу) метеоритов, которые прилетают на Землю с Марса.

Таким образом метеорит ALH84001 был спасен от забвения с помощью процесса, в чем-то сходного с работой судебной системы старой Австро-Венгерской империи («деспотизм сдерживается неэффективностью»), и стал предметом специального изучения группы исследователей.

К августу 1996 года команда, состоящая из ученых Космического центра Джонсона Дэвида Маккея, Эверетта Гибсон, Кэти Томас-Кептра и Криса Романэка и химика из Стэнфордского университета Ричарда Зэра, написала о своих исследования статью в журнал «Сайенс» [57, 58], показывая замечательные результаты. Согласно статье, материал ALH84001 показывал, что 3,5 миллиарда лет назад на Марсе были бактерии. Открытие такой величины имело очевидные политические последствия, и поэтому команда побеседовала с руководителем НАСА Дэном Голдином. Вслед за этим Голдин проинформировал вице-президента Альберта Гора, и сигнальный экземпляр статьи оказался в руках политтехнолога Белого дома, чья любовница разболтала о нем прессе. Таким образом, секрет, который более года хранила довольно значительная группа в научном сообществе (я, не имея никакого отношения к этой работе, что-то услышал о ней только летом 1995 года), просочился в прессу в течение недели после того, как стал известен в Белом доме. Чтобы предотвратить искаженное освещение вопроса в прессе, команде пришлось созвать пресс-конференцию и рассказать о своем открытии до официальной публикации.

Пресс-конференцию провели в штаб-квартире НАСА 6 августа 1996 года. Руководитель НАСА Дэн Голдин представил собравшимся выступающих: Маккея, Гибсона, Томас-Кептра и Зэра, а также приглашенного в качестве оппонента-скептика известного палеобиолога профессора Дж. Уильяма Шопфа, директора Центра по изучению эволюции и происхождения жизни Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Представленный набор данных, свидетельствующий в пользу существовавшей когда-то биологической активности, включал содержавшиеся в метеорите карбонатные глобулы, органические полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), фотографии небольших структур, напоминающих ископаемые бактерии, и кристаллы минералов, включая пирротин, грейгит и магнетит, которые часто имеют биологическое происхождение. Я кратко опишу каждое из этих свидетельств по очереди.

Карбонаты

Карбонаты образуются в результате реакции между водой, в которой содержится углекислый газ, и камнями. Нет никаких сомнений, что карбонаты присутствуют в АГН84001. Это свидетельство не жизни как таковой, но существования водной среды, которая могла поддерживать жизнь. Исследователи утверждают, что карбонаты образуются при температурах ниже 80 °C, приемлемых для жизни. Скептики предложили альтернативные механизмы, благодаря которым карбонаты могли образоваться при температурах, достигающих 450 °C, возможно, во время одного из импактных событий (имеется в виду столкновение двух тел. – Прим. пер.). Однако грейгит и ПАУ в образце разрушились бы при таких температурах, так что это высокотемпературное объяснение не согласуется с имеющимися данными. Кроме того, исключение карбонатов в ALH84001 из рассмотрения кажется неуместным. Благодаря орбитальной съемке признаков водной эрозии мы знаем, что 3,5 миллиарда лет назад на Марсе существовала жидкая вода и в этой воде почти наверняка было растворено много двуокиси углерода. Поэтому было бы удивительно, если бы метеорит с Марса того периода не содержал бы карбонаты. В любом случае существование водной среды на древнем Марсе, демонстрируемое карбонатами, не подлежит сомнению.

ПАУ

ПАУ – органические молекулы, но это не означает, что они были созданы жизнью. Они обнаруживаются в обычных метеоритах, и сторонников их биологического происхождения очень мало. Кроме того, некоторые не воспринимали всерьез ПАУ в ALH84001, утверждая, что они могли быть результатом земного загрязнения. Зафиксированные в ALH84001 молекулы представляют собой далеко не полный спектр ПАУ, найденных в земных загрязняющих примесях, и содержание ПАУ в ALH84001 примерно в тысячу раз превышает концентрации, обычно обнаруживаемые в арктических или антарктических образцах, которые были загрязнены атмосферой Земли. Кроме того, концентрация ПАУ в исследуемом метеорите увеличивается по мере продвижения от внешних частей к внутренним, это полностью противоположно картине, которую можно было бы наблюдать, если бы источником ПАУ было земное загрязнение. То есть эти ПАУ с Марса, но они не доказывают существование там жизни. Однако они показывают, что под поверхностью Марса в то время происходили органические химические процессы, а это само по себе очень интересно.

Структуры, похожие на ископаемые

Исследовали продемонстрировали фотографии, полученные с использованием электронного микроскопа. На снимках были видны образования, которые напоминали ископаемые. Одно из них даже поразительно напоминало кольчатого червя. Однако с этим набором данных две проблемы. Во-первых, как Шопф отметил на пресс-конференции, неорганические процессы часто могут создавать маленькие каменные структуры под названием «фулеры», которые выглядят как окаменелости, но ими не являются. Вторая проблема заключается в том, что похожие на ископаемые детали ALH84001 на порядок меньше, чем любая известная бактерия. Поэтому есть основания утверждать, что они не могут быть ископаемыми, поскольку невозможно упаковать все биохимические структуры, необходимые для создания бактерии, в такой маленький объем. Я не думаю, что этот аргумент имеет силу. Это все равно, что сказать, будто беспрецедентно крупная рыба не может быть рыбой, потому что ни одна рыба до нее никогда не была такой большой. Более того, по причинам, которые я объясню ниже, я думаю, что поиски форм жизни или их окаменелостей, меньших и более простых, чем известные бактерии, как раз и являются наиболее важным видом экзобиологических исследований, которые следует проводить на Марсе. Поэтому исключать такие вещи, раз уж мы их обнаружили, это плохая идея. Однако при этом нет никаких доказательств того, что образования, наблюдаемые в ALH84001, действительно являются ископаемыми.

Возможные биогенные минералы

Как уже отмечалось, исследования показали, что ALH84001 содержит некоторое количество наборов крошечных кристаллов различных минералов, в том числе магнетита и пирротина, которые находят на Земле главным образом как продукты бактериальной активности. К сожалению, они также могут появиться в результате неорганических процессов. Выяснилось, что некоторые карбонаты из области, где были найдены минералы, по всей видимости, разрушены кислотами, которые могут указывать на условия рН, которые несовместимы с основными химическими процессами, необходимыми для осаждения магнетита и пирротина с помощью неорганических соединений. Шопфа, однако, результаты не убедили. Эти два события могли произойти в разное время. «Если вы хотите доказать, что такие минералы имеют биологическое происхождение, – сказал он, – необходимо показать, что они осаждались в виде линейных образований, или цепей, которые являются отличительным признаком жизни». Исследователи этого не сделали.

Таким образом, хотя они и зафиксировали четыре интересных явления, которые могут иметь отношение к биологии, ни одно из них в отдельности не доказывало, что ALH84001 содержал остатки живых организмов. Однако команда исследователей утверждала, что, если рассматривать эти явления в совокупности, самым простым объяснением для всех них будет биологическая активность. Но Шопф, как и многие другие ученые, не был согласен с приведенными доказательствами. Цитируя известное изречение, приписываемое Карлу Сагану, он сказал: «Экстраординарным заявлениям требуются экстраординарные подтверждения».

Так что линии фронта были размечены, команда исследователей ALH84001 и их сторонники пытались расширить или защитить свои доказательства, а многочисленные скептики старались их разоблачить. В результате этого противостояния генерировалось больше тепла, чем света. Например, на конвенции Марсианского общества в Торонто в августе 2000 года состоялись дебаты между Саймоном Клеметтом, коллегой химика Ричарда Зэра и членом команды исследователей, и профессором Ральфом Харви из университета Кейс Вестерн Резерв, острым на язык скептиком. Харви был гораздо более опытным спорщиком и, казалось, одерживал верх над Клеметтом, но на поверку многие из его доводов оказались безосновательными. Например, Харви высмеял факт, что команда исследователей выбрала для публикации только те немногочисленные фотографии метеорита, где были видны предполагаемые микроископаемые. Это заявление было абсурдным. Если вы хотите показать, что олени живут в лесу, вам нужно показать только те фотографии, на которых появляются олени. Отбрасывать фотографии, не содержащие нужных объектов, совершенно естественно.

И все же одним из положительных аспектов спора стало то, что в его результате было проведено самое углубленное исследование метеорита за всю историю. В рамках этого исследования профессор Джозеф Киршвинк из Калифорнийского технологического университета сделал важное открытие. Он нашел химическое подтверждение того, что в ходе своего путешествия с момента выброса с Марса и до попадания на Землю большие части камня никогда не нагревались выше 40 °C (104 °F) [59]. Это подтверждало более ранние теоретические расчеты профессора Джея Мелоша из Университета штата Аризона, который на основе расчетов ударных взаимодействий предсказал, что куски горных пород могут быть выброшены планетой, не испытав чрезмерного нагрева [60]. Экспериментальное подтверждение Киршвинка математических выкладок Мелоша очень важно, поскольку это означает, что вещество может перемещаться между планетами, не подвергаясь стерилизации. Таким образом, если в ALH84001 были бактерии во время его выброса Марсом, они могли бы пережить путешествие на Землю.

Конечно, ALH84001 прибыл на Землю только 13 000 лет назад, и любые марсианские организмы, прибывшие верхом на нем, были бы встречены ордами земных бактерий, полностью адаптированных к окружающей среде своей родины и стремящихся съесть странных пришельцев. Но как насчет более далекого прошлого? Марсианские камни падали на Землю (а земные камни – на Марс) с рождения Солнечной системы. Меньший по размеру Марс охладился из своего первоначального расплавленного состояния раньше, чем это сделала Земля. У жизни был бы шанс возникнуть на Марсе прежде, чем на Земле. Так что, если марсианские бактерии попали на Землю раньше, чем здесь появились местные бактерии, которые могли им противостоять? Что если жизнь на Землю пришла с Марса? Открытие Киршвинка свидетельствует в пользу того, что вероятность этого очень велика.

Тогда, осенью 2000 года, эту сенсационную гипотезу стали обсуждать. Одним из самых именитых ее сторонников был астробиолог Имре Фридман. В 1974 году Фридман, по существу, основал астробиологию как науку, обнаружив первые известные криптоэндолитические организмы – бактерии, способные выживать в крайне холодных и сухих средах, скрываясь внутри камня (отсюда название крипто-эндо-лит), – в образцах горных пород, включенных в число личных вещей ученого-исследователя Вольфа Вишняка, который разбился во время поисков жизни в скалах Антарктиды в декабре 1973 года [61, 62]. К концу 1990-х годов Фридман был уже в годах, но, как покажут события, мог постоять за себя. И еще как.

Шопф проигнорировал заявления о магнетите первой команды ALH84001, потому что она не нашла ни одного линейного образования или цепи. Кристаллы магнетита, образованные чувствительными к магнитному полю бактериями, укладываются в цепи. В противоположность этому, магнетитовые кристаллы, образованные не биологическими процессами, не имеют такой геометрической организации.

Фридман нашел магнетитовые цепи. Они действительно были в этом метеорите, и в статье, опубликованной в феврале 2001 года, ученый показал их миру [63]. Мало того, команда Фридмана (состоящая из Фридмана, Яцека Вирзхоса из Университета Льейды, Испания, Кармен Аскасо из мадридского Центра наук об окружающей среде и Майкл Винкльхофер из Геофизического института Мюнхенского университета) сообщила, что обнаружила набор критериев, который очень убедительно указывал на биологическое происхождение цепей. Эти критерии, «которые не могли присутствовать в абиотически сформированных цепях кристаллов магнетита (такие цепи никогда еще не наблюдались в природе)», были следующими: i) одинаковые размер и форма кристаллов в пределах цепей; ii) промежутки между кристаллами; iii) ориентация удлиненных кристаллов вдоль оси цепи; iv) следы ореола мембраны вокруг цепей и v) гибкости (искривление) цепей. Фридман и его коллеги не деликатничали: «Мы пришли к выводу что цепи непрозрачных для электронов частиц в ALH84001 являются "магнитными ископаемыми", поскольку ни одна другая последовательная версия не объясняет эти находки».

Несмотря на опровержения со стороны оппонентов, команда Фридмана действительно прекратила споры по поводу метеорита из Аллан Хиллз. Если экстраординарным заявлениям требуются экстраординарные подтверждения, они, разумеется, их предоставили. Однако в свете найденного Киршвинком доказательства того, что бактерии могут перемещаться между планетами, к 2001 году заявление о следах жизни в ALH84001 вовсе не было экстраординарным. В конце концов, мы знаем, что на Земле жизнь существовала 3,6 миллиарда лет назад, в то время, когда по Марсу текла вода. Кроме того, для ранней Солнечной системы были характерны более частые астероидные удары, которые могли обеспечить микроорганизмам подходящий транспорт. Так что на Марсе в то время должны были быть какие-то бактерии, причем именно с Земли. Настоящий вопрос заключается в том, что стало источником бактерий. Мы вскоре вернемся к этому.

Но, доказав присутствие «магнитных ископаемых» в ALH84001, команда Фридмана доказала существование в прошлом не просто жизни, а конкретной ее формы, чувствительных к магнитному полю микроорганизмов. Сейчас на Земле чувствительные к магнитному полю бактерии используют свои маленькие компасы, позволяющие перемещаться вверх и вниз, чтобы достичь места, где концентрация кислорода в жидкой среде подходит им лучше всего. Поэтому появились они только тогда, когда концентрация кислорода в атмосфере достигла значительного уровня – примерно 2,3 миллиарда лет назад. Читатели, которые знакомы с геологической историей, могут удивиться. В конце концов, хорошо известно, что фотосинтезирующие цианобактерии появились на Земле около 3,5 миллиарда лет назад. Почему на нашей планете так долго не начинался процесс обогащения кислородом? Причина в том, что фотосинтез, осуществляемый ограниченным количеством примитивных цианобактерий, не мог превзойти способность тектонических плит Земли возвращать фиксированное количество углерода в атмосферу в виде углекислого газа.

Выводы Фридмана, таким образом, говорят о том, что на Марсе свободный кислород присутствовал в значительных количествах более чем за миллиард лет до того, как он стал доступен на Земле. Это не слишком удивительно. Так как Марс по размеру меньше Земли, его тектоническая активность значительно слабее, сегодня она фактически почти отсутствует. Таким образом, Красная планета не возвращала в атмосферу биологически связанный углерод так же эффективно, как это происходило на Земле, и это могло дать примитивным цианобактериям шанс заполнить атмосферу планеты кислородом гораздо быстрее.

И вот начинается самое интересное. Исследования подтверждают, что скорость эволюции на Земле коррелировала с концентрацией кислорода в атмосфере. Между этими факторами существует четкая статистическая корреляция, но также между ними существует и логическая причинно-следственная связь. Наличие кислорода обеспечивает течение более энергичных химических реакций и, следовательно, существование более энергичных и сложных организмов. Например, если мы рассмотрим развитие животных, то каждое из этих сложных, дышащих кислородом существ представляет собой огромную систему дышащих кислородом ядерных клеток. Эти ядерные клетки, или эукариоты, сами представляют собой сложно организованные наборы подсистем, таких как митохондрии (клеточные генераторы энергии), которые когда-то в далеком прошлом были свободноживущими бактериями. Согласно ныне общепринятой теории, известной как симбиогенез, разработанной биологом Линн Маргулис из Бостонского университета, считается, что сложные ядерные клетки, из которых состоят все высшие животные и растения, сами возникли из колоний бактерий, эволюционировавших так, чтобы специализироваться на различных видах деятельности. Следовательно, бактерия имеет такое же отношение к животной (или растительной) клетке, как одноклеточные животные к многоклеточным животным [64].

При исследовании окаменелостей и геологических профилей было определено, что появление клеток, использовавших митохондрии, коррелирует с повышением концентрации атмосферного кислорода в диапазоне от 1 до 2 % нынешнего атмосферного уровня. Хлоропласты (органеллы, то есть специализированные структуры клетки, осуществляющие фотосинтез) появились примерно 2 миллиарда лет назад, когда уровень кислорода вырос до 5 % от современного. Около 600 миллионов лет назад, когда уровень кислорода возрос примерно до 20 % от нынешнего, многоклеточные животные ворвались на сцену с внезапностью, из-за которой их появление стали называть «кембрийским взрывом».

Значимость соотношения между уровнями атмосферного кислорода и марсианской эволюции была впервые выявлена астробиологом Крисом Маккеем в серии смелых статей, опубликованных в 1996 году [65, 66]. В этих статьях Маккей утверждал, что мы не должны воспринимать темпы эволюции на Земле как единственно возможную модель. Земле понадобились 3,2 миллиарда лет с окончания периода тяжелой астероидной бомбардировки, который начался 3,8 миллиарда лет назад, чтобы произвести многоклеточную жизнь, но так как скорость эволюции обусловлена присутствием кислорода, на Марсе этот процесс предположительно мог пойти гораздо быстрее. Теплый и влажный период юности Марса длился всего около 1 миллиарда лет, прежде чем атмосфера из CO_2 разредилась и планета потеряла свой благотворный парниковый эффект. На Земле эволюция, действуя в течение такого промежутка времени, могла только образовать бактерии. На Марсе при наличии больших количеств свободного кислорода эволюция могла бы пойти намного дальше. Она могла произвести ядерные клетки. Она даже могла произвести сложных многоклеточных животных и растения.

В 1996 году, когда Маккей предложил эти идеи, многие люди, в том числе и я, посчитали их слегка фантастичными. Но, когда Фридман продемонстрировал марсианские чувствительные к магнитному полю бактерии, взгляд на идеи Маккея изменился. Он показал, что на Марсе всего через 200 миллионов лет после окончания тяжелой бомбардировки были создания, аналогичные тем, что на Земле появились только через 1,6 миллиарда лет. Внезапно идеи Маккея показались не такими уж странными.

Марс и происхождение жизни на Земле

Происхождение жизни на Земле остается загадкой. Несмотря на столетия исследований, предпринимаемых бесчисленными учеными, так и не удалось получить хоть каких-то доказательств того, что на Земле есть или были когда-либо в прошлом любые свободно живущие микроорганизмы проще, чем бактерии. Поразительный факт: хотя о бактериях часто думают как о простейших формах жизни, на самом деле это очень сложные молекулярные машины, использующие хитроумные механизмы, чтобы обеспечить себе выживание, метаболизм, рост, размножение, мобильность и бесчисленное множество других функций. Таким образом исключено, что бактерии могут на самом деле представлять самые ранние формы жизни, которая возникла из химических соединений. Значит, был период предварительной эволюции, начавшейся с гораздо более простых форм – они развились в сложные организмы, которые мы называем бактериями. Тем не менее у нас есть хорошие окаменелые останки существовавших на Земле 3,5 миллиарда лет назад цианобактерий, по виду похожих на современные формы. То есть они появились всего через 300 миллионов лет после окончания тяжелой бомбардировки, которая делала зарождение жизни невозможным. Это чрезвычайно короткий срок, чтобы земные бактерии могли эволюционировать из химических соединений. К тому же окаменелости показывают, что в течение последующих 2 миллиардов лет темпы эволюции на нашей планете были гораздо медленнее.

С математической точки зрения очевидно, что наиболее быстрыми темпами эволюционные изменения в биосфере идут в настоящее время, и чем дальше мы заглядываем в прошлое, изучая известные окаменелости, тем медленнее, как показывают данные исследований, там идет эволюция. Таким образом, бактериям понадобились 2 миллиарда лет, чтобы развиться достаточно для появления ядерных одноклеточных организмов (эукариотов), и еще всего 900 миллионов лет, чтобы произвести первые настоящие многоклеточные растения и животных. В следующие 400 миллионов лет мы видим сложные сосудистые растения, рыб, амфибий, рептилий и предков млекопитающих, а в следующие 200 миллионов лет – деревья с семенами, травы, цветущие растения, динозавров, птиц, млекопитающих и человека. Как мы уже знаем, этот темп коррелирует с концентрацией кислорода в атмосфере. Но общая закономерность прослеживается еще в том, что чем более развитой становится жизнь, тем больше ее способность к еще ускоренной эволюции. Поэтому трудно представить, что простейшие формы жизни, которые предшествовали бактериям, сумели преодолеть огромную эволюционную пропасть, отделяющую органические соединения от сложных бактерий, в мгновение ока по геологическим меркам, а затем эволюция притормозила на следующие 2 миллиарда лет. Если уж на то пошло, простейшие предки бактерий, жившие в среде, лишенной кислорода, должны были добиваться эволюционного подъема самыми утомительными способами.

Кроме того, как упоминалось выше, на Земле не сохранилось примеров организмов этого класса. Это выглядит странно и не очень хорошо объясняется предположением, что подобные существа пришли в упадок из-за более высокоразвитых бактерий. В конце концов, несмотря на появление более сложных эукариотов, бактерии все еще очень многочисленны, и одноклеточные эукариоты живут довольно неплохо, несмотря на то что эволюция пошла дальше в сторону более сложных животных и растений. Сложность всегда достигается ценой затрат на эволюцию, оставляя достаточно места для более простых организмов, которые предшествуют более сложным формам.

Таким образом, хотя бактерии могли быть не первой формой жизни, и окаменелости, и текущие биологические исследования решительно поддерживают утверждение, что бактерии были на самом деле первой формой жизни на Земле. Единственный способ разрешить это противоречие – предположить, что бактерии эволюционировали не на Земле, но прибыли сюда полностью оформившимися из космоса. Эта гипотеза, широко известная как «гипотеза панспермии», подтверждается наблюдением, что многие разновидности бактерий имеют приспособления, которые позволяют им переживать длительную спячку в условиях глубокого вакуума, чрезмерного холода и высокого уровня радиации, то есть в условиях, характерных только для космоса. Обычно в биологии за все приспособления приходится платить, и те, в которых нет пользы, исчезают. Если бы мы нашли вид сухопутного животного с рудиментарными органами для жизни в воде, мы бы предположили, что его предки пришли из моря. Аналогичным образом, можно утверждать, что приспособленность к жизни в космосе среди бактерий подтверждает: их предки явились именно оттуда.

Гипотеза панспермии непопулярна среди исследователей происхождения жизни, потому что она обходит стороной ключевой вопрос в интересующей их области: происхождение живых существ из неживых химических соединений. Действительно, панспермия не имеет отношения к этой проблеме, поскольку предполагает, что жизнь, возможно, возникла в более благоприятной среде, чем была на ранней Земле. Это могла быть планета с химически восстановленной средой, благоприятной для образования аминокислот, что показали в 1950 году эксперименты Миллера и Ури [67]. В этих экспериментах Стенли Миллер, аспирант профессора Гарольда Ури, обеспечил себе научное бессмертие, смешав метан, аммиак и водяной пар в колбе и пропустив через смесь электрическую искру, чтобы произвести большое количество аминокислот, которые в биологии считаются основными (а до исследований Миллера считались единственными). Эти эксперименты были подвергнуты критике как не относящиеся к происхождению жизни, потому что в ранние периоды земная среда была более окислительной и реакции Миллера – Ури пошли бы в ней не сразу. Однако если панспермия возможна, то эти критические замечания спорны. Независимо от того, имеет ли гипотеза панспермии отношение к вопросу распространенности жизни во Вселенной, она бросает на него обширную тень.

Перенос жизни между Землей и Марсом

Как обсуждалось выше, в настоящее время хорошо известно, что на протяжении всей своей истории Земля была объектом многочисленных столкновений с астероидами и кометами. Это могло способствовать выбросу большого количества не подвергавшегося воздействию ударных волн и, следовательно, нестерилизованного вещества в межпланетное и межзвездное пространство. Коллеги профессора Джея Мелоша из Университета штата Аризона, например шведский биолог Курт Милейковски, опубликовали расчеты, показывающие, что значительные количества этого вещества могли добраться до близлежащих планет, таких как Марс, за отрезки времени, которые очень малы по сравнению с продемонстрированными продолжительностями жизни находящихся в «спячке» бактерий [60]. Таким образом, на протяжении геологической истории бесчисленные бактерии почти наверняка были перенесены с Земли на Марс. Более того, если на Марсе есть или когда-либо была бактериальная жизнь, также происходил естественный перенос этих организмов с Марса на Землю. Действительно, по оценкам, на Землю каждый год падает 500 килограммов нестерильных марсианских пород. Это наблюдение показывает, что современные дорогостоящие программы «планетарной защиты», учрежденные различными космическими агентствами, чтобы предотвратить транспортировку микроорганизмов между планетами на космических аппаратах, бессмысленны. У микроорганизмов уже есть множество собственных кораблей, и они регулярно путешествовали в течение последних 3,5 миллиарда лет.

То, как легко бактерии перемещаются между Землей и Марсом, делает маловероятным, хоть и не невозможным, тот факт, что прошлая или настоящая марсианская жизнь могла зародиться отдельно от земной. Для того чтобы эти процессы протекали независимо, они должны были быть почти одновременными, поскольку в противном случае планетарная жизнь, которая возникла первой, имела бы преимущество в распространении. Более вероятно, что и Земля, и Марс были «засеяны» одновременно из внешнего, по-видимому, межзвездного источника или что жизнь развивалась из местных химических соединений или на Земле, или на Марсе и попала на другую планету, как только приобрела форму, способную выжить в космическом полете. Мы видели из недавнего обсуждения, что отсутствие предшествующих бактериям организмов на Земле заставляет предположить, что исконно жизнь развивалась на Земле. Таким образом, наиболее вероятные альтернативы следующие: а) жизнь возникла на Марсе, а затем была посеяна на Земле или б) Земля и Марс были засеяны одновременно из межзвездного источника.

Я не рассматриваю вариант, при котором только Земля, а не Марс была засеяна извне. Я делаю это, поскольку теперь ясно, что по поверхности Марса в течение сотен миллионов лет его ранней истории текла жидкая вода. Таким образом, если существовал бы межзвездный источник бактерий, Марс, конечно же, тоже был бы засеян.

Если свести варианты появления бактерий на планетах к приведенным выше пунктам а и б, это заставляет решающим образом переформулировать вопросы, связанные с поиском жизни на Марсе. Вопрос о существовании в прошлом бактерий на Марсе перестает быть ключевым, они почти наверняка там были. Важнее другое: есть или были ли когда-то на Марсе организмы – предшественники бактерий? Если мы сможем найти доказательства этому, то мы должны заключить, что а верно. Если не сможем, то мы вынуждены будем сделать вывод б.

Последствия любого из этих результатов будут захватывающими. Например, если на Марсе обнаружат предшественников бактерий, тогда мы наконец получим представление о фундаментальных этапах перехода от химии к жизни. Кроме того, поскольку большая часть поверхности Марса достаточно хорошо сохранилась за 3,8 миллиарда лет, у нас была бы возможность непосредственно по окаменелостям прочитать историю развития жизни из неживой материи. В сущности, мы бы получили возможность читать книгу самой жизни.

С другой стороны, если поиск жизни на Марсе позволит обнаружить только доказательства присутствия того же рода хорошо развитых и способных к космическому перелету бактерий, которые нам известны как самые ранние обитатели Земли, то это значило бы, что обе планеты были засеяны из межзвездных источников. Это бы доказало справедливость теории межзвездной панспермии и, следовательно, означало бы, что микробная жизнь может быть обнаружена почти на всех из многих миллиардов подходящих для микроорганизмов планет, которые, предположительно, рассеяны по всей нашей Галактике. Так как микроорганизмы способны эволюционировать в высшие формы, это также в значительной степени увеличивает шансы на то, что мы найдем высокоорганизованную и даже разумную жизнь.

Поиск на Марсе живых и окаменелых предшественников бактерий, таким образом, невероятно важен для понимания жизни и места человечества во Вселенной. Совершенно ясно, что грамотно провести поиски могут только люди-исследователи, работающие на поверхности планеты. Окаменелости предшественников бактерий могут быть очень древними и потому редкими. Кроме того, если Маккей прав – а теперь кажется, что это возможно, – тогда нам также нужно будет искать окаменелые останки макроскопических животных и растений. Так как влажный период существования Марса закончился 3 миллиарда лет назад, любые окаменелости этих существ будут не менее древними и значительно более редкими, чем кости динозавров на Земле. Поэтому было бы крайне неразумно надеяться, что такие ископаемые обнаружатся в килограмме вещества, доставленного на Землю в ходе роботизированной миссии.

Но настоящая неожиданная научная удача на Марсе явится нам, если мы обнаружим живые организмы, либо предшественников бактерий, либо, если нам очень повезет, бактерий или даже эукариотов изолированного происхождения. Нам нужны живые организмы, если мы хотим изучить их структуру и узнать подробности о том, какие стадии прошли их предшественники, чтобы осуществить переход от химических соединений к жизни. Нам нужны живые организмы, если мы хотим наверняка определить, имеют ли марсианские бактерии общее происхождение с земными, или же они сформировались изолированно. И если марсианская жизнь развивалась отдельно, только живые образцы покажут нам, какой путь развития она выбрала.

Для получения таких образцов нам нужно будет установить буровые установки, способные проникнуть на глубину километра или более под поверхность Марса, чтобы достичь жидких грунтовых вод и активной биосферы, которую они, вероятно, содержат. Это задача не для малых автоматических зондов.

Если мы хотим узнать правду о природе жизни, на Марс придется лететь людям-исследователям.

Приложение I

Декларация о создании марсианского общества

Человечеству пришло время лететь на Марс.

Мы готовы. Хотя Марс далеко, мы гораздо лучше подготовлены сегодня к отправке человека на Марс, чем мы были готовы путешествовать на Луну в начале космической эры. При достаточной целеустремленности мы могли бы могли отправить на Марс наши первые команды в течение десятилетия.

Причины для того, чтобы стремиться на Марс, очень веские.

Мы должны лететь на Марс ради знаний о Марсе. Наши автоматические зонды показали, что Марс когда-то был теплой и влажной планетой, подходящей для того, чтобы приютить начало жизни. Но приютил ли? Поиски окаменелостей на поверхности Марса или микробов в грунтовых водах под его поверхностью могут дать ответ. Если такие находки появятся, они докажут, что формирование жизни не является уникальным для Земли процессом, и станут косвенным свидетельством, что Вселенная наполнена жизнью и, возможно, разумом. С точки зрения понимания нашего истинного места во Вселенной это было бы самым важным научным прорывом со времен Коперника.

Мы должны лететь на Марс ради знаний о Земле. В начале XXI века у нас есть доказательства того, что мы серьезно меняем атмосферу Земли и окружающую среду. Нам критически важно лучше понимать все ее аспекты. Сравнительная планетология является очень мощным инструментом в этом деле, что подтверждается тем, как исследования венерианской атмосферы помогли нам обнаружить угрозу глобального потепления, вызванного парниковыми газами. Марс, планета, наиболее похожая на Землю, научит нас еще более важным вещам. Знания о нашем родном мире, которые мы получим, могут стать ключом к нашему выживанию.

Мы должны лететь на Марс ради сложных задач. Цивилизации, как и люди, процветают, если они к чему-то стремятся, и приходят в упадок, если стремиться не к чему. Прошло то время, когда человеческие общества использовали войну в качестве движущей силы для технического прогресса. Поскольку мир движется к единству, мы должны объединиться, но не во всеобщей пассивности, а в общем начинании, подготовиться и принять более великий и благородный вызов, чем мы ранее бросали друг другу. Первые исследования Марса человеком станут таким вызовом. Кроме того, объединенное международное разведывание Марса будет служить примером того, как те же совместные действия могли бы работать на Земле и в других предприятиях.

Мы должны лететь на Марс ради молодежи. Дух молодости требует приключений. Пилотируемая марсианская программа будет поощрять молодых людей во всем мире развивать свой ум для участия в исследовании нового мира. Если марсианская программа вдохновит хотя бы еще один процент современной молодежи получить научное образование, конечным результатом будут дополнительные десятки миллионов ученых, инженеров, изобретателей, исследователей в области медицины и врачей. Эти люди будут вводить новшества, которые создадут новые отрасли, новые лекарства, увеличат доходы и принесут пользу миру в самых различных проявлениях.

Мы должны лететь на Марс ради возможности. Заселение марсианского Нового Света – это возможность для благородного эксперимента, в котором у человечества появляется еще один шанс отбросить старый багаж и начать мир заново, взяв с собой в будущее столько лучшего из нашего наследия, сколько возможно, и оставив худшее позади. Такие шансы выпадают нечасто, и ими не стоит бездумно пренебрегать.

Мы должны лететь на Марс ради человечества. Человеческие существа больше, чем просто один из видов животных, мы гонцы жизни. Мы единственные из существ Земли, которые способны продолжить работу творения, принеся жизнь на Марс и вернув Марс к жизни. Поступая таким образом, мы решительно заявим о великой ценности человеческой расы и каждого ее представителя.

Мы должны лететь на Марс ради будущего. Марс – это не просто предмет научного любопытства, это мир с площадью поверхности, равной площади всех континентов Земли вместе взятых, обладающий всеми элементами, достаточными не только для жизни, но и для построения технологического общества. Это новый мир, историю которого еще только предстоит написать юной ветви человеческой цивилизации, ожидающей своего рождения. Мы должны лететь на Марс, чтобы реализовать этот потенциал. Мы должны лететь туда не ради нас, но ради людей, которым предстоит родиться. Мы должны сделать это ради марсиан.

Полагая, таким образом, что исследование и заселение Марса – это одна из самых значимых инициатив человечества, возможных в наше время, мы собрались, чтобы основать это Марсианское общество, понимая, что лучшие вещи не происходят сами собой, но требуют планирования, поддержки и упорной работы. Мы призываем всех людей и организации, которые разделяют наши взгляды, присоединиться к нам в содействии этому великому предприятию. Основания благороднее не было никогда. Мы не успокоимся, пока не достигнем успеха. Приведенная выше декларация была подписана и ратифицирована 700 участниками учредительного съезда Марсианского общества, проведенного 13–16 августа 1998 года в Университете Колорадо в Боулдере, штат Колорадо. Если вы согласны с ней, я приглашаю вас присоединиться к нам. Дополнительную информацию можно получить на www.marssociety.org или написав письмо в Марсианское общество по адресу

11111, 8-й Западный проспект, блок А, Лейквуд, Колорадо, 80215.

(Mars Society, 11111 W. 8-th Ave, unit A, Lakewood, CO, 80215.)

Приложение II

Продолжая борьбу за «Марс Директ», 2001–2011

С 2001 по 2011 год я написал большое количество статей, продолжая пропагандировать «Марс Директ». В сумме они представляют собой своего рода хронику дискуссии внутри космического сообщества и в его окрестностях о пилотируемых исследованиях и многих вопросах, с которыми я столкнулся и которых касался, если речь заходила о перспективах продвижения пилотируемых исследований Марса. Некоторые части во всех статьях повторяются (например, краткое описание плана «Марс Директ»), но я регулярно добавляю новый материал. Например, отдельные статьи включают обширные рассуждения об инициативе строительства лунной базы, предложенной администрацией Буша, о борьбе за сохранение космического телескопа имени Хаббла, о спорах вокруг решения администрации Обамы перевести НАСА обратно на режим работы, когда не нужно готовиться к достижению какого-то небесного тела.

Первоначально я планировал включить эти статьи в книгу в качестве приложения. Тем не менее, так как даже сокращенный вариант содержит более 200 страниц, это оказалось невозможным. Так что я поместил их на веб-сайте моей компании www.pioneerastro.com.

Хотя усилия по сохранению телескопа имени Хаббла и «Марс Сайенс Лаборатори» оказались успешными, у большинства этих статей несчастливая история. Действительно, в то время как наукоемкая роботизированная программа исследования Марса многого достигла за рассматриваемый период, программа пилотируемых космических исследований НАСА, выполняемая без (или с умышленным отрицанием) какого-нибудь рационального плана, сегодня не ближе к отправке человека на Марс, чем это было в 2001 году (или даже в 1971 году, если на то пошло).

Тем не менее из изучения любой битвы можно многое почерпнуть, и иногда больше уроков можно извлечь из поражения, чем из победы. За прошедшее десятилетие мы приблизились к запуску человека на Марс, но в конечном итоге попытка провалилась. Как немецкий писатель Фридрих Шиллер когда-то удачно сказал о Великой французской революции, «великий момент нашел мало людей». Надеюсь, в следующий раз мы выступим лучше, потому что следующий раз, безусловно, будет. Потому что – если перефразировать самое знаменитое высказывание великого француза, жившего совсем недавно, Шарля де Голля, – Марс проиграл битву, но Марс не проиграл войну.

Вперед на Марс.

Глоссарий

ΔV – изменение скорости, требующееся для того, чтобы переместить космический корабль с одной орбиты на другую. Типичная ΔV для перехода с низкой околоземной орбиты на траекторию к Марсу составляет около 4 километров в секунду.

NERVA – сокращение от «nuclear engine for rocket vehicle applications», то есть ядерный двигатель для применения в ракете-носителе.

SNC-метеориты – названы по имени мест, где были найдены первые три (Shergotty, Nakhla, Chassigny – Шерготти, Нахла и Шассиньи). SNC-метеориты, как полагают, опираясь на очень сильные химические, геологические и изотопные доказательства, представляют собой осколки пород, выброшенных Марсом и попавших на Землю.

Апогей – самая далекая от планеты точка на эллиптической орбите вокруг нее. Если в фокусе эллиптической орбиты находится Солнце, то аналогичная точка будет называться афелием.

Атмосферное давление – давление, которое атмосфера оказывает на планету. На Земле на уровне моря атмосферное давление составляет 1 атмосферу, или 14,7 фунта на квадратный дюйм. Также давление в 1 атмосферу = 1 бару. 1 фунт на квадратный дюйм = 0,06805 атм = 6894,76 Па.

Атмосферное торможение – маневр космического корабля, осуществляемый с использованием трения планетной атмосферы для замедления при переходе с межпланетной траектории на орбиту планеты.

БВИИ – биологическое влияние ионизирующего излучения.

Буферный газ – инертный газ, который используется для разбавления кислорода, необходимого для дыхания или горения. На Земле буферным газом служит азот, составляющий почти 80 % атмосферы.

Быстрая миссия в соединении – тип миссии в соединении (см. выше), в котором используется некоторое дополнительное топливо для сокращения времени полета.

Бэр – мера дозы облучения, наиболее часто используемая в Соединенных Штатах Америки. 100 бэр = 1 зиверту. По оценкам, радиационные дозы приблизительно от 60 до 80 бэр достаточны для увеличения вероятности заболевания смертельной формой рака в некоторый момент времени в дальнейшей жизни на 1 %. Типичный фон излучения на Земле составляет примерно 0,2 бэра в год.

ВБ – внешний топливный бак.

ВЗА – возвращаемый на Землю аппарат.

ВКД – внекорабельная деятельность, чаще всего под ВКД подразумевается выход в открытый космос.

Вт/кг – ватт на килограмм.

ГДШ – главный двигатель шаттла.

Гелиоцентрический – связанный с обращением вокруг Солнца.

Геотермальная энергия – энергия, производимая недрами планеты. Жидкость, нагретая благодаря выделению геотермальной энергии, может быть помещена в турбинный генератор для производства электроэнергии.

Гидразин – химическое соединение с формулой N_2H_4, ракетное топливо. Гидразин является «монотопливом». Это означает, что он может выделять энергию при разложении, без любого дополнительного окислителя, необходимого для горения.

Гиперболическая скорость – скорость космического корабля по отношению к планете перед посадкой или после эффективного ухода из гравитационного поля планеты. Также известна как стартовая скорость или вторая космическая скорость.

Гиперзвуковой – обладающий скоростью во много раз больше скорости звука, соответствует числу Маха = 5 или более.

Гравитационный маневр – маневр, при котором космический корабль, пролетая мимо планеты, использует ее силу тяжести, чтобы создать эффект пращи, то есть получить дополнительную скорость без использования ракетного топлива.

Градусы Кельвина – шкала Кельвина, или абсолютная шкала измерения температуры, начинается с абсолютного нуля. Это температура, при которой тело на самом деле не обладает теплом. Таким образом, 273 градуса Кельвина – это температура замерзания воды, равная 0 °C. Каждый дополнительный градус Кельвина соответствует одному дополнительному градусу по шкале Цельсия.

ГХМС – газовый хроматограф и масс-спектрометр.

Давление насыщенных паров – давление, оказываемое газом, который выделяет вещество при определенной температуре. При 100 °C давление насыщенных паров для воды больше, чем атмосферное давление Земли, поэтому вода будет кипеть.

Двухкомпонентное топливо – комбинированное ракетное топливо, включающее и топливо, и окислитель. Среди примеров смесь метана и кислорода, водорода и кислорода, керосина и перекиси водорода и так далее.

«Дельта-2» – одноразовая ракета-носитель, первоначально изготавливались компанией «Макдоннелл Дуглас», а сейчас – компанией «Боинг», способна поднять 1000 килограммов на прямую траекторию от Земли к Марсу.

ДМГ – доставка марсианского грунта с использованием топлива, произведенного на Марсе.

ЗПТМ – завод по производству ракетного топлива на Марсе из доступных на планете компонентов.

ИИК – Инициатива исследования космоса.

Ионосфера – верхний слой атмосферы планеты, в котором значительная часть атомов газа разделилась на свободные положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Из-за наличия свободно движущихся заряженных частиц ионосфера может отражать радиоволны.

Кб/с – килобит в секунду.

КВт – киловатт.

КВт. ч – общий объем энергии, связанный с использованием одного киловатта за один час.

КГц – килогерц, мера частоты, используемая в радиотехнике. 1 кГц = = 1000 Гц = 1000 циклов в секунду.

Км/с – километры в секунду.

Константа равновесия – число, характеризующее эффективность течения химической реакции. Очень высокая константа равновесия предполагает, что почти все исходные компоненты реакции будут израсходованы.

Космические лучи – частицы, такие как атомное ядро, проходящие через пространство с очень высокой скоростью. Космические лучи возникают вне Солнечной системы. Они, как правило, имеют энергию в миллиарды электронвольт, а для защиты от них нужны слои вещества большой толщины.

Криогенный – то же, что ультрахолодный. Жидкий кислород и водород являются криогенными жидкостями, так как они требуют температур хранения в -180 и -250 °C соответственно.

ЛОР – лунное орбитальное рандеву.

ЛРД – Лаборатория реактивного движения (Jet propulsion laboratory).

МВМ – марсианский взлетный модуль.

МГц – мегагерц, мера частоты, используемая в радиотехнике.

1 МГц = 1 000 000 циклов в секунду.

МВт – мегаватт электроэнергии. Один мегаватт состоит из 1000 киловатт или 1 миллиона ватт.

Миллибар – одна тысячная бэра (см. выше).

Миссия в противостоянии – миссия, во время которой космический корабль большую часть пути или весь путь летит вокруг Солнца (-360 градусов), чтобы добраться с одной планеты на другую, пролетая во внутренней Солнечной системе с целью повышения скорости (см. Гравитационный маневр). Миссии в противостоянии имеют самые высокие требования к ракетным двигателям.

Миссия в соединении – миссия, во время которой космический аппарат примерно половину пути летит вокруг Солнца, чтобы добраться с одной планеты на другую. Миссия в соединении имеет самые низкие требования к ракетным двигателям.

МОР – марсианское орбитальное рандеву.

М/с – метров в секунду.

Неустойчивое равновесие – см. ниже «Устойчивое равновесие».

НОО – низкая опорная орбита для искусственного спутника планеты.

Обтекатель – защитный обтекаемый снаряд, содержащий полезную нагрузку, которая сидит на вершине ракеты-носителя.

ОКВГ – обратная конверсии водяного газа.

Орбита Гомана – эллиптическая орбита, один конец которой касается орбиты планеты отправления, а другой конец касается орбиты планеты назначения. Полет по орбите Гомана является чистейшим воплощением орбиты в соединении и как таковой является вариантом полета с одной планеты на другую с самыми низкими затратами энергии.

ПВРД – прямоточный воздушно-реактивный двигатель

Перигей – самая близкая к планете точка на эллиптической орбите вокруг нее. Если в фокусе эллиптической орбиты находится Солнце, то аналогичная точка будет называться перигелием.

ПИК – Перспектива исследования космоса (Vision for Space Exploration), космическая программа президента Буша-младшего.

Пиролиз – использование тепла, чтобы разделить соединение на его элементные составляющие.

Противостояние – взаимное положение планет, при котором они находятся практически на одной линии на минимальном расстоянии друг от друга, то есть с одной стороны от Солнца. Понятие применимо к внешним планетам Солнечной системы относительно Земли, то есть для всех кроме Меркурия и Венеры.

Прямой вход – маневр, при котором космический корабль входит в атмосферу планеты и использует ее для замедления и посадки без выхода на орбиту.

Прямой запуск – маневр, при котором космический аппарат запускается непосредственно с одной планеты на другую без предварительной сборки на орбите.

Реакция Сабатье, или реакция метанирования, – реакция, в которой соединяются водород и диоксид углерода с образованием метана и воды. Реакция Сабатье является экзотермической с высокой константой равновесия.

Реголит – общее название грунта другой планеты.

Ровер – транспортное средство для передвижения по поверхности какой-либо планеты, либо управляемое удаленно (как в случае аппаратов «Спирит» или «Кьюриосити»), либо управляемое человеком (как было в рамках миссии «Аполлон», когда астронавты использовали для передвижения по Луне устройство, похожее на автомобиль).

РОСД – ракета, способная выходить на орбиту благодаря использованию одноступенчатого двигателя.

РТГ – радиоизотопный термоэлектрический генератор.

«Сатурн-5» – ракета-носитель тяжелого класса, использовавшаяся для отправки астронавтов программы «Аполлон» на Луну. «Сатурн-5» может поднять на низкую опорную орбиту Земли около 140 тонн.

Скорость истечения – скорость выброса газов из сопла ракеты. Соединение – взаимное расположение планет, при котором они находятся практически на одной прямой, и при этом расстояние между ними максимально, то есть одна планета будет находиться за Солнцем, если смотреть на нее с другой планеты. Понятие применимо к внешним планетам Солнечной системы относительно Земли, то есть для всех кроме Меркурия и Венеры.

Сол – один марсианский день, длительность – 24,6 часа.

Солнечная вспышка – внезапный взрыв на поверхности Солнца, который может выбросить в космос огромные количества излучения.

Стартовая скорость – скорость космического корабля по отношению к планете после того, как тело эффективно покидает гравитационное поле планеты. Также известна как гиперболическая скорость.

СТР – солнечная тепловая ракета.

Траектория минимальной энергии – траектория между двумя планетами, требующая наименьшего расхода ракетного топлива (см. «Орбита Гомана»).

Траектория свободного возвращения – траектория, которая позволяет после старта с Земли в конечном итоге вернуться назад без каких-либо дополнительных маневров.

ТВт – тераватт, 1 ТВт = 1000 000 мегаватт. Человеческая цивилизация в нынешнее время использует около 15 ТВт энергии.

ТВт. год – общее количество энергии, связанные с использованием одного тераватта в течение одного года.

«Титан-4» – ракета-носитель одноразового применения, ранее изготовлявшаяся в корпорации «Локхид Мартин», способная доставить 20 000 килограммов на низкую опорную орбиту Земли или 5000 килограммов на траекторию к Марсу.

ТПЭ – твердый полимерный электролит.

ТРД – твердотопливный ракетный двигатель.

ТРН – тяжелая ракета-носитель.

Тяга – сила, которую ракетный двигатель может создать для ускорения космических аппаратов. 1 фунт (или фунт-сила) = 4,44822 ньютона. 1 Н = 1 (кг м)/с^2) = 0,10197 килограмм-силы (кгс).

Удельный импульс – характеристика ракетного двигателя, число секунд, за которое один фунт топлива позволяет произвести один фунт тяги. Если умножить удельный импульс ракетного двигателя в секундах на 9,8, вы получите скорость истечения двигателя в метрах в секунду. Удельный импульс, как правило, рассматривается в качестве наиболее важного фактора в оценке производительности ракетного двигателя. Часто сокращается как Isp.

Управление устройством телеприсутствия, или телероботом, – дистанционное управление каким-либо устройством, таким как небольшой марсианский ровер, оснащенный телекамерами.

Устойчивое равновесие – состояние равновесия, в которое объект возвращается снова и снова после того, как на него воздействовала некая внешняя сила. Мяч на вершине холма находится в неустойчивом равновесии, потому что, если толкнуть его в любом направлении, он упадет с вершины, с ускорением переместится из своей первоначальной позиции. Шар на дне чаши находится в устойчивом равновесии, потому что, если его толкнуть, он вернется в исходную точку.

Экзотермическая реакция – химическая реакция, протекающая с выделением тепла.

Электролиз – использование электричества, чтобы разделить химическое соединение на его элементные составляющие. Электролиз воды дает на выходе водород и кислород.

Электронная плотность – число электронов в кубическом сантиметре. Чем выше электронная плотность ионосферы, тем лучше она отражает радиоволны.

Эндотермическая реакция – химическая реакция, при протекании поглощающая тепло из окружающей среды.

Эпицикл – небольшая окружность, центр которой перемещается по окружности большего радиуса. Древние и средневековые астрономы описывали движение планет, подразумевая, что каждая планета движется по окружности – эпициклу, – центр которой перемещается по окружности с центром на Земле.

ЯР и ЯРД – ядерная ракета и ядерный ракетный двигатель.

ЯРМТ – ядерная ракета с использованием местного марсианского топлива.

ЯЭР – ядерный электрический реактивный двигатель.

Примечания

1

Перевод В А Ещина

2

Перевод Михаила Зенкевича.

3

Перевод Михаэля Дорфмана.

4

Автоматическая межпланетная станция «Марс-96» запущена в ноябре 1996 года, до Марса не долетела. – Прим. пер.

5

В 2011 году сообщили о возможных потоках воды на склонах марсианских кратеров. Подробнее см., например, http://astrochemistry.ru/marsbrines.html. – Прим. пер.

6

Design Reference Mission, программа НАСА по изучению проектов миссий, связанных с отправкой человека на Марс. – Прим. пер.

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.

8

Утверждение ошибочно. Наибольший эксцентриситет е = 0,206 – у Меркурия. Эксцентриситет Марса е = 0,093. – Прим. пер.

9

С 24 августа 2006 года по решению Международного Астрономического Союза считается не девятой планетой Солнечной системы, а карликовой планетой. – Прим. пер.

10

По состоянию на 4 октября 2016 года «Оппортьюнити» преодолел 43,44 километра и продолжает работать. – Прим. пер.

11

В реальности «Кьюриосити» стартовал с Земли 26 ноября 2011 года, прибыл на Марс 6 августа 2012 года. – Прим. пер.

12

Миссия оказалась неудачной. Запуск осуществлен 9 ноября 2011 года. Не сработала маршевая двигательная установка, поэтому аппарат не смог выйти на расчетную траекторию по направлению к Марсу. 15 января 2012 года сгорел в верхних слоях земной атмосферы. Миссия «Фобос-Грунт-2» запланирована на 2025 год. – Прим. пер.

13

Из-за ограничений по весу спутники «Метнет» на борт аппарата «Фобос-Грунт» не взяли. – Прим. пер.

14

Запущена 18 ноября 2013 года, 20 сентября 2014 года вышла на эллиптическую орбиту вокруг Марса. Основная программа рассчитана на один земной год. – Прим. пер.

15

Миссия запущена с космодрома Байконур 14 марта 2016 года. Ориентировочное время прибытия на Марс – октябрь 2016 года. – Прим. пер.

16

«Марс Сайенс Орбитер» переименован в «Трейс Гас Орбитер», сейчас стал частью программы «Экзомарс», разработанной ЕКА и Роскосмосом. НАСА покинуло проект. – Прим. пер.

17

МЭП входит в обширный список проектов в рамках программы НАСА «Дискавери», однако в число реализованных не попал. – Прим. пер.

18

1 фунт (или фунт-сила, lbf) = 4,44822 ньютона, 1Н = 1 (кг-м)/с^2) = 0,10197 килограмм-силы (кгс). – Прим. пер.

19

Национальный день памяти в США, отмечается ежегодно в последний понедельник мая. Посвящен памяти американских военнослужащих, погибших в вооруженных конфликтах. – Прим. пер.

20

Здесь используется игра слов: «flyby» в переводе на русский – «пролет», a «fryby» можно перевести как «поджаривание». – Прим. пер.

21

Американская почтовая система V-mail работала следующим образом: послания фотографировались, а затем распечатывались с пленки в почтовом отделении места назначения. – Прим. пер.

22

Очень странное утверждение. Давление в марсианской атмосфере близко к 0,01 от земного, а вот толщина атмосферы составляет примерно 110 километров (https://ru.wikipedia.org/wiki/Атмосфера_Марса). Возможно, автор делает такое сравнение, предполагая, что толщина земной атмосферы близка к 1000 километров (это высота начала экзосферы), хотя согласно определению, предложенному Международной авиационной федерацией, принято считать, что граница земной атмосферы и космоса близка к высоте в 100 километров. См. подробнее, например, https://ru.wikipedia.org/wiki/Атмосфера_Земли. – Прим. пер.

23

1 фунт на квадратный дюйм = 0,06805 атм = 6894,76 Па. – Прим. пер.

24

Слово gashopper («газовый прыгун») очень похоже на grasshoper («кузнечик»). – Прим. пер.

25

Продолжительность синодического цикла для Земли и Марса не равняется ровно 15 годам. Синодический период Марса относительно Земли составляет 2,135 земного года. Поэтому одни и те же взаимные расположения (конфигурации) двух планет повторяются не через 15 лет, а плавают. – Прим. пер.

26

Лучше перепроверять полученные с помощью ареогатора результаты для созвездий, в которых Марс может быть виден с Земли, используя электронную карту звездного неба (например, «Стеллариум», Starry Night, Google Sky Map и т. п.) на интересующую дату. Поскольку автор книги использовал для расчета календаря приближенную формулу, точность определения созвездия, в котором Марс виден с Земли, оказалась плохой: ±1,5 месяца. – Прим. пер.

27

Плетение с дополнительной прочной нитью. – Прим. пер.

28

28 сентября 2015 года НАСА объявило об обнаружении соляных растворов на Марсе. Подробнее см. https://lenta.ru/news/2015/09/28/nasa. – Прим. пер.

29

Сейчас Цереру принято относить к семейству карликовых планет, а не к астероидам. Однако она действительно является крупнейшим объектом главного пояса астероидов, а изменение статуса не должно влиять на расчеты и выводы, полученные автором. – Прим. пер.

30

С 1 января 2016 года в Китае вступил в силу законопроект, разрешающий семьям заводить до двух детей. – Прим. пер.

31

Статит – происходит от слияния двух английских слов, «static» – «неподвижный» и «satellite» – «спутник», гипотетический вид искусственного спутника небесного тела, должен включать в себя солнечный парус для корректировки орбиты. – Прим. пер.

32

Откуда у автора такая информация, неизвестно. Озоновый слой Марса появляется только над некоторыми областями планеты и имеет сезонный характер. Подробнее см. https://en.wikipedia.Org/wiki/Atmosphere_of_Mars#Ozone. – Прим. пер.

33

Перевод Аркадия Штейнберга.

34

Дословно: «Нет денег, нет Бака Роджерса». То есть имеется в виду «Если у вас нет денег, чтобы достойно оплатить наш труд, геройствовать мы не будем». Фраза стала популярна среди англоязычных летчиков после выхода в 1983 году фильма «The Right Stuff». – Прим. пер.

35

По непонятным причинам автор приводит в качестве приза 50 миллионов долларов, хотя реальная сумма – 10 миллионов долларов. См., например, здесь: http://www.space.com/403-spaceshipone-wins-10-million-ansari-prize-historic-2nd-trip-space.html. – Прим. пер.

Content

Роберт Зубрин, Рихард Вагнер
Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете

Предисловие к дополненному изданию

Без откровения свыше народ необуздан

Предисловие

Послание на Марс

Предисловие

Почему именно Марс?

Стать местными: быстрый путь на Марс

К Марсу на собачьей упряжке

Развитие новой идеи

Мы можем это сделать

Об этой книге

Глава 1 «Марс Директ»

Август 2020 года

Февраль 2021 года

Сентябрь 2021 года

Октябрь 2022 года

Апрель 2023 года

Сентябрь 2024 года

Май 2033 года

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

Глава 2 От Кеплера к космической эре

Из темноты

Путешествия с телескопом

«Викинг» ищет жизнь

После «Викингов»

Миссия «Доставка марсианского грунта»

Глава 3 Разработка плана

Через тернии к Марсу

Создание логически последовательной Инициативы исследования космоса

Рождение «Марс Директ»

Историческая справка – «Марс Андеграунд»

Глава 4 Добраться на Марс

Быстрые миссии и хорошие миссии

Кто полетит?

Прямой запуск

Продовольствие для экипажа

Перестраховка или прекращение миссии?

Варианты с усовершенствованными технологиями

ΔV и гиперболическая скорость

Глава 5 Убивая драконов, избегая сирен

Опасности радиации

Невесомость

Человеческий фактор

Пылевые бури

Обратное загрязнение

Лунная сирена: почему для полета на Марс нам не нужны лунные базы

Глава 6 Исследование Марса

Транспортные средства на Марсе

Изготовление топлива на Марсе

Связь с базой

Навигация на Марсе

Учет времени на Марсе

Телеробототехника: увеличение площадей исследования

Дополнительный раздел – марсианский календарь

Глава 7 Создание базы на Марсе

Основать базу

Своды из кирпича

Под куполом как дома

Производство пластмассы

Изготовление керамики и стекла

Использование воды

Озеленение Красной планеты

Марсианская металлургия

Сталь

Алюминий

Кремний

Медь

Вопрос энергии

Использование энергии Солнца и ветра

Генерация геотермальной энергии

Использование базы для передвижения на большие расстояния

Начало колонизации

Глава 8 Колонизация Марса

Уникальность Марса

Межпланетная торговля

Заселяя Марс

Продажа марсианской недвижимости

Исторические аналогии

Дополнительный раздел. Передовые межпланетные перевозки

Воздушно-реактивные пусковые установки

Электродвигатель

Солнечные паруса

Магнитные паруса

Синтез

Глава 9 Терраформирование Марса

Расчеты для терраформирования

Как быстро углекислый газ выходит из реголита?

Методы достижения глобального потепления на Марсе

Орбитальные зеркала

Производство галогенуглеводородов на Марсе

Биологическое решение

Активация гидросферы

Наполнение атмосферы планеты кислородом

Подарок для будущего

Уравнения для моделирования условий на Марсе

Глава 10 Взгляд с Земли

Модель Кеннеди

Модель Сагана

Модель Гингрича

Что вы можете сделать

Вопрос истории

Эпилог Значение марсианской территории

Почему человечество нуждается в Марсе

Повесть о двух мирах

Марс манит

Специальное дополнение Находки в марсианском метеорите 1996 года

Карбонаты

ПАУ

Структуры, похожие на ископаемые

Возможные биогенные минералы

Марс и происхождение жизни на Земле

Перенос жизни между Землей и Марсом

Приложение I Декларация о создании марсианского общества

Приложение II Продолжая борьбу за «Марс Директ», 2001–2011

Глоссарий

Примечания