Денис Юшин

Космос для не космонавтов

© Юшин Д. И., 2023

© ООО «Издательство АСТ», 2023

* * *

Раздел 1

Куда и почему расширяется Вселенная?

На вопрос: «что такое космос?» обычно отвечают, что это «пустота» и «ничто» Но так ли уж пуст космос на самом деле?

Давайте проведём эксперимент: глядя на ночное небо, поднимите большой палец вверх и наведите его ногтевую фалангу на область, кажущуюся вам абсолютно пустой. Конечно, она таковой и останется, если смотреть на неё невооружённым глазом. Но при использовании современных телескопов вы обнаружите здесь тысячи и десятки тысяч галактик.

По Интернету путешествует история о том, что по завершении технического обслуживания телескопа «Хаббл» «астронавты решили сделать пробный кадр, чтобы посмотреть, всё ли пришло в норму. Полученная фотография заставила их остолбенеть – настолько красивой выглядела наша Вселенная. Снимок демонстрировал её пустоту, но вместе с тем были видны и древние галактики, которые зародились сразу после Большого взрыва. Фотографию назвали «Hubble Deep Field» («Глубокое поле Хаббла»), а сами учёные утверждают, что она навсегда поменяла их представление о Вселенной.

Возможно, эта история выглядит красивой и даже романтичной, но она абсолютно не отражает как сложнейшую работу огромного количества людей и уникальность самого телескопа, так и исключительность астрономических наблюдений в целом. Впрочем, давайте рассмотрим всё по порядку.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST; код обсерватории «250») – всем известная автоматическая обсерватория на орбите Земли. Её изображения долгое время оставались самыми популярными для заставок на рабочих столах компьютеров и гаджетов, пока нас не начал «забрасывать» новыми фотографиями телескоп имени Джеймса Уэбба.

Размещение телескопа в космосе имеет ряд преимуществ. Главная из них – возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна. В первую очередь – в инфракрасном. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность космического телескопа в 7–10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле.

«Хаббл» обслуживали четыре экспедиции, одна из которых была разбита на два вылета, с выходом астронавтов в открытый космос из космических кораблей многоразового использования типа «Спейс Шаттл».

Полировка зеркала телескопа Hubble. © NASA

В первые же недели после начала работы телескопа полученные изображения продемонстрировали серьёзную проблему в оптической системе. Несмотря на то что качество изображений было лучше, чем у наземных телескопов, «Хаббл» не мог достичь заданной резкости.

Анализ изображений показал, что источником проблемы стала неверная форма главного зеркала. Несмотря на то что это было наиболее точно рассчитанное зеркало из когда-либо созданных на тот момент, а допуск составлял не более 1/20 длины волны видимого света, оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило всего лишь 2 мкм, но результат оказался катастрофическим – зеркало имело сильную сферическую аберрацию (оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала).

Это означало, что практически все космические программы стали просто невыполнимыми, поскольку требовали наблюдений именно особо тусклых объектов, для чего и создавалась космическая обсерватория.

Таким образом, во время первой экспедиции астронавты должны были установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт «Индевор» STS-61 состоялся 2–13 декабря 1993 года. Работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю космонавтики. В её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос, за время которых астронавты установили систему оптической коррекции, широкоугольную и планетарную камеры, заменили солнечные батареи, четыре гироскопа и многое другое оборудование.

© NASA

Пустота, изменившая понимание Вселенной

Изображение, о котором пойдёт речь (Hubble Deep Field, HDF), получено из небольшой области в созвездии Большой Медведицы, равной 5,3 квадратным угловым минутам, что составляет примерно 1⁄28000000 площади небесной сферы. И вот тут начинается интересное! Просто направить телескоп в какую-либо область неба и тут же прийти в восторг от увиденного – нельзя. Получение и обработка изображений занимают очень много времени.

Исследования начались с выбора области наблюдения, которая должна была соответствовать следующим критериям:

1. Она должна находиться на высокой галактической широте.

2. В ней не должно быть ярких источников видимого света (таких, как звёзды переднего плана), а также источников инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, чтобы облегчить более поздние исследования в этих длинах волн.

Первоначально учёные нашли двадцать областей, удовлетворяющих всем этим критериям, из которых выбрали три оптимальных области. Все области находились в созвездии Большой Медведицы.

Область, выбранная для наблюдений. © NASA

Далее учёные приступили к разработке методики. Ведь «Хаббл», напомню, – это обсерватория, и в ней находится много инструментов для совершенно разных исследований. Так, в данном случае необходимо было определить, какие из 48 фильтров можно использовать для наблюдений. Выбор зависел от пропускной способности каждого фильтра.

В итоге были выбраны четыре широкополосных фильтра: 300, 450 (синий свет), 606 (красный свет) и 814 нм.

Изображения целевой области с использованием выбранных фильтров были получены в ходе непрерывных десятидневных наблюдений, в течение которых Hubble облетел вокруг Земли по своей орбите почти 150 раз. Полное время наблюдений в каждой длине волны составило: 48,93 ч (300 нм), 36,52 ч (450 нм), 34,94 ч (606 нм) и 34,86 ч (814 нм).

Изображения, полученные в разных длинах волн: 300 нм (сверху слева), 450 нм (сверху справа), 606 нм (снизу слева) и 814 нм (снизу справа). © NASA

Наблюдения были разделены на 342 отдельных «этапа», чтобы предотвратить существенное повреждение отдельных участков изображения яркими полосами, которые образуются в результате воздействия космических лучей на датчики CCD-матрицы.

Следующий шаг – обработка данных. В процессе объединения изображений, полученных в разных длинах волн, были удалены пиксели, засвеченные воздействием космических лучей, следы космического мусора и искусственных спутников.

Hubble Deep Field. © NASA

Приблизительно на четверти фрагментов отчётливо просматривался рассеянный свет от Земли. Для избавления от дефекта яркости эти фрагменты выровняли по уровню незатронутых рассеянным светом изображений. Благодаря этой процедуре почти весь рассеянный свет с изображений был удалён.

После того как с 342 отдельных снимков убрали дефекты, их объединили в одно. Каждому пикселю CCD-матрицы соответствовала область в 0,09 угловой секунды. Каждое последующее изображение частично перекрывало предыдущее. Используя сложные методы обработки (специальный алгоритм «Drizzle»), изображения объединили. В итоговом изображении в каждой длине волны размеры пикселя составили 0,04 угловой секунды.

Данное изображение HUDF в высоком разрешении содержит галактики самых разных размеров, форм, цветов и возрастов. Самые маленькие и самые красные галактики, которых на снимке около 10000, – это одни из самых удалённых галактик, когда-либо запечатленных оптическим телескопом. Вероятно, они возникли вскоре после Большого взрыва. © NASA

Таким образом, изображение Hubble Deep Field было собрано из 342 отдельных снимков. Его построение проводили с 18 по 28 декабря 1995 года. В этой невероятно маленькой космической области практически все 3000 объектов (за исключением нескольких звёзд с переднего плана Млечного Пути) – это галактики.

С 24 сентября 2003 до 16 января 2004 года с телескопа получили более качественные изображения, которые объединили в Hubble Ultra-Deep Field (HUDF). На этом изображении около десяти тысяч галактик, но «понимание о пустоте изменил» именно Hubble Deep Field (HDF).

Ещё несколько слов о пустоте

Уверен, вы довольно часто сталкивались с утверждением, что «всё вокруг состоит из пустоты». Но можете ли вы представить себе абсолютною пустоту? И существует ли вообще абсолютная пустота (Мигдал, 1986)? Уже даже в межзвёздном пространстве – такой вакуум, какого физики не могут достичь в лабораторных условиях ввиду того, что невозможно до такой степени выкачать вещество из камеры.

Но это ещё далеко не абсолютная пустота. Давайте пойдём дальше – в межгалактическое пространство. Здесь вещества ещё меньше, но это по-прежнему не абсолютно пустое пространство, которого мы хотим достичь. Поэтому двинемся в область между скоплениями галактик. Казалось бы, вот она – пугающая беспросветная пустота. Но даже здесь на каждый кубический метр пространства найдётся хотя бы один атом. Правда, этот атом за миллиарды лет может ни разу не столкнуться ни с одним другим. Что ж, пусть это и будет той самой пустотой. Во всяком случае, здесь мы можем представить, что этого одинокого атома просто нет.

Но знаете, что самое интересное? Даже если вы возьмёте часть пространства, в котором точно нет ни одного атома, оно не будет пустым. Понятие пустоты в физике вообще, как выясняется, довольно условно. Как только дело доходит до «абсолютного ничто», в свои права вступает квантовая механика. Физики называют это явление минимальным состоянием энергии.

Даже в самом «пустом» пространстве постоянно рождаются и умирают так называемые виртуальные частицы. Проблема этих частиц заключается в том, что они не способны «закрепиться» в физической Вселенной, так как их свойства далеки от «физического идеала» – они не могут набрать достаточно массы и энергии. Всё, что только можно было «взять» из этой пустоты, чтобы попытаться стать веществом, эти виртуальные частицы «взяли», но этого оказалось мало.

Привычным нам частицам (Estia J. Eichten) просто «повезло» иметь свойства, соответствующие законам физики, то есть разница между реальными и виртуальными частицами исключительно количественная. Российский астроном Владимир Сурдин однажды довольно поэтично назвал это явление «кипящей пустотой».

Откуда в абсолютной пустоте могут появляться частицы?

При всей своей математической точности квантовая механика довольно плохо описывает суть материи в попытке скрестить классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической. «Кипящая пустота» – абсолютно непонятное человеческому сознанию состояние.

Но существует теория, которая может значительно упростить восприятие Вселенной. Речь идёт о квантовой теории поля, которая исключает классические представления о реальности. Она гласит, что пространство состоит из квантовых полей, а отдельных частиц (как реальных, так и виртуальных) не существует. То, что нам кажется частицами, представляет собой просто возмущения этих полей.

Таким образом, квантовая теория поля говорит нам, что пустоты вообще не существует, так как квантовые поля – это монолитные структуры. Они заполняют собой всё пространство и имеют в каждой своей точке ненулевую энергию. Колебания этих полей и создают иллюзию рождения частиц.

Поэтому и видимое вещество, и виртуальные частицы, да и вообще всё во Вселенной – лишь рябь квантовых полей. Самая понятная аналогия, которую я встречал, звучит так:

«Считать, что между частицами ничего нет, – всё равно что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому, что пелена облаков скрывает поверхность под ними».

Существует идея, что такое «кипение» и привело к рождению нашей Вселенной. Вакуум той эпохи имел энергию, несколько бóльшую, чем в наше время. Её оказалось достаточно для того, чтобы в какой-то момент сконцентрироваться и запустить цепную реакцию по созданию вещества и излучения.

Получается, всё, что сейчас существует, включая нас, людей, может быть результатом «выкипания» первичного вакуума. Таким образом, Вселенная постоянно активна и пытается создавать вещество из того, что нам кажется абсолютной пустотой. Разве это не потрясающе?

Как родилась Вселенная?

Самые интересные факты о большом взрыве

Теория Большого взрыва описывает рождение и последующее охлаждение Вселенной при расширении из первоначально крайне плотного и горячего состояния. Космологи уже десятки лет дискутируют о том, что же произошло в те доли секунды, которые «запустили» рождение нашей Вселенной.

Сам термин «Большой взрыв» не очень-то подходит в качестве описания тому, что происходило. Он вызывает путаницу, которая выливается в регулярные дискуссии между людьми, не совсем посвящёнными в тему. Образ взрыва никак не соотносится с тем, что в расширяющейся Вселенной нет ни центра, ни края, а галактики, независимо от массы, отдаляются одинаково. Впервые этот термин употребил в качестве насмешки астроном Фред Хойл, который был сторонником теории о вечной и неизменной Вселенной.

После рождения Вселенной следующие примерно 380 000 лет всё пространство заполняло облако плазмы. Дальнейшее охлаждение этого облака позволило электронам и протонам объединиться, создав нейтральные атомы водорода, что привело к его рассеиванию. Свет, испускаемый во время этого процесса, растянувшись в микроволны, является теперь самым ранним наблюдаемым явлением во Вселенной и называется реликтовым излучением (космическое микроволновое фоновое излучение).

Распределение реликтового излучения в наблюдаемой Вселенной

Фиксация фонового излучения породила новые дискуссии. Дело в том, что общая теория относительности (ОТО) предполагала сингулярность – начальную точку с неограниченными температурой и плотностью. Колебания таких температуры и плотности должны были породить области с различными свойствами. Температура же реликтового излучения тем временем колеблется в пределах всего долей градуса. Кроме того, кривизна пространства-времени выглядит, если можно так выразиться, довольно плоской, что подразумевает практически идеальный баланс вещества и кривизны в начальном состоянии.

В 1980-х годах Алан Гут предложил теорию, которая до сих пор является одной из самых популярных в среде космологов, – теорию инфляции. Он предположил, что в первые моменты Вселенная расширялась экспоненциально быстрее, пока этот процесс не привёл к образованию плотного и горячего беспорядка частиц, занявшего место сингулярности.

Эта теория отлично объясняет практически невероятное отсутствие неровностей реликтового излучения (оставшиеся незначительные колебания, согласно ей, привели к образованию скопления галактик), но никто не может объяснить, что именно заставило Вселенную расширяться так быстро в первые моменты существования.

Серьёзным подтверждением теории инфляции станет фиксация первичной пространственно-временной ряби (первичных гравитационных волн), чего до сих пор не произошло (о гравитационных волнах – в следующих главах). По аналогии с реликтовым излучением, которое присутствует даже в белом шуме, фиксируемом, скажем, вашим телевизором, первичные гравитационные волны могут быть повсеместными. Просто мы ещё их не увидели. Главное, что мы ищем.

Кстати, а вы слышали о парадоксе Ольберса (фотометрическом парадоксе) (Harrison, 1977)? Если кратко, то суть в следующем: если Вселенная действительно бесконечна и имеет число звёзд, фактически стремящееся к бесконечности, то тогда, следуя логике, куда бы ни упал наш взгляд, он должен попасть на звезду. То есть, если допустить, что космос полон звёзд, бесконечен и обладает однородной плотностью, мы будем неизбежно приходить к звезде, независимо от направления.

Так почему ночное небо не залито сплошным светом?

Всё дело как раз в Большом взрыве. Тот факт, что Вселенная не существовала всегда и мы можем наблюдать звёзды и галактики лишь на ограниченном расстоянии, и объясняет, почему света на ночном небе настолько мало. Количество видимых источников света ограничено собственно скоростью света и физикой расширяющейся Вселенной.

Так, основная предпосылка фотометрического парадокса устраняется тем фактом, что звёзды не расположены на любых, сколь угодно больших расстояниях от нас, как тот утверждает. То есть наблюдаемая Вселенная настолько молода, что звёзды ещё не успели в ней образоваться. Помимо этого, мы не видим огромное количество звёзд и галактик ввиду того, что с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы их свет достиг нашего взора.

Белый шум

Тем не менее существует возможность увидеть и полностью залитое светом ночное небо. В микроволновом спектре, например, ночное небо практически равномерно по яркости, что также работает в пользу теории Большого взрыва. Дело в том, что в своём начале Вселенная была настолько горячей, что в ней не могли образоваться нейтральные атомы, не говоря уже о звёздах и галактиках. А вот когда она «немного остыла» и нейтральные атомы всё-таки сформировались, свет начал распространяться по прямой линии во всех направлениях и постоянно. Если во время настройки своего телевизора вы наткнётесь на белый шум (чёрно-белую рябь на экране без какой-либо картинки), знайте, что около 1 % этих сигналов является остаточным послесвечением Большого взрыва.

Космическое микроволновое фоновое излучение

Если подвести итог этому отступлению, становится понятно, что ночное небо мы видим таким, каким видим. Просто потому, что нам доступна лишь та часть спектра, которую мы и называем видимой. Вселенная же имеет начало, существуя конечное время. То есть на самом деле всё вокруг наполнено светом (излучением), но у нас нет органов чувств, способных воспринимать его во всех диапазонах, – для этого мы создаём специальные приборы. Ну а наши органы зрения сформировались настроенными именно на видимую нам часть спектра потому, что мы развивались в окрестностях именно нашей звезды. Так работает эволюция. Но книга не о ней.

Насколько точно настроена Вселенная и подходит ли она для нас?

Люди склонны воспринимать окружающую действительность через призму антропного принципа, сильно упрощая её и, что важно, идеализируя. Отсюда берёт своё начало миф об уникальности жизни только на нашей планете и невероятном стечении обстоятельств для её появления. Тот факт, что мы не обнаружили инопланетную жизнь, свидетельствует лишь о том, что с технологической точки зрения человечество ещё недостаточно развито.

Мы не учитываем тот факт, что во многих аспектах нашей жизни людям приходится работать на пределе своих возможностей. Космическая деятельность – именно такой аспект. Мы воспринимаем как данность, например, наличие телескопа на орбите Земли. Но при этом забываем, насколько сложно не только его построить, но и работать с ним, о чём мы говорили в начале книги.

На сегодня дана бóльшая часть ответов на вопросы о разумном вмешательстве, ставившиеся ещё 150 лет назад. Но, как только одна часть человечества получает результат в поиске ответов, вторая пользуется тем, что новых вопросов появляется не меньше, да ещё и притягивает их к старым утверждениям.

На деле же стоит осознать пару несложных фактов. Во-первых, самая распространённая молекула в человеке – это молекулы воды. Она же является основой известной нам жизни и состоит из двух самых распространённых во Вселенной элементов. Так что возникновение жизни с этой точки зрения – не удивительное событие, а лишь следствие работы законов физики и химии. Во-вторых (на этом остановимся чуть подробнее), тонкую настройку Вселенной в работе этих законов на сегодня никто наглядно не показал, а её сторонники апеллируют, как правило, к эмоциям, чтобы вызвать у нас благоговение перед уникальностью Вселенной, «созданной» ради появления человека.

Предлагаю рассмотреть те несколько утверждений, которые имеют отношение к самой основе возникновения и поддержания жизни.

Силы, создающие звёзды

Первое, что можно услышать от адептов тонкой настройки Вселенной, – это то, что условия существования самих звёзд невероятно хрупкие. Так, по их мнению, если бы электромагнитная сила была слишком велика, то электрическое отталкивание протонов прекратило бы ядерный синтез внутри звёзд и они бы перестали светить. В обратном же случае – будь электромагнетизм слишком слабым – ядерные реакции вышли бы из-под контроля. В этом случае продолжительность жизни звёзд была бы слишком короткой для возникновения и, тем более, поддержания их жизни.

Сюда же приплетают и гравитацию. Тут всё просто: при слишком сильной гравитации звёзды сжимались бы в чёрные дыры, а при слабой – никогда бы не зажглись.

А как на самом деле?

А вот как – звёзды удивительно живучи и стабильны. Величина силы электромагнитного взаимодействия может изменяться в 100 раз в оба направления, прежде чем существование звезды будет поставлено под угрозу. Гравитация вообще может изменяться в пределах нескольких порядков по сравнению с силами электромагнитного взаимодействия.

В целом допустимые значения гравитационных и электромагнитных сил зависят от сил ядерных. Если скорость реакций была бы выше, звёзды могли бы функционировать даже при бóльшем диапазоне гравитационных и электромагнитных сил. Напротив, менее быстрые ядерные реакции сузили бы этот диапазон, оставив его, тем не менее, достаточно широким.

Сравнение размеров звёзд различного типа. Солнце на данном изображении слева и имеет размер в 1 пиксель

Получается, что величины фундаментальных сил могут изменяться в пределах нескольких порядков, а звёзды и планеты всё равно будут вписываться в заданные условия, автоматически подстраиваясь под них. Так что подобную настройку сложно назвать тонкой.

Углерод

После того как в ядрах среднего размера звёзд произошла ядерная реакция, преобразовавшая водород в гелий, сам гелий становится топливом этих звёзд. В результате сложной последовательности реакций гелий сгорает, образуя углерод и кислород. Из-за того что ядра гелия играют важную роль в ядерной физике, им даже дали специальное название: альфа-частицы. Наиболее распространённые ядра состоят из одной, трёх, четырёх или пяти альфа-частиц. Как можно заметить, ядрá с двумя альфа-частицами, бериллия-8, не существует, чему есть простое объяснение: он нестабилен.

Нестабильность бериллия и помогает, и создает трудность для образования углерода. Когда звёзды преобразовывают ядра гелия, чтобы они стали бериллием, ядра бериллия практически сразу начинают распадаться обратно на свои составные части. В любой момент ядро звезды содержит небольшое и неустойчивое количество бериллия. Эти редко встречающиеся ядра могут взаимодействовать с гелием для образования углерода. Поскольку в данном процессе принимают участие три ядра гелия, он называется тройным альфа-процессом. Физики выяснили, что эта реакция слишком медленная для производства того количества углерода, которое наблюдается во Вселенной.

Как была решена проблема?

Чтобы разрешить этот парадокс, физик Фред Хойл предсказал в 1953 году, что при определенной энергии у ядра углерода должно быть резонансное состояние. Благодаря этому состоянию скорость реакции образования углерода намного выше, чем могла бы быть. Она настолько высока, что это вполне объясняет большое количество углерода, найденное во Вселенной (Kragh, 2010).

Позже этот резонанс измерили в лаборатории с рассчитанным уровнем энергии. Чем не тонкая настройка, которую точно кто-то подкрутил?

Между тем с другими величинами сил энергия этого резонанса могла бы быть другой, и звёзды не производили бы достаточно углерода. Образование углерода нарушается, если уровень энергии меняется в пределах всего 4 %. Этой проблеме в своё время даже дали негласное название «Тройная альфа-наладка Вселенной».

Но и тут есть простое объяснение

Предположим, ядерная физика действительно изменилась настолько, что смогла нейтрализовать углеродный резонанс. В этом случае бериллий приобрёл бы стабильность, а углерод, напротив, производился бы более логичным способом – путем добавления альфа-частиц по одной. Поэтому потеря резонанса не имела бы значения. Гелий смог бы преобразоваться в бериллий, который потом вошёл в реакцию с альфа-частицами для образования углерода. Проблемы наладки в этом случае вообще нет.

Что мы имеем в итоге?

Очевидно, что параметры, которые определяют строение звёзд и их эволюцию, далеко не очень точно настроены. Параметры Вселенной могли бы меняться в очень широких диапазонах: сила притяжения может быть в тысячи раз сильнее или слабее, значения электромагнитных сил могут варьироваться в чуть меньшем, но по-прежнему очень широком диапазоне.

Я не упоминал о скоростях ядерных реакций, а также о формировании тяжёлых элементов в недрах звёзд, которые обладают такими же огромными диапазонами изменчивости. Тому имеется экспериментальное подтверждение, которое напрочь исключает возможность применения теории тонкой настройки.

Исходя из того, что я уже рассказал, можно легко представить и гораздо более дружелюбную и даже более логичную Вселенную. Так, например, во Вселенной со стабильным бериллием могли бы существовать прямые каналы производства углерода, и ей бы не потребовалась сложная тройная гелиевая реакция. Сегодня мы понимаем, что у Вселенной много путей развития сложных структур и биологии. Получается, что она оставила себе серьёзный «запас» своих же свойств, чтобы «подстроиться», если вдруг что-нибудь пойдёт не так. Возможно, что-то действительно пошло не так, раз мы видим более лёгкие пути для формирования того, что нам известно.

Наш мозг не готов осознать вероятность существования инопланетной жизни

После того как ознакомитесь с этим подразделом, вы поймёте, почему я решил описать именно эту проблему после объяснения «тонкой настройки» Вселенной и перед её расширением.

Эволюционно мы заточены на выживание в замкнутой среде, и нам нет никакого дела до масштабов Вселенной. Точнее, мы просто не приспособлены для их осознания, и нам приходится делать для этого немалые усилия. При этом эволюция – процесс очень медленный, а изменения в окружающем нас мире происходят во всё нарастающем темпе. Говоря проще, социум развивается быстрее, чем эти изменения «записываются» в наш геном, то есть быстрее, чем мы можем приспособиться. Многие учёные именно с этим связывают нашу неспособность сдержаться от загрязнения окружающей среды, убийства себе подобных и прочих «животных» привычек.

А теперь пройдёмся по нашему стремлению быть уникальными

В галактике Млечный Путь содержится от 200 до 400 млрд звёзд. По современным оценкам (очень даже точным), от 10 до 20 % из них могут иметь планеты, пригодные для жизни. В видимой Вселенной – от 100 до 500 млрд галактик. Итого получаем (по самым минимальным оценкам) 2 млрд триллионов пригодных для жизни планет.

Предлагаю опустить тот факт, что сигнал от планеты к планете может идти несоизмеримо дольше, чем продолжительность жизни отдельно взятого человека. Допустим, если учёные некой «продвинутой» цивилизации, находящейся на планете в 65 млн световых лет от нас, соорудят невероятно мощный телескоп и посмотрят через него на нашу планету, то они увидят… динозавров! Но это совершенно отдельная тема.

Даже если вероятность зарождения жизни на «подходящей» (в нашем понимании) планете составляет всего лишь одну стоквинтилионную долю (восемнадцать нулей после запятой), то во Вселенной будет как минимум одна планета с жизнью земного типа. Мы как раз на ней и живём. Это так называемый антропный принцип: только в мире, где все условия подходят для появления разумного наблюдателя, может появиться такой наблюдатель, который начнёт удивляться тому, как все условия так замечательно для этого подходят. Во всех остальных мирах удивляться просто некому. Хотя на самом деле наблюдатель – это следствие развития условий, а не причина для их развития.

В обыденной жизни события с такой низкой вероятностью воспринимаются как абсолютно невозможные. Однако в масштабах Вселенной они практически неизбежны.

Из этого утверждения следует, что во Вселенной существует ещё как минимум одна цивилизация, достигшая того же уровня развития, что и наша. Только она не способна до нас достучаться в виду непостижимых расстояний.

Поэтому, в отличие от многих других биологических проблем, для решения проблемы происхождения жизни достаточно обнаружить даже крайне маловероятный механизм (абиогенез – самозарождение жизни), который считается таковым исключительно из-за ограниченности нашего восприятия окружающего мира.

А сейчас приготовьтесь будоражить своё сознание. Если верна концепция инфляционной космологии, о которой сказано выше, то «число попыток» зарождения жизни на той или иной планете стремилось бы к бесконечности.

В таком случае разумные существа, возникшие где-то во Вселенной, могли бы видеть историю жизни на своей планете как последовательность совершенно необъяснимых чудес, что не противоречило бы теории абиогенеза.

Именно благодаря науке история жизни на Земле всё меньше похожа на цепочку невероятных чудес, что делает практически неизбежным возможность найти жизнь на других планетах.

С каждым днём, открывая всё более простые и высоковероятные способы абиогенного синтеза органики, поэтапного развития белкового синтеза и т. п., учёные не столько добывают новые доказательства принципиальной возможности абиогенеза (уже и так понятно, что он возможен), сколько последовательно и неуклонно подводят нас к необходимости искать разумную жизнь на других планетах.

Противники самозарождения жизни (в том числе и представители различных религиозных конфессий), как правило, ссылаются на три, по их мнению, неоспоримых факта, говорящих в их пользу. Но, к сожалению для них, наука и здесь взяла своё (Мазур, 2010):

1. Так, абиогенный синтез простых органических соединений они считали невозможным. На сегодня известно, что с этим нет проблем.

2. Затем эти противники перескочили на абиогенный синтез сложных органических соединений («кирпичиков» жизни). Но тут уже практически всё на стороне самозарождения – основные проблемы почти решены, попутно сделаны «фантастические» открытия.

3. И, наконец, они стали отрицать механизм репликации и наличие самих репликаторов (РНК и т. п.). Конечно, здесь проблем по части доказательств ещё много, но они постепенно и систематически решаются. К тому же с учётом того, что первые два факта были успешно доказаны, сомнений в том, что будет доказан и третий, в общем-то, нет.

После окончательного решения описанных проблем всё становится намного проще, так как начинает работать «дарвиновский» эволюционный механизм – наследственность, изменчивость, отбор.

Вывод, следующий из этой главы, достаточно простой. Пока мы не научимся мыслить масштабами Вселенной, дальше восприятия, заложенного в нас эволюцией и сформированного в условиях нашей планеты, нам не сдвинуться.

Куда и почему расширяется Вселенная?

А теперь о расширении Вселенной (Aysgarth, 2017).

Проблема в том, что расширение Вселенной многие воспринимают буквально, то есть как процесс увеличения объёма. Суть в том, что восприятие окружающего мира человеком сильно ограничено евклидовым пространством, а расширение Вселенной – это вообще процесс изменения метрики, то есть в нашем понимании она никуда не расширяется. Если представить, что за пределами Вселенной находится наблюдатель, способный визуально воспринимать информацию, он сможет увидеть что-то похожее на то, как растягивается воздушный шарик, когда его надувают. Ну а две разные точки на двумерной поверхности этого «шарика» просто медленно отдаляются друг от друга.

Разница в том, что во Вселенной четыре измерения. Если, конечно, не окажется, что верна теория струн и измерений на самом деле 10 или 26. Но нам бы и с четырьмя ужиться.

Эйнштейн ввёл в ОТО космологическую постоянную (лямбда-член), которая позволяла установить стационарность Вселенной в уравнениях (Линде, 1990).

Несмотря на то что про стационарность Вселенной все потихоньку забывают, космологическая постоянная по-прежнему применяется во всех частных случаях. Например, в астрономии и в инженерных приложениях. Таких, как системы спутниковой навигации.

Что было до и будет после?

Вопрос о том, что было до возникновения Вселенной, лишён смысла. Ведь сам предлог «до» подразумевает предшествование во времени, а возникновение Вселенной (сюрпри-и-из!) совпадает с возникновением времени.

Точно так же лишён смысла и вопрос о том, куда расширяется Вселенная. Потому что какого-то пространства, в которое происходит это расширение, нет. Сама Вселенная и есть пространство. Она просто расширяется, и это факт, который надо принять, так как он доказан.

Другой вопрос, что скорость расширения Вселенной поступательно возрастает, и интересно, к чему это приведёт в итоге. То ли причина в воздействии тёмной энергии, играющей роль антигравитации (которая проявляется лишь на колоссальных расстояниях), то ли это просто свойство Вселенной.

Непостоянная постоянная

Тут надо сделать отступление и рассказать вкратце о постоянной Хаббла – коэффициенте, входящем в закон Хаббла. Данный закон связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления, то есть описывает ускорение расширения Вселенной.

На сегодня существует два способа расчёта постоянной Хаббла. Согласно первому, основанному на методе «стандартных свечей» (Yijung Kang, 2020), Вселенная расширяется с ускорением в 74 км/с на один мегапарсек. Второй способ, основанный на измерениях уровня реликтового излучения, даёт величину постоянной Хаббла около 67,4 км/с на один мегапарсек. Независимо от количества и качества исследований, основанных на каждом из этих способов, разница всегда одна и та же. Именно эта разница чаще всего служит поводом для разговоров о «новой физике». Причём в пользу её существования учёные стали более активно высказываться, когда появились данные о микроволновом фоне с космической обсерватории Планк. Эти данные в очередной раз подтвердили разницу.

Почему это так важно?

Определение ускорения (или даже просто его наличия), с которым расширяется Вселенная, имеет первостепенное значение для понимания её энергетического баланса или проверки ключевых компонентов стандартной космологии, таких как обоснованность общей теории относительности на космологических масштабах.

Лукас Ломбрайзер – профессор кафедры теоретической физики университета Женевы – в одной из своих работ утверждает, что согласовать разницу в получаемых значениях постоянной Хаббла можно в том случае, если наша Вселенная представляет собой «пузырь» с пониженной плотностью материи относительно внешнего пространства (Lucas Lombriser, 2020).

По его расчётам, для согласования получаемой разницы постоянной Хаббла при размере нашего «пузыря» около 250 млрд световых лет в диаметре плотность материи в нём должна быть вдвое ниже средней плотности внешней части Вселенной.

В целом эта работа может быть подтверждением в пользу хаотической теории инфляции, согласно которой мы живём лишь в одном из множества пузырей, что очень интересно. Но это уже отдельная тема.

Тёмная ли энергия?

Так почему же расширяется Вселенная?

Наиболее правдоподобная из существующих гипотеза утверждает, что это происходит из-за тёмной энергии, имеющей антигравитационное действие. Тёмная энергия заставляет Вселенную существовать, расширяет её с самых первых мгновений. Именно благодаря этой энергии на Земле существует жизнь.

Однако хочу предупредить: концепция тёмной энергии может оказаться ложной. Возможно, она призвана оттянуть момент, когда наука наконец сможет доказать полную несостоятельность этой гипотезы перед открытыми ею фактами. Точно так же, как это некогда произошло с мировым эфиром. Теория эфира одно время всех устраивала и считалась неоспоримой. До тех пор, пока дальнейшие исследования не доказали, что на самом деле никакого мирового эфира нет. И никогда не было.

Как, куда и почему всё движется?

Давайте разберёмся.

Соседкой нашей галактики является галактика Андромеды, которую, к слову сказать, можно увидеть даже невооружённым глазом. Вокруг этого тандема вращаются несколько десятков карликовых галактик (те, которые нам известны). Все вместе они образуют Местную группу галактик. В этой группе на данный момент мы знаем 54 галактики, их размеры превышают десять млн световых лет. Местная группа галактик вместе с примерно сотней таких скоплений составляет сверхскопление Девы размером уже больше 110 млн световых лет.

Совсем недавно, в 2014 году, астрофизики выяснили, что сверхскопление Девы, состоящее примерно из 30 000 галактик, входит в состав гораздо бóльшей структуры, которую назвали «сверхскопление Ланиакея». Но даже это ещё не всё, хотя, уверен, вы уже перестали осознавать масштабы.

Ланиакея вместе с таким же сверхскоплением Персея – Рыб входит в комплекс сверхскоплений Рыб – Кита, который одновременно является галактической нитью – составной частью крупномасштабной структуры Вселенной.

Но знаете, что самое интересное? Наблюдения, проведённые к данному моменту, указывают на то, что все эти структуры не просто хаотически разбросаны по Вселенной, а составляют сложную губкообразную структуру, в которой есть нити, узлы и пустоты (войды).

Есть ещё один факт, на который следует обратить внимание: сверхскопления – это самые крупные образования, которые удерживаются гравитацией от разбегания, несмотря на расширение Вселенной. Распределение сил здесь (очень упрощённо) такое: нити разбегаются в разные стороны под воздействием тёмной энергии. В то же время движение объектов внутри них в бóльшей степени определяется силами гравитационного притяжения. То есть окружающие нас галактики и их скопления настолько сильно связаны гравитацией, что с ними не может справиться расширение Вселенной.

Так куда всё летит? Поиском ответа на этот вопрос занялись специалисты из Еврейского университета в Иерусалиме (Yehuda Hoffman, 2017). В рамках своей работы они собирали и анализировали данные проекта Cosmicflows-2, который измерил расстояния и скорости более 8 000 близлежащих галактик.

Для начала исследователи подтвердили, что Местная группа галактик летит в сторону Великого аттрактора – гравитационной аномалии в центре Ланиакеи. Великий аттрактор, в свою очередь, со скоростью 660 км/с притягивается более массивным сверхскоплением Шепли.

Астрофизики решили копнуть глубже и сравнили скорость Местной группы с расчётной, которая выводится из массы сверхскопления Шепли. Результат вы узнаете в следующей книге. Шучу.

Оказалось, что, несмотря на массу в 10 000 масс нашей галактики (что невозможно себе представить), сверхскопление Шепли, тем не менее, не смогло бы разогнать нас до такой скорости.

Тогда специалисты решили построить карту антискоростей (векторов, которые направлены в сторону, обратную векторам скоростей). В итоге они обнаружили область, находящуюся на противоположной стороне от сверхскопления Шепли. Эта область словно отталкивает нас от себя ровно с той скоростью, чтобы в сумме дать искомые 660 км/с. Уверен, многие уже подумали о том, что речь идёт об электрическом диполе.

Трёхмерная проекция участка местной Вселенной. Слева синими линиями обозначено поле скоростей всех известных галактик ближайших сверхскоплений – они, очевидно, двигаются в сторону аттрактора Шепли. Справа красным показано поле антискоростей (обратные значения поля скоростей). Они сходятся в точке, откуда их «выталкивает» отсутствие гравитации в этой области Вселенной.

Yehuda Hoffman et al 2016

Само собой, любители всяких альтернативных теорий заговорили об антигравитации. На самом деле всё можно объяснить гораздо проще. Представьте, что из центра вас тянут в две противоположные стороны по пять человек. Если они в среднем обладают одними и теми же физическими параметрами, то вы останетесь на месте. Только будете смещаться в одну из сторон в зависимости от того, прибавилось или убавилось на ней количество тянущих людей. А если на одной из сторон число людей будет больше, чем на другой? Тогда вы сдвинетесь в ту сторону, где их общая масса больше. А теперь представьте, что с одной стороны от вас никого нет. В этом случае вы будете удаляться от пустоты так, будто она вас отталкивает.

Классический электрический диполь из учебника физики. Wikimedia commons

Карта скоростей местной Вселенной размером примерно 2 млрд. световых лет. Желтая стрелка по центру выходит из Местной группы галактик и указывает скорость ее движения примерно в направлении аттрактора Шепли, и точно в противоположную сторону от репеллера (обозначен желтым и серым контуром в правой и верхней области). Yehuda Hoffman et al., 2016

Во Вселенной наблюдается ровно то же самое. Только в роли тянущих на себя выступают галактики и их скопления, которые распределены неравномерно. Именно так и происходит и с нашей галактикой. На противоположной стороне от скопления Шепли находится область, которую учёные назвали Великим Отталкивателем, или Великим Репеллером. Это несколько кубических мегапарсек пространства, необычайно бедно заполненных галактиками, которые не способны компенсировать гравитационное притяжение с противоположной стороны. К сожалению, Великий Репеллер находится в зоне избегания, то есть в области пространства, закрытой от нас нашей собственной Галактикой. Поэтому мы не можем пока узнать, насколько это пространство пустое.

Лишь недавние наблюдения с помощью рентгеновских лучей и радиотелескопов, благодаря которым стало возможным регистрировать излучение, свободно проходящее сквозь газ и пыль, позволили составить первый приблизительный список галактик в зоне избегания. Там их действительно оказалось очень мало.

Таким образом, учёные подтвердили вероятное наличие войда с той стороны.

Что произойдёт, когда всё разлетится?

На сегодня все научные факты указывают на то, что Вселенная расширяется. Причём в момент, когда вы только начали читать даже эту главу, она расширялась немножко медленнее. И что её в таком случае ждёт?

Радиус наблюдаемой Вселенной можно сравнить с горизонтом событий чёрной дыры. Галактики будут покидать видимую для нас Вселенную всё быстрее и быстрее. Но надо понимать, что они не перестанут существовать. Просто информация от них в виде света не сможет до нас доходить. В итоге мы останемся словно внутри чёрной дыры, в которой для нас будет существовать только сверхскопление Девы, в котором мы и находимся.

Ну а то, что произойдёт дальше, зависит от значения лямбды-члена, введённого Эйнштейном. Считается, что у Вселенной возможны два основных исхода.

При меньшем значении лямбды сверхскопление станет замкнутой вселенной, в которой начнут происходить термодинамические процессы. Согласно второму началу термодинамики, тепло переходит от более нагретых тел к менее нагретым. В итоге этот процесс дойдёт до той степени, когда тепловое колебание молекул остановится, потому что исчезнет разница температур. Вещество в этот момент станет полностью однородным, движение – невозможным, а время исчезнет. Этот процесс называется тепловой смертью.

Если же значение лямбды будет бóльшим, то растаскивание не остановится, и наша маленькая Вселенная не сможет замкнуться на себе. В итоге даже наша галактика начнёт разваливаться, так как гравитация не сможет удерживать её как единое целое. Дальше начнут разрушаться связи между молекулами. Потом начнут разваливаться сами молекулы. Потом – атомы. Затем – субатомные частицы. И в последний момент существования времени исчезнет само пространство.

Абсолютно то же самое будет происходить и с теми галактиками, которые оказались по ту сторону. Этот процесс будет одинаковым в любой точке Вселенной. Всё, что её составляет, начнёт очень медленно «умирать» в бесконечном одиночестве. Пока очевидно одно – смерти Вселенной, как и любому из нас, не избежать.

Раздел 2

Теория относительности и физика Вселенной

Величайшая ошибка Эйнштейна как начало новой физики

О космологической постоянной я уже не раз упоминал в тексте. Поэтому с неё и следует начать главу про общую теорию относительности (далее – ОТО). Уже более 100 лет назад Альберт Эйнштейн, работая над этой теорией, получил новый параметр, который был назван впоследствии «космологической постоянной». Сегодня этот параметр необходим для описания влияний тёмных энергии и материи на космологических масштабах, так как в уравнениях ОТО его значение настолько мало, что эффекты, связанные с его наличием, начинают сколько-нибудь ощутимо проявлять себя лишь начиная со скопления галактик.

Надеюсь, что, дочитав до этого момента, вы уже не отрицаете факта расширения Вселенной. Но в начале прошлого века считали, что Вселенная статична и неизменна как минимум на самых больших масштабах. Из ОТО же первоначально следовало наличие только, скажем так, притягивающей формы гравитации, что логичным образом неизменно приводило к коллапсу всей материи в одной точке, хотя и сильно растягивалось во времени.

Эйнштейн в 1917 году, будучи, как и большинство физиков того времени, уверенным в том, что Вселенная стационарна, добавил в свои расчёты «отталкивающий коэффициент», чтобы уравновесить её.

При этом в своих заметках в 1918 году Эйнштейн написал следующее: «Требуется модификация теории, так как «пустое пространство» играет роль гравитирующих отрицательных масс, распределённых по всему межзвёздному пространству».

Величайшая ошибка Альберта Эйнштейна

Представление о статичности Вселенной изменил Эдвин Хаббл, именем которого назван основной поставщик обоев космической тематики на рабочий стол. В 1929 году он опубликовал работу, в которой утверждал, что другие галактики удаляются от нашей и, чем дальше они от нас находятся, тем быстрее удаляются.

Вывод был ошеломляющим и однозначным: Вселенная не статична – она расширяется.

Приняв во внимание тот факт, что предположение о статичности Вселенной, долгое время считавшееся догмой, ошибочно, Эйнштейн удалил космологическую постоянную из своих уравнений. В результате снова встал вопрос о «гравитирующем пустом межзвёздном пространстве». Тем не менее Альберт Эйнштейн решил: если Вселенная не статична, то никакой необходимости в этом коэффициенте нет!

Кстати, о том, что космологическая постоянная является величайшей ошибкой Эйнштейна, сказал физик Георгий Гамов, пусть и якобы от его имени.

Вернуть космологическую постоянную!

ХХ век можно считать по истине золотым в части научных изысканий о сущности Вселенной. С его середины начались наиболее активные исследования. В рамках первоначальной версии теории Большого взрыва расширение под действием гравитации должно было замедляться и, как следствие, вероятно, перейти в состояние Большого сжатия. Были, конечно, предположения, что расширение может продолжаться бесконечно долго, но тот факт, что оно просто обязано замедлиться, казался бесспорным, заняв не некоторое время место догмы, наподобие ещё недавней статичности Вселенной.

Но результаты двух экспериментов, поставленных специально для решения этого вопроса в 1998 году, дали ответ, который никто даже не предполагал: Вселенная расширяется с ускорением! На сегодня ускорение расширения было неоднократно подтверждено и в настоящее время считается хорошо установленным фактом.

Однако первым же делом возникает очевидный вопрос: что может объяснить ускорение расширения? Тут-то физики и вспомнили про «величайшую ошибку» Эйнштейна.

Отрицательные массы

Предположение, что во Вселенной имеются вещества с отрицательной массой, является контринтуитивным, поэтому наш мозг отказывается его воспринимать. Но доктор Джейми Фарнс из Оксфордского центра электронных исследований Департамента инженерных наук разработал теоретическую модель, которая предполагает, что тёмные энергия и материя могут быть объединены в одну субстанцию – подобие жидкости с отрицательной массой (Farnes, 2018).

Модель Фарнса представляет собой модифицированную космологическую модель Lambda-CDM («Лямбда-СиДиЭм» – сокращение от Lambda-Cold Dark Matter). Эта модель помогает предсказывать наблюдаемое распределение тёмной материи в галактиках, давая несколько проверяемых предсказаний. Судя по всему, она к тому же обладает потенциалом на совмещение с данными, полученными при наблюдении далёких сверхновых звёзд, космического микроволнового фона и скоплений галактик.

Выводы из работы Фарнса просто удивительные и, повторюсь, плохо воспринимаемые логикой. Во Вселенной на полном серьёзе могут реально существовать отрицательные массы. Такая гипотеза как минимум может стать началом новой космологической теории.

Доктор Фарнс дал своим выводам такое объяснение:

«…Теперь мы думаем, что и тёмная материя, и тёмная энергия могут быть объединены в некую «жидкость», которая обладает характеристикой «отрицательной гравитации», то есть отталкивает весь другой материал от себя. И, хотя это всё ещё далеко под вопросом, теория предполагает, что космос симметричен как в положительных, так и в отрицательных своих качествах…».

Предположительное распределение тёмной материи в виде гало вокруг нашей галактики

Считалось, что отрицательная материя, если она действительно существует, по мере расширения Вселенной будет становиться менее плотной, что противоречит наблюдениям, которые никак не указывают на её истощение. В связи с этим доктор Фарнс в своей работе применяет «тензор создания», согласно которому отрицательные массы создаются непрерывно.

Интересно, что именно эта модель стала первой, которая даёт наиболее правильные предсказания поведения тёмной материи. К примеру, абсолютное большинство галактик, включая нашу, вращаются настолько быстро, что должны разрываться на части. Однако этого не происходит.

Поэтому учёные пришли к выводу, что существует невидимое «гало» тёмной материи, которое удерживает галактики от того, чтобы разваливаться. Новое исследование полностью подтверждает, а главное – предсказывает образование гало тёмной материи. Его данные полностью согласуется с данными, полученными при наблюдениях за последние 100 лет.

О теории относительности «на пальцах»

Пора переходить непосредственно к теории относительности. Рассказать о ней настолько просто, чтобы её понял даже ребёнок, вероятно, невозможно. Потому что существуют понятия и теории, интуитивно не воспринимаемые нашим мозгом, о чём я уже не раз говорил в предыдущих главах. Но можно описать теорию относительности так, чтобы она не вызывала страха в изучении (Трефил, 2007). Ну а база по физике и математике нужна в любом случае.

Столь великая работа не могла не обрасти различными легендами. По одной из них, прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в то мгновение, когда он ехал на трамвае по Берну (Швейцария) и взглянул на уличные часы. Эйнштейн внезапно осознал: если б трамвай разогнался до скорости света, то в его, Эйнштейна, восприятии эти часы остановились. То есть время исчезло бы.

Как бы то ни было, этот эффект является следствием одного из центральных постулатов теории относительности – различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время.

Если переходить на научный язык, то Эйнштейн показал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель.

Если, к примеру, пассажирка движущегося поезда уронит свою сумочку, то для неё она упадёт вертикально вниз, а вот для пешехода, стоящего на платформе, мимо которой едет этот поезд, сумочка будет падать по параболе.

Не стóит, правда, забывать, что есть и универсальные вещи, не зависящие от точки отсчёта. К примеру, закон, согласно которому вызвано падение, никак не зависит от наблюдателя. Иными словами, от наблюдателя зависит лишь описание событий, но не законы природы. В этом и заключается принцип относительности.

Принцип относительности породил две теории, одна из которых является частным случаем другой, и которые, собственно, описал Эйнштейн.

Специальная (частная) теория относительности (СТО), опубликованная в 1905 году, говорит нам о том, что законы природы одни и те же для всех систем отсчёта, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности (ОТО), распространяющая этот принцип на любые системы отсчёта, включая движущиеся с ускорением, гораздо более сложная с точки зрения математического аппарата. Поэтому она была завершена Эйнштейном лишь к 1916 году.

Осознавая, сколько было потрачено лет и насколько обширную совокупную работу совершили многие учёные, чтобы сформулировать и описать теорию относительности, хочется передать привет всем тем, кто уверенно обещает объяснить её «на пальцах», говоря, что и базовых знаний будет достаточно.

Специальная теория относительности (СТО)

Начну с того, что абсолютное большинство самых парадоксальных и противоречащих интуиции и логике эффектов, которые возникают при движении со скоростью, близкой к скорости света, предсказывает именно СТО. Самый известный из них – эффект замедления хода часов, или эффект замедления времени. Уверен, большинство из вас сейчас вспомнило фильм «Интерстеллар».

В этой же картине представлены и кротовые норы, являющиеся одним из следствий формул СТО. Если не вдаваться в подробности, то суть и аллегории фильма и формул заключается в том, что время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается. Ну а длина (протяженность в пространстве) объектов вдоль оси направления движения – наоборот, сжимается.

Вообще, этот эффект был описан ещё в 1889 году ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом. Затем дополнен в 1892 году Хендриком Лоренцем из Нидерландов. В результате он получил название «сокращение Лоренца – Фицджеральда».

Вот почему я говорю, что теория относительности – это результат совокупной работы многих учёных.

Сокращение Лоренца – Фицджеральда объясняет, почему опыт Майкельсона – Морли, на который ссылаются адепты эфирной гипотезы (определение скорости движения Земли в космическом пространстве путём замеров «эфирного ветра») дал отрицательный результат и показал, что эфира не существует.

Эйнштейн, к слову сказать, не просто включил эти уравнения в СТО, а дополнил их аналогичной формулой преобразования для массы, согласно которой масса тела тоже увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света.

Интересно, что псевдоучёные продолжают пользоваться тем фактом, что выводы и предсказания теории относительности зачастую противоречат логике и интуиции (хотя, заметим, научные выводы контринтуитивны не только в физике, но и в любой другой точной науке). Они словно забывают тот факт, что сами из года в год находят полные и прямые экспериментальные подтверждения теории Эйнштейна, но, тем не менее, продолжают распространять в научной среде свои непонимание и нежелание учиться.

Далее я расскажу о некоторых принципиальных доказательствах более подробно. А сейчас приведу один из самых показательных, на мой взгляд, опытов.

На борту авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, разместили сверхточные атомные часы. После каждого его возвращения в аэропорт приписки их показания сверяли с контрольными. Выяснилось, что часы на самолёте постепенно отставали от контрольных всё больше и больше. Правда, речь идёт о долях секунды, но нам важно принципиальное доказательство отставания.

Ну и, конечно, нельзя забывать об экспериментах на различных ускорителях частиц, включая Большой адронный коллайдер (БАК). Там пучки заряженных субатомных частиц (протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света. Ими либо обстреливают различные ядерные мишени, либо, как на БАК, сталкивают друг с другом. Последнее намного эффективнее, так как скорости движущихся навстречу друг другу объектов складываются.

При увеличении скоростей частиц до близких к скорости света их массы тоже увеличиваются. Этот факт необходимо учитывать. Иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации.

Таким образом, чтобы вам ни говорили, СТО уже очень давно перешла из разряда гипотез в область инструментов прикладной инженерии, где её используют наравне с законами механики Ньютона.

Кстати, о законах Ньютона

Необходимо особо отметить, что СТО, хотя она внешне и противоречит законам классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона. Конечно, при условии, если её применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть СТО не отменяет ньютоновскую физику, а расширяет и дополняет её.

Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая играет столь важную роль в этой модели строения мира. Такой вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы потому, что она определена естественнонаучным законом (см. Уравнения Максвелла). В силу принципа относительности скорость света в вакууме одинакова в любой системе отсчёта. Казалось бы, такое утверждение противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно. Однако это так.

Благодаря своей особой роли в законах природы скорость света занимает центральное место и в ОТО.

Общая теория относительности

ОТО применяется уже не только к движущимся с постоянной друг относительно друга скоростью, но и ко всем системам отсчёта. Поэтому, как уже было сказано, она и выглядит гораздо сложнее с точки зрения математики.

Включая в себя СТО (и, следовательно, законы Ньютона) как частный случай, ОТО расширяет границы и, если можно так сказать, даёт новую интерпретацию гравитации, которая на сегодня является её нерешённой частью.

Один из наиболее интересных фактов заключается в том, что ОТО описывает пространство четырёхмерным, добавляя к трём пространственным измерениям время. Поскольку все четыре измерения неразрывны, речь идёт о пространственно-временных интервалах между событиями. Так и появилось понятие пространства-времени. Тут интуиция, как говорится, вообще выходит из чата. Ведь наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут расходиться даже в мнении о том, произошли ли два события одновременно или одно предшествовало другому.

Спешу огорчить «альтернативщиков»: речь идёт не о нарушении причинно-следственных связей. Существования систем координат, в которых два события происходят не одновременно и в разной последовательности, даже ОТО не допускает (что упускают псевдоучёные и мракобесы).

Законы Ньютона тоже никак не нарушаются – меняется причина их возникновения. Если Ньютон говорил, что Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения, то Эйнштейн посредством ОТО показал, что причина в другом (что уже многократно было доказано, но об этом ниже).

Согласно ОТО, гравитация – это следствие деформации упругой ткани пространства-времени под воздействием массы. Наиболее понятный (хоть и слишком упрощённый) пример известен абсолютному большинству: туго натянутое полотно, на которое помещён массивный шар, деформируется под его тяжестью, из-за чего вокруг него образуется впадина в форме воронки.

То есть когда мы говорим о вращении Земли вокруг Солнца, то речь идёт не о взаимном притяжении. А о том, что наша планета как бы «падает» на Солнце, «катаясь» вокруг «воронки», образованной в результате «продавливания» Землёй пространства-времени.

То, что мы принимаем за силу тяжести в ньютоновском понимании, на самом деле исключительно внешнее проявление искривления пространства-времени. На сегодня лучшего объяснения природы гравитации, чем даёт нам ОТО, не найдено. И это факт!

Проверить ОТО непросто, поскольку в обычных лабораторных условиях её результаты практически полностью совпадают с результатами, предсказанными законом всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были проведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной.

Кроме того, ОТО помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе. Например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звёзд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца или звёзд вообще.

На самом деле значительные (действительно заметные) различия между результатами, предсказанными ОТО и законами Ньютона, проявятся только при наличии сверхсильных гравитационных полей. Это свидетельствует о том, что для полноценной проверки потребуются сверхточные измерения очень массивных объектов. Например, чёрных дыр. И знаете что? Мы очень близки к таким измерениям. Ведь на подходе гравитационно-волновая астрономия. Но об этом поговорим позднее.

Первое подтверждение общей теории относительности

29 мая 1919 года была сделана фотография солнечного затмения, с помощью которой был доказан основной постулат общей теории относительности: гравитация является не силой притяжения, возникающей между телами в космосе, как объяснял Исаак Ньютон, а свойством пространства-времени, которое искривляется под воздействием массивного тела.

Фотография, положившая начало «веку гравитации»

За тем затмением наблюдали две группы астрономов. Первая группа в составе Артура Эддингтона и его помощника Эдвина Коттингемна находились на острове Принсипи к западу от Африки. Вторая группа британских исследователей находилась в городе Собрал, что на севере Бразилии. При этом обе экспедиции были организованы Королевским астрономом Фрэнком Уотсоном Дайсоном.

Изображение из публикации о той работе

В то время мир всё ещё не оправился от Первой мировой войны. Поэтому научные исследования финансировали весьма скудно, и у астрономов было слишком мало оборудования. Помимо прочего, предсказывать погоду тогда практически совсем не умели (будем считать, что сейчас это выходит отлично). Обе эти проблемы оказывали отрицательно существенное влияние на работу, призванную зафиксировать отклонение света под действием гравитации.

Во-первых, если смещение будет обнаружено, как узнать, что конкретно его вызывает: ньютоновская физика или эйнштейновская? Ведь, согласно Ньютону, величина отклонения луча света должна равняться 0,8 угловых секунды, а по Эйнштейну – примерно 1,8. Одна угловая секунда составляет 1/3600°. Обнаружить такую небольшую разницу с приборами того времени – чрезвычайно сложная задача.

Во-вторых, на Принсипи весь день до затмения шёл дождь, а затем опустился туман, который несколько мешал наблюдениям и фотосъёмке. Но задача доказать или опровергнуть самую революционную научную идею XX века стоила всех усилий.

Эддингтону и Коттингемну удалось сделать 16 снимков. Но только два их них отображали достаточное количество звёзд, по которым можно было определить смещение.

У группы астрономов в Бразилии, несмотря на лучшие погодные условия, все 19 снимков, полученных при помощи основного телескопа, оказались не в фокусе. К счастью, у учёных был запасной телескоп, чуть меньше первого, с помощью которого им удалось сделать ещё восемь снимков, оказавшихся удачными.

В августе 1919 года рабочие материалы обеих групп были тщательно изучены. В итоге фотопластинки из Принсипи показали величину отклонения лучей света около 1,6 угловых секунд, из Бразилии – 1,98. Другими словами, безоговорочно была подтверждена общая теория относительности.

Через три месяца учёные презентовали одну из фотографий астрономов (ту, что в начале главы) во время выступления перед Лондонским королевским обществом, что дало начало «веку гравитации». Выступление повергло в всех присутствующих в шок: теория гравитации Ньютона, которая 200 лет была основной, стала частным случаем общей теории относительности.

Журналисты с огромным удовольствием подхватили эту новость, сопровождая её кричащими заголовками (кликбейт всегда был), наподобие этого: «Идеи Ньютона о гравитации выбросили на помойку».

Это было грубым искажением правды об открытии. Никто ничего никуда не выбрасывал! Просто ОТО показала процессы, происходящие во Вселенной, гораздо шире, чем теория гравитации Ньютона.

Последующие наблюдения за другими солнечными затмениями снова и снова подтверждали правоту ОТО. А первые же снимки, сделанные телескопом «Хаббл», выявили ещё большее искривление света под действием гравитации.

Краеугольный камень общей теории относительности и теории гравитации

Международная группа специалистов зафиксировала наиболее точное на данный момент подтверждение одного из краеугольных камней общей теории относительности – универсальность свободного падения (G. Voisin, 2020).

По большому счёту, этот принцип лежит в основе ОТО. Однако несоответствие между ОТО и квантовой механикой, а также загадка доминирования в составе Вселенной тёмных материи и энергии привели многих физиков к убеждению, что ОТО может не являться окончательной теорией гравитации.

Универсальность принципа свободного падения заключается в том, что два тела, упавшие в гравитационное поле третьего, независимо от своего состава испытывают одно и то же ускорение. Впервые это продемонстрировал Галилей. Как известно, он бросал объекты разной массы с вершины Пизанской башни, чтобы убедиться, что они оба достигают Земли одновременно.

Новое исследование показало, что этот постулат справедлив даже для сильно самогравитирующихся объектов, таких как нейтронные звёзды. Измерения были записаны совместной группой из Университета Манчестера, парижской обсерватории и Института радиоастрономии Макса Планка.

Специалисты изучили данные о трио, состоящем из двух белых карликов и пульсара. В этом трио пульсар и первый белый карлик вращаются друг вокруг друга (на расстоянии в 10 раз ближе чем Меркурий к Солнцу) и в то же время – вокруг второго белого карлика. Последний расположен на расстоянии немного дальше, чем Солнце от системы Земля – Луна.

Авторская визуализация пульсара и его ближайшего спутника – белого карлика с их орбитами и вторым спутником на заднем плане. Не в масштабе. © Guillaume Voisin CC BY-SA 4.0

Казалось бы, в подобной схеме нет ничего удивительного. Аналогично Земля с Луной вращаются вокруг Солнца. Но тут всё дело в массах объектов, и в частности пульсара «PSR J0337+1715». При диаметре всего 25 км он имеет массу в 1,44 раза больше массы Солнца. Предполагалось, что этот пульсар может больше гравитационно воздействовать на белого карлика, находящегося с ним в непосредственной близости и одной связке, чем второй белый карлик. При этом согласно данной гипотезе различалось бы воздействие и второго белого карлика на каждый из оставшихся компонентов.

Как были получены данные?

Пульсар испускает пучок радиоволн, который проносится сквозь пространство. При каждом повороте это создает вспышку радиоизлучения, которая с очень высокой точностью фиксируется радиотелескопом. Когда пульсар движется по своей орбите, время прихода света на Землю смещается, согласно определённому закону. Именно точные измерения и математическое моделирование этих пучков радиоизлучения, вплоть до наносекунды, позволили учёным делать выводы о движении звезды с исключительной точностью. В итоге был зафиксирован аналог эксперимента Галилея космических масштабов. Два тела разных состава и массы падают с одинаковым ускорением в гравитационном поле третьего.

Таким образом, универсальность свободного падения, описанная в ОТО, была подтверждена с уровнем достоверности 95 %. Она справедлива даже в присутствии объекта, масса которого в значительной степени обусловлена его собственным гравитационным полем. А это, в свою очередь, в очередной раз подтверждает и саму ОТО.

Одно из последних доказательств теории относительности

Во время наблюдений за уникальной двойной звездой PSR J1141-6545 в созвездии Мухи астрономы зафиксировали искажение ткани пространства-времени вокруг быстро вращающегося белого карлика. Они смогли наблюдать «качание» орбиты пульсара, вращающегося вокруг этого карлика, примерно на 150 км в стороны. Этот эффект, как вы уже поняли, объясняется теорией относительности как искривление ткани пространства-времени вокруг быстро вращающегося массивного объекта.

Уникальность системы PSR J1141-6545 заключается в том, что белый карлик вращается невероятно быстро. Благодаря рекордно малому расстоянию между компонентами пульсар движется по орбите соседа с огромной скоростью в 1 млн км/ч.

Всё это просто не могло не привести к проявлению релятивистских эффектов. Поэтому астрономы и начали свои наблюдения в поисках проявления одного конкретного эффекта Лензе – Тирринга, релятивистского аналога силы Кориолиса, но закручивающего само пространство.

Результаты исследования максимально точны (V. Venkatraman Krishnan, 2020). Так, специалисты измерили скорость импульсов от пульсара до Земли с точностью до 100 мс за 200 лет, используя радиотелескопы Parkes и Extreme в Австралии.

Чёрные линии показывают радиоконтуры, треугольник указывает на пульсар PSR J1833-0827. Небольшая вставка показывает функцию разброса точек инструмента с учётом сглаживания, применённого к изображению

По результатам этих замеров и был обнаружен дрейф осей вращения компонентов этой двойной системы. Исключив последовательно все возможные причины этого дрейфа, специалисты пришли к выводу, что он является результатом перетаскивания кадров. То есть быстро вращающийся массивный белый карлик тянет пространство-время, закручивая его в сторону своего вращения. В результате наклон орбиты пульсара медленно меняется из-за упомянутого выше эффекта Лензе – Тирринга.

Вы только представьте: пространство может искривляться под действием массы! Результаты этого исследования в очередной раз подтвердили теорию относительности. Помимо прочего, они помогут в изучении других пульсаров и белых карликов. Как знать, возможно это новый шажок на пути к освоению Вселенной.

Верна ли общая теория относительности Эйнштейна?

Если у вас ещё остались сомнения, значит, я, видимо, не очень доходчиво рассказал о доказательствах, подтверждающих её. Предлагаю закрепить эту тему перед тем, как перейти к гравитационным волнам.

ОТО по своей сути является геометрической теорией тяготения. В ней постулируется тот факт, что гравитация – не сила, как описывал Ньютон, а результат деформации самого́ пространства-времени. Основное отличие от других метрических теорий тяготения даёт уравнение Эйнштейна, описывающее связь кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей (нет, это не эфир).

На сегодня ОТО – самая успешная теория гравитации, многократно подтверждённая экспериментально. Перечислю основные подтверждения.

Принцип соответствия

Этот принцип гласит, что любая новая научная теория должна включать старую теорию (проверенную и подтверждённую) и её результаты как частный случай.

Так, следствия специальной теории относительности в рамках малых скоростей полностью соответствуют выводам классической механики.

Общая теория относительности, частным случаем которой является СТО, даёт те же результаты, что и классическая теория тяготения Ньютона при малых скоростях и малых значениях гравитационного потенциала.

Отклонение луча света в поле Солнца

Одним из косвенных экспериментов, подтверждающих ОТО, служит отклонение луча света в поле Солнца.

Суть эксперимента такова. Мы точно знаем, когда звезда должна скрываться за Солнцем. Фиксируем время, когда звезда покидает зону видимости, и извлекаем угол отклонения луча света от прямой.

Эти эксперименты проводятся регулярно во время полных солнечных затмений. С 1919 года данное явление многократно подтвердили, во-первых, астрономические наблюдения звёзд во время полных затмений Солнца. А во-вторых, радиоинтерферометрические наблюдениями квазаров, проходящих вблизи Солнца во время его пути по эклиптике. Дополненным подтверждением ОТО является тот факт, что даже из ньютоновской корпускулярной теории света вытекает отклонение луча в поле Солнца.

Запаздывание сигнала в поле Солнца

Для проведения эксперимента на Венеру и Меркурий во время их приближения к диску Солнца астрономы посылали сигналы (радиолокация), а затем регистрировали время их прихода обратно. Чем ближе к диску Солнца находились планеты, тем дольше шёл сигнал. Всё очень просто и безвариантно.

Гравитационное линзирование

С эффектом гравитационной линзы никто не спорит. Впервые он был описан именно в ОТО, а в 1979 году вокруг такой линзы наблюдались две туманности с абсолютно одинаковым спектром излучения. Благодаря уравнениям ОТО стало понятно, что это одна туманность, свет от которой проходит до нас через гравитационную линзу. Таким образом, можно сделать очевидный вывод: гравитация принципиально нелинейна.

С помощью частного случая, гравитационного микролинзирования, когда масса гравитационной линзы очень мала, были обнаружены коричневые карлики. В данном случае именно коричневые карлики играли роль микролинзы, так как их невозможно было наблюдать иначе из-за очень небольшой (по звездным меркам) массы и практически полного отсутствия светимости.

Когда коричневый карлик встаёт на линию «наблюдатель – яркий объект», то наблюдается эффект микролинзирования в виде кольца света. По изменению яркости и расстоянию до наблюдаемого объекта можно приблизительно оценить массу коричневого карлика.

Гравитационное излучение (гравитационные волны)

Их обнаружение подтверждает, что имеется «ткань» пространства-времени, а значит, и теория гравитации, описываемая ОТО, получает очередное подтверждение. Спустя некоторое время после регистрации гравитационных волн и анализа полученных данных специалисты пришли к выводу, что несколько альтернативных ОТО теорий, предполагающих наличие дополнительных измерений во Вселенной, неверны.

Чёрные дыры

Описываются чёрные дыры только в ОТО. Поэтому полученное фото этого экзотического объекта служит отличным её подтверждением. Хотя мы не можем утверждать на все 100 %, что на фотографии именно чёрная дыра. Наверняка очень скоро появятся альтернативные объяснения. Но это даже хорошо! Ведь именно так и работает наука, подвергая сомнению любой зафиксированный результат. Потому-то ОТО и является главенствующей теорией – она уже многократно прошла проверку попытками опровержения.

А ещё проверены принцип эквивалентности, смещение перигелия, изменение частоты в поле тяготения, эффект гравитационного красного смещения. Кстати, последний был проверен международным проектом с российским участием «Радиоастрон». И каждый раз ОТО получала очередное подтверждение. Этот факт не может не удивлять. Ведь получается, что общая теория относительности уже описала существенную часть Вселенной.

Раздел 3

Шёпот Вселенной (гравитационные волны)

Продолжая тему теории относительности, необходимо рассмотреть ещё два очень важных и невероятно будоражащих сознание явления. Начнём с гравитационных волн, а в данном разделе – с краткого описания того, что такое гравитация.

Визуализация искривления пространства под действием гравитации

Это понятие даёт невероятный простор для спекуляций. Разнообразные домыслы и вымыслы могли быть вполне безобидными, вроде научной фантастики. Но нет. Гравитация послужила огромным полем деятельности разнообразных мракобесов, пользующихся отсутствием единой теории.

Есть только один стопроцентный факт о гравитации – мы практически ничего о ней не знаем. Мы знаем только, что это фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей (по сравнению со скоростью света) и слабого взаимодействия гравитация описана теорией тяготения Ньютона. В общем случае её описывает общая теория относительности. А вот квантовая теория гравитации, которая объединила бы две физические теории – квантовую механику и ОТО, – до сих пор не разработана. Этого не позволяет построить Теория всего.

При этом мы точно знаем, что гравитация есть. Без неё во Вселенной не было бы планет, звёзд, галактик и всего остального. Ведь именно она определяет ключевые условия равновесия и устойчивости астрономических систем.

Как мы её исследуем?

ОТО предсказывала, что гравитация распространяется в пространстве в виде волн со скоростью света. Эти волны невероятно сложно обнаружить. Чувствительности современных приборов хватает лишь на то, чтобы зафиксировать гравитационные волны от очень масштабных событий, таких как столкновение чёрных дыр.

Впервые гравитационные волны после нескольких десятков лет поисков астрономы зафиксировали в 2015 году. В 2017-м они впервые обнаружили как гравитационные волны, так и свет от одного события – слияния нейтронных звезд. Теперь исследователи используют эти данные для того, чтобы подтвердить некоторые основные факты о Вселенной.

Благодаря этим событиям учёным удалось добавить пару фактов в копилку знаний о гравитации:

1. Не найдено никаких доказательств «гравитационной утечки» и, как следствие, дополнительных измерений во Вселенной, что отсекает несколько альтернативных ОТО теорий. Ранее считали, что гравитация может проникнуть за пределы четырёх измерений (три координаты и время). Это привело бы к потере бóльшего количества энергии и в итоге вылилось в разницу между количеством световых и гравитационных волн. Однако их сравнение от столкновения нейтронных звёзд показало: этого не происходит.

2. Гравитация движется так, как предсказывает Общая теория относительности. Если бы гравитон (теоретическая частица-переносчик гравитационного взаимодействия) имел массу, как и любая другая частица, то гравитационные волны проявляли бы признаки импульса, что являлось бы нарушением ОТО. Этого не произошло, гравитон остался безмассовым. Таким образом, ОТО получила дополнительное подтверждение.

Кроме того, следует отметить, что квантовая теория гравитации по-прежнему ждёт своего открытия. Очень бы хотелось застать этот момент. Ведь перспективы её применения будоражат сознание. Хотя бы исследованием новых миров.

Об отсутствии дополнительных измерений во Вселенной. Эйнштейн по-прежнему прав

В одном из исследований учёные использовали данные, полученные от слияния нейтронных звёзд. В отличие от первого и нескольких последующих событий (слияния чёрных дыр) астрономы смогли наблюдать источник в электромагнитных волнах, что позволило немного продвинуться в изучении гравитации.

Ни для кого не секрет, что самые большие проблемы в изучении Вселенной создают тёмные материя и энергия. Скажем откровенно: мы их совершенно не понимаем. Однако на этих энергиях держится всё наше мироздание.

«Сегодня предложено большое количество всевозможных теорий, которые объясняют природу этих явлений. Есть и те, что отвергают тёмную материю и тёмную энергию, составляя альтернативу общей теории относительности. Они основываются на дополнительных измерениях. Например, одна из них утверждает, что на больших расстояниях гравитация “просачивается” в другое измерение и ослабевает», – пояснила Майя Фишбах, соавтор этого исследования.

Слияние нейтронных звёзд стало отличным способом проверить предсказания альтернативных теорий. Гравитационные волны от столкновения сопровождались обнаружением гамма-лучей, рентгеновских лучей, радиоволн, а также оптического и инфракрасного излучений. Это позволило точно определить расстояние до источника. Если бы гравитация просачивалась в другие измерения по пути к Земле, то сигнал, который был пойман детекторами гравитационных волн, был бы слабее, чем ожидалось. Но при сравнении видимого расстояния до источника с расчётным из данных LIGO оказалось, что это не так.

О величии открытия гравитационных волн и применении полученных знаний

Около 1,3 млрд лет назад две чёрные дыры закрутились в спиральном гравитационном танце, неумолимо падая навстречу друг другу. В итоге они столкнулись, преобразовав три солнечные массы вещества в чистую энергию за десятую долю секунды.

В этот редчайший миг зарево могло быть ярче всех звёзд во всех галактиках всей наблюдаемой Вселенной. Но у чёрных дыр энергия выделяется не в виде света. Вся эта энергия была вброшена в саму ткань пространства-времени, заставляя Вселенную взорваться гравитационными волнами. Потрясающе!

Давайте поразмыслим о временных масштабах. Итак, 1,3 млрд лет назад, на Земле только зародилась многоклеточная жизнь. За прошедшее до настоящего момента время на планете появились и развились кораллы, рыбы, растения, динозавры, птицы, млекопитающие, люди.

В 1916 году Альберт Эйнштейн на основании общей теории относительности впервые предсказал существование гравитационных волн. И вот только 25 лет назад Райнер Вайс из МТИ, Кип Торн и Рональд Дрейвер из Сколтеха решили, что было бы просто превосходно построить гигантский лазерный детектор для поиска этих гравитационных волн.

Большинство людей посчитали их сумасшедшими. А вот очень немногие люди из Национального научного фонда США поняли, что перед ними – гениальные сумасшедшие, и решили финансировать эту безумную идею.

После десятилетия разработок, полёта творческого воображения и огромного количества тяжелейшей работы они построили свой детектор. Сейчас он всем известен как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (ЛИГО).

В начале сентября 2015 года ЛИГО была включена для последней проверки, чтобы отладить несколько оставшихся проблем. И 14 сентября 2015 года, всего через пару дней после того, как детектор включили, гравитационные волны от тех самых двух столкнувшихся чёрных дыр прошли сквозь Землю, сквозь каждого жителя Земли и, конечно же, сквозь детектор.

Скотт Хьюз (Scott Hughes), профессор МТИ, который последние 23 года изучал гравитационные волны, образованные от слияния чёрных дыр, и их сигналы, которые могли бы принимать обсерватории подобные ЛИГО, так описал это событие:

«В моей жизни было два столь эмоциональных момента. Первый – это рождение моей дочери. Второй – когда мне пришлось прощаться с моим смертельно больным отцом. Знаете, по существу, это стало вознаграждением всей моей карьеры. Всё, над чем я работал, – больше не научная фантастика (смеётся)».

Так что же такое гравитационные волны?

Как и объяснял Эйнштейн, эти волны представляют собой рябь пространства, распространяющуюся во времени со скоростью света. Когда гравитационная волна проходит между двумя свободно падающими телами, расстояние между ними изменяется. Относительное изменение этого расстояния служит мерой амплитуды волны. Это рябь в конфигурации пространства-времени. То есть когда волна проходит, она растягивает пространство и всё, что в нём находится, в одном направлении (условно горизонтальном) и сжимает в другом (условно вертикальном). То есть каждый человек на планете растягивается и сжимается при прохождении сквозь него гравитационной волны.

Проблема с обнаружением гравитационных волн заключается в том, что они невообразимо слабые. Волна, зафиксированная 14 сентября 2015 года, растянула человека примерно на 10–21 м. Даже лазерным детектором длиной 5 км (что уже безумие) учёным нужно было замерить длину лазера между детекторами с точностью до одной тысячной радиуса атомного ядра! Ещё бы работников ЛИГО не считали сумасшедшими.

Один из соучредителей ЛИГО Кип Торн, описывая охоту за гравитационными волнами, свой классический трактат по гравитации закончил следующими словами:

«Технические трудности, которые необходимо преодолеть в создании таких детекторов, огромны. Но физики изобретательны. С поддержкой широких масс все препятствия будут непременно преодолены».

Торн опубликовал этот труд в 1973 году – за 42 года до того, как он добился успеха.

Как работает ЛИГО?

Эта обсерватория действует, скорее, как ухо, чем как глаз. Видимый свет имеет длину волны, которая гораздо меньше всех окружающих нас предметов. Именно этот факт позволяет нам создать картину окружающего нас мира за счёт отражённого от этих предметов света, попадающего в глаза. А вот звук работает иначе. Длина волны слышимого звука может достигать более 15 м! И это делает практически невозможным создание зрительного образа. Вместо него мы используем тональность, ритм, громкость и прочие параметры для того, чтобы понять то, что стоит за этим звуком.

То же самое происходит с гравитационными волнами – мы не можем использовать их для создания простых картин объектов Вселенной. Но, прислушиваясь к изменениям в амплитуде и частоте этих волн, можем слышать историю, рассказываемую этими волнами. И для ЛИГО частоты, которые она может воспринимать, находятся в доступном диапазоне. Если мы преобразуем характер волн в колебания давления в воздухе (в звук), мы сможем буквально услышать говорящую с нами Вселенную.

Прослушивание гравитации таким способом может рассказать нам очень много о столкновении чёрных дыр, слившихся в том самом гравитационном танце 1,3 млрд лет назад.

Источник: (Попов, 2016)

Нужно понимать, что это всего лишь одна волна из огромного количества волн, которые были рождены в момент слияния чёрных дыр. Если вы знаете, как слушать, и у вас есть соответствующие инструменты, то вы понимаете что это звук слияния двух чёрных дыр. Их масса равняется примерно массам 30 Солнц (29,36, если быть точным). И они вращаются друг вокруг друга со скоростью 100 оборотов в секунду.

Как нам использовать полученные знания?

ЛИГО – абсолютно новый инструмент для обзора Вселенной, которого у нас раньше не было. Он позволяет нам услышать Вселенную ещё на гораздо более тонком уровне, чем раньше. Услышать невидимое, но существующее. А во Вселенной очень много того, чего мы не можем увидеть. Например, мы можем узнать, почему сверхмассивные звёзды взрываются в сверхновые. И только здесь информации для новых открытий хватит на десятилетия.

На данный момент основная проблема заключается в том, что самые интересные процессы происходят в центре этих звёзд. Мы никогда не сможем их увидеть. А между тем гравитационные волны проходят эти звёзды насквозь, изменяя свою структуру подобно звуковой дорожке, записывая всё, через что она проходит.

Мы никогда не увидим первые моменты существования Вселенной после Большого взрыва, так как он был невидим из-за собственного свечения. Между тем гравитационные волны дают нам возможность увидеть всё с самого начала. Во Вселенной есть вещи, которые мы не можем себе даже представить. Даже в описанном случае ЛИГО открыл то, чего никто не ожидал.

Мэт Эванс, физик из МТИ, один из сотрудников ЛИГО, проводит очень интересную аналогию:

«Тип звёзд, которые образуют чёрные дыры, – это динозавры Вселенной. Это очень древние массивные объекты, казалось бы, недоступных времён, а чёрные дыры – это словно кости динозавра, с которыми мы творим эту археологию. Это позволяет нам взглянуть с совершенно иной стороны на то, как устроена Вселенная, как появляются звёзды и как, наконец, из всего этого хаоса появились мы».

Можно описать это открытие более кратко, как Алан Адамс, профессор физики, в одном из своих выступлений:

«Если вы посмотрите в ночное небо, то увидите звёзды. Посмотрев дальше, увидите ещё больше звёзд. Дальше вам откроются галактики. Ещё дальше – больше галактик. Глядя дальше и дальше, долгое время вы ничего не сможете увидеть. Но, в конце концов, заметите слабое послесвечение. Это послесвечение Большого взрыва. Мы с захватывающей точностью отметили это послесвечение на карте Вселенной. И нас вот что шокировало – послесвечение практически полностью однородно.

14 млрд лет в каждую сторону мы имеем практически одну и ту же температуру. Мы находимся как бы в пузырьке. И это захватывает! Но недавно учёные открыли кое-что куда круче. Представьте, что вы молотом ударили в колокол, – он зазвенел. Звон будет угасать, пока не угаснет совсем. То же происходит со Вселенной. Она была сжата в одну точку, пока по ней не «ударили». При этом звоном является структура пространства-времени, а молотом – квантовая механика.

Этим звоном и являются гравитационные волны, которые были открыты. Это открытие в очередной раз подтверждает теорию о постоянно расширяющейся Вселенной, включая идею о «пузырьке». Но по-настоящему безумная идея состоит в том, что наш «пузырёк» не единственный. Он – один из бесконечного числа «пузырьков», находящихся в бурлящем котле Вселенной. Пока мы только предполагаем, но, работая и занимаясь наукой, мы когда-нибудь сможем с уверенностью сказать, что наша Вселенная примерно так и выглядит. Это просто потрясающе!»

Нам сейчас необходимо быть до предела дерзкими. Благодаря ЛИГО мы теперь знаем, как строить точнейшие детекторы, которые позволяют нам слушать шёпот космоса. Мы должны и дальше мечтать о постройке ещё более совершенных обсерваторий – на Земле и в космосе. Мы должны задаться целью услышать Большой взрыв.

Представляете, насколько сложно было сделать это открытие? Только вдумайтесь: речь идёт об измерении крайне быстрых и кратковременных колебаний расстояния между неподвижными объектами детектора, вызванных искажениями самой ткани пространства и имеющих амплитуду меньше, чем размер атомного ядра!

Главное, что следует усвоить с самого начала: факт существования гравитационных волн с момента их описания никем никто из специалистов не ставился под сомнение. При этом каждый скажет, что было бы крайне интересно, если бы их вдруг не обнаружили, что это означало бы: либо теория относительности неверна, либо мы абсолютно неправильно понимаем природу Вселенной.

Но их гравитационные волны все-таки обнаружили!

Что принесло открытие гравитационных волн?

Фиксация гравитационных волн подтвердила огромное количество разнообразных представлений, главенствующих в физике и астрономии. Теория относительности в очередной раз подтвердилась!

Подтвердилось существование чёрных дыр (фото было получено позже).

Подтвердились представления об эволюции и конечной стадии двойных звёздных систем.

В общей сложности нашли своё подтверждение все (!) предсказания в физике, астрономии и астрофизике, сделанные в течение последних, на минуточку, 100 лет.

Таким образом, для всех, кто хоть немного связан с наукой или увлечён ею, становится очевидным, что она (наука) движется в правильном направлении, строго следуя логике, наблюдениям и экспериментам. Вселенная познаваема! Это крайне важно знать в наше время, когда невежество и мистицизм вновь набирают обороты.

Что даст это открытие в будущем?

Сделать такой прогноз очень непросто. Точно можно сказать одно: в астрономии освоение каждого нового диапазона излучения всегда приводило к открытию новых объектов и явлений. Именно поэтому при открытии нового излучения астрономы всегда говорят о новом окне во Вселенную.

Так, от визуальных наблюдений мы постепенно переходили к рентгеновскому, инфракрасному и радиодиапазонам. Затем в качестве нового способа познания появились космические лучи. Нейтрино стали последним способом получения информации о Вселенной. Появился даже подраздел «нейтринная астрономия». Теперь же астрономия станет гравитационно-волновой.

В конце концов, Генрих Герц после обнаружения электромагнитных волн посчитал их бессмысленными. А мы сегодня пользуемся телефонами, смотрим телевизор и используем навигаторы, чтобы не заблудиться в незнакомом городе. Как знать, вполне вероятно, что именно гравитационные волны станут началом реального освоения человечеством Вселенной.

Есть и ещё одна очень интересная аналогия. В коллайдерах мы сталкиваем элементарные частицы, чтобы понять не только их устройство, но и, собственно, устройство Вселенной. Теперь же, только представьте, мы имеем возможность наблюдать, к примеру, столкновения нейтронных звёзд, чтобы понять, как устроены уже они. Так мы познаём, опять же, Вселенную, но в принципиально других масштабах.

Гравитационные волны помогут сформировать карту ближайшей Вселенной и обнаружить тёмную материю

Галактики-спутники Млечного Пути представляют огромный интерес для космологии, фундаментальной физики и астрофизики. Однако из-за крайне низкой светимости их невероятно сложно обнаружить. Собственно, из достоверно подтверждённых галактик есть лишь 15. Хотя некоторые исследования показывают, что на самом деле галактик может насчитываться от нескольких сотен до более тысячи (Michael T. Busha, 2010). К примеру, яркость нашей галактики не даёт нам нормально увидеть галактику Андромеды, хотя её угловые размеры в 6 раз больше Луны.

Пользователь Reddit наглядно продемонстрировал, какая красота скрывается за светом наших звёзд

Всё это невероятно затрудняет изучение Вселенной. Гравитационно-волновая астрономия, как мы уже говорили, сможет дать невероятный прорыв в этом направлении. Между тем к настоящему времени ещё не разработаны инструменты для её реализации. LIGO и VIRGO – это детекторы гравитационных волн, доказавшие их существование. Эти детекторы используют сейчас для обнаружения только высокочастотных гравитационных волн. Одним из инструментов, способных фиксировать среднечастотные ГВ, должна стать Laser Interferometer Space Antenna (Лазерная интерферометрическая космическая антенна), запуск которой запланирован на 2034 год. Правда, существует вероятность, что он будет перенесён на 2029 год. Собственно говоря, в декабре 2015 года был запущен спутник LISA Pathfinder, предназначенный для отработки некоторых решений для оборудования LISA и показавший реализуемость проекта LISA.

Так для чего всё это нужно?

Гравитационно-волновая астрономия позволит заглянуть за пределы той физики, в границы которой мы упёрлись из-за недостаточной чувствительности создаваемых сегодня приборов. Так, к примеру, мы фиксируем гравитационные взаимодействия между нашей Галактикой и её спутниками (Alis J. Deason, 2020), но не видим абсолютное большинство из них (Elinore Roebber, 2020). Это мешает нам составлять более точные модели для изучения всё той же гравитации или тёмных материи и энергии.

Кроме того, учёные предполагают, что крайне низкая светимость галактик-спутников объясняется тем, что они состоят в основном из самых старых и бедных металлами звёзд, что даст нам возможность изучать ранние этапы эволюции Вселенной.

В конце концов, мы сможем составить более подробную карту собственной Галактики. Ведь сейчас мы имеем лишь приближённую модель.

Кому полезно открытие гравитационных волн, кроме физиков?

Подведём своего рода итог, чтобы принять факт существования гравитационных волн как данность. При этом обозначим вероятное практическое применение и направления дальнейшего развития этой потрясающей, опередившей своё время работы по их обнаружению.

Суть гравитационных волн простыми словами

11 февраля 2016 года на пресс-конференции в Вашингтоне группа учёных обсерватории LIGO объявила о том, что смогла зафиксировать гравитационные волны, испущенные при столкновении двух чёрных дыр 1,3 млрд лет назад.

После этого оборудование LIGO, Virgo и других обсерваторий непрерывно совершенствовалось. В итоге гравитационные волны от слияния чёрных дыр регистрировались уже целых четыре раза.

16 октября 2017 года весь мир узнал ещё об одном выдающемся открытии астрономов LIGO, Virgo и ещё 70 обсерваторий, которые достигли таких мощностей, что смогли зафиксировать гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд.

Фотография источника гравитационных волн – NGC 4993 (в центре различима вспышка). Фото с сайта nplus1.ru

Отличительной особенностью данного открытия стало то, что это событие было зафиксировано и в оптическом диапазоне. То есть учёные буквально его увидели!

Никто не сомневался, что открытие гравитационных волн будет удостоено Нобелевской премии по физике. Так и произошло. Премию вручили Райнеру Вайсу, Барри Баришу и Кипу Торну.

При этом учёные совершенно не торопятся говорить о практическом применении гравитационных волн. Сначала необходимо проанализировать результаты, сделать соответствующие выводы и только после этого двигаться дальше.

Но каждый раз, когда приходится отвечать на подобные вопросы, специалисты напоминают, что ещё совсем недавно человечество точно так же не знало, что делать с электромагнитными волнами, которые в итоге привели к настоящей научно-технической революции.

Чем они могут быть полезны?

Во-первых, фиксация гравитационных волн в очередной раз подтвердила общую теорию относительности, в рамках которой они были описаны в 1916 году. ОТО была одним из самых глубоких научных и философских осознаний ХХ века и сейчас составляет основу самых интеллектуальных исследований в реальности.

То, что человек смог разработать такой труд, имея лишь личное стремление к познанию окружающего мира, – факт просто невероятный. В астрономии применения общей теории относительности ясны: от гравитационной линзы до измерения расширения Вселенной. Бóльшая часть современных технологий использует уроки теории относительности в тех областях, которые считаются простыми. Например, спутники глобальной навигации не будут достаточно точными, если не применять простую корректировку замедления времени, предсказанного теорией относительности.

При этом следует понимать, что, когда Альберт Эйнштейн представил свою теорию в 1916 году, её применение было, мягко говоря, сомнительным. Эйнштейн просто описывал Вселенную такой, какой он её видел. И вот сейчас доказан очередной её «фантастический» постулат. Конечно, это вызывает бурю негодования у тех, кому физика побоку (хотя именно такие и жалуются на неточность навигации, например, в навигаторе смартфона). Спрашивать у астрофизиков о том, как могут быть использованы гравитационные волны, себе дороже.

Но я вам по секрету всё же отвечу. После того как физики собрали данные от пар чёрных дыр, которые будут играть роль маяков, разбросанных по Вселенной, они смогут измерить скорость расширения Вселенной или количество тёмной энергии с чрезвычайной точностью. Намного точнее, чем они могут сделать это сегодня.

– Ну хорошо им! – скажут многие.

А каково их практическое применение?

Существует исключительно умозрительная интерпретация. Например, открытие рентгеновских лучей. Вильгельм Рентген в 1895 году обнаружил лучи, впоследствии названные его именем, во время опытов с электронно-лучевыми трубками. Лишь в 1901 году он получил за их открытие первую Нобелевскую премию по физике. И это при том, что сам он занимался их исследованием не более года. Основную же часть работы сделали его последователи. В итоге эти электромагнитные волны стали ключевым компонентом в повседневной медицине.

Аналогично первым экспериментальным получением радиоволн в 1887 году Генрих Герц подтвердил известные электромагнитные уравнения Джеймса Клерка Максвелла. Только спустя большой промежуток времени, в 90-х годах ХХ века, Гульельмо Маркони создал радиопередатчик и радиоприемник, доказав их практическое применение. За это он тоже получил Нобелевскую премию по физике в 1909 году. Уравнения Шрёдингера, описывающие сложный мир квантовой динамики, начинают находить применение только сейчас, в разработке сверхбыстрых квантовых вычислений, оставаясь во многом непознанными.

Все научные открытия полезны, и многие, в конечном счёте, имеют повседневное применение, которое мы со временем воспринимаем как должное.

В настоящее время практическое применение гравитационных волн пока ограничивается астрофизикой и космологией. Без сомнения, учёные и инженеры найдут другое применение этим волнам, помимо зондирования космического пространства. Как минимум, обнаружению этих волн поспособствовало развитие технологий в оптической технике для LIGO. Теперь нам доступна «тёмная сторона Вселенной», которая находится за пределами электромагнитного излучения.

Безусловно, обнаружение гравитационных волн – триумф человечества, который поможет изучить нашу Вселенную для будущих поколений. Это определенно золотой век для науки, в котором исторические открытия стали обычным делом.

А что, если пофантазировать?

Давайте попробуем заглянуть лет на 15–20 в будущее, когда себя проявят ныне живущие Теслы, Эйнштейны и Рентгены. Так как мы говорим о волнах, то в первую очередь на ум приходят телефонная, радио- и мобильная связь, интернет-сети.

Я имею в виду, что на основе открытия гравитационных волн могут быть созданы принципиально новые каналы беспроводной передачи данных. Действующие на любые расстояния, не требующие ретрансляторов, характеризующиеся высоким качеством связи. Это значительно удешевит стоимость новых приборов, упростит и ускорит развитие новых технологий.

Поисково-спасательная отрасль

Уж если учёные собираются заглянуть в недра нейтронных звёзд при помощи гравитационных волн, то почему бы на их основе не создать принципиально новые устройства, способные прогнозировать землетрясения или, например, для обнаружения людей под завалами.

Поиск полезных ископаемых

Из сказанного вытекает и возможность создавать устройства, предназначенные для обнаружения залежей полезных ископаемых, определения их промышленных запасов, оптимальных точек бурения (для нефти, газа и газового конденсата) и многое другое.

Дефектоскопия

Неразрушающий контроль сейчас является основным направлением в исследовании свойств материалов. Дистанционный контроль усталости металлов и композитов в критических режимах перед разрушением; управление и контроль за процессами синтеза материалов при помощи новейших технологий.

Медицина и биология

На основе гравитационных волн могут быть созданы принципиально новые и абсолютно безопасные медицинские приборы, а также оборудование для диагностики состояния биологических систем и в лечебных целях. Безопасные, потому что гравитационные волны непрерывно проходят сквозь нас, никак не влияя на наше самочувствие.

Астрофизика

Уже сейчас можно смело говорить о том, что речь может идти о новом этапе в изучении и освоении космоса. Гравитационные волны теоретически дают нам возможность, например, «увидеть, услышав» первые моменты существования Вселенной после Большого взрыва.

Изучение гравитационных волн от взаимодействия нейтронных звёзд – ещё один шаг на пути к пониманию величайшей загадки.

Сможет ли LIGO обнаружить кротовые норы?

Этот вопрос следует вынести отдельно. Мы фактически прикованы к своей планете и с огромным трудом делаем первые шаги в освоении Солнечной системы. Но что дальше?

Когда шумиха после обнаружения гравитационных волн от слияния чёрных дыр, а затем и от нейтронных звёзд слегка поутихла, LIGO перешла к очередному обновлению детекторов, а физики свою работу продолжили. Тем более что данных им теперь хватит на годы вперёд.

В одной из работ учёные предположили, что гравитационные волны могут возникать в результате «схлопывания» кротовых нор. Они даже смоделировали процесс, показав, каким должен быть сигнал от подобного явления (Pablo Bueno, 2018).

Кротовые норы, как объясняют в своей работе Пабло Буэно с коллегами, по сравнению с чёрными дырами будут обладать характерной отличительной особенностью – отсутствием горизонта событий, что поменяет поведение порождённых кротовыми норами гравитационных волн.

«Особое “дрожание”, которое возникает на последних стадиях слияния чёрных дыр, постепенно исчезает, если у порождённого ими объекта есть горизонт событий. В том случае если его не существует, как у кротовых нор, то эти колебания не исчезают полностью. Они вызывают своеобразное эхо, серию всплесков, похожих на то, как если бы мы крикнули в колодец», – рассказал ведущий автор работы Пабло Буэно.

Согласно созданной модели, первичный всплеск гравитационных волн, порождённых слиянием чёрных дыр и кротовых нор, будет практически полностью совпадать. Различия же проявятся только на финальной стадии явления. Специалисты называют это явление «дрожанием» («ringdown»).

Дело в том, что при слиянии чёрных дыр это гравитационное «эхо» достаточно быстро исчезает из-за наличия горизонта событий. Между тем в кротовых норах «эхо» должно продолжать периодически испускать всплески гравитационных волн со строго определенным спектром и силой. Из-за этого оно будет существовать в десятки раз дольше, чем первичная вспышка колебаний пространства-времени. Правда, будет заметно слабее по силе.

Авторы исследования попытались найти подобное «эхо» в данных, собранных LIGO. Они создали компьютерную модель похожего слияния, но никаких следов пока не обнаружили. Вероятнее всего, просто не хватает чувствительности, которая может быть достигнута после одного из обновлений. Так или иначе, в этой области нас ждёт очень много совершенно невероятных открытий.

Раздел 4

Чёрные дыры

Что такое чёрная дыра?

Сама концепция существования ЧД появилась достаточно давно. Она была реальна ещё в рамках ньютоновской теории тяготения, когда достаточно представить себе объект настолько массивный, что вторая космическая скорость будет для него равна скорости света.

Расцвела эта гипотеза тогда, когда потребовалось объяснение невероятной светимости квазаров. Тут-то и появилась теория дисковой аккреции Шакуры – Сюняева. В рамках этой теории данное излучение исходило из очень быстро вращающихся аккреционных дисков, образующихся вокруг огромных масс.

Таким образом, чтобы объяснить энергию, испускаемую квазарами, надо было предположить, что их массы настолько велики, что они могут быть только чёрными дырами (ЧД). Сразу после этого предположения оказалось, что с помощью ЧД удобно описывать и тесные двойные системы, и активные галактические ядра, и много чего ещё.

Тем не менее мы говорим о чисто теоретической идее, пусть и отлично укладывавшейся в наблюдения.

Как увидеть чёрную дыру?

На данный момент таких технологий у нас нет. Но мы можем постараться увидеть тень ЧД, основная проблема в наблюдении которой – её крайне малый угловой размер. В связи с этим исследователям нужно было достичь очень высокого углового разрешения.

Представители проекта Event Horizon Telescope приводят такой пример: разрешения, достигнутого в проекте, достаточно, чтобы читать газету в Нью-Йорке, находясь в уличном кафе в Париже («enough to read a newspaper in New York from a sidewalk café in Paris»).

Казалось бы, в силу большого расстояния тени ЧД должны быть очень малы. Ведь в обычной жизни мы привыкли к тому, что, чем дальше находится объект, тем меньше его угловой размер для нас.

© EHT

Однако на космологических расстояниях расширение Вселенной приводит к тому, что наблюдаемый угловой размер объекта начинает не уменьшаться, а увеличиваться с ростом красного смещения. Это, в свою очередь, приводит к тому, что тени от очень далёких ЧД могут иметь достаточно большие угловые размеры, чтобы их можно было наблюдать с помощью телескопов следующих поколений. Например, с помощью телескопов имени Джеймса Уэбба (который недавно был запущен) и «Миллиметрон» (запуск которого намечен на начало 2030-х годов).

Впервые задача получить изображение тени чёрной дыры была поставлена в 2017 году. Для этого сформировали консорциум под названием «Телескоп горизонта событий». Это была коллаборация из восьми крупнейших субмиллиметровых антенн, расположенных по всему земному шару. Вместе они работают как гигантский интерферометр с диаметром, равным примерно диаметру Земли.

Теоретическое разрешение «Телескопа горизонта событий» составляет несколько десятков угловых микросекунд, то есть несколько стотысячных долей угловой секунды. Чтобы понять, насколько это маленькая величина, возьмите пончик и положите его на поверхность Луны. Так вот, размер пончика на расстоянии Луны – это тот размер, который имеют тени зафиксированных ЧД. Задача буквально на грани фантастики.

Фотографии чёрных дыр и очередное подтверждение ОТО

Решение сложнейших задач толкает людей, этим занимающихся, на самые разнообразные ухищрения, что в итоге приводит к развитию техники и технологий. Так, попытку получить фото чёрной дыры, на мой взгляд, можно сравнить со стремлением сфотографировать мяч для гольфа на поверхности Луны.

Это кажется невозможным. Но 200 человек решили, что можно сделать то, что считается невозможным. И сделали.

А вот человеком, сделавшим так, чтобы усилия всех остальных не пропали даром, оказалась аспирантка MIT Кэти Боуман. Она разработала алгоритм для визуализации полученных данных. Без неё эти данные так и остались бы огромным нагромождением данных, понятных только специалистам.

Что мы видим и является ли это изображение фотографией?

Видим мы так называемую тень чёрной дыры – кольцевую структуру, состоящую из вещества, падающего на чёрную дыру. Вещества разогретого и потому светящегося. Тёмное пятно в середине – не сама чёрная дыра, а зона ниже последней устойчивой орбиты, с которой фотоны ещё могут вырваться в нашу сторону. Сам предел горизонта событий несколько меньше. Но его мы уже не видим.

Интерферометр получает достаточно сложную цифровую картину интерференционных линий, из которой математическими методами и восстанавливается то изображение, которое нам показывают.

Фото тени чёрной дыры в центре галактики М87, представленное первым

Сравнение размеров горизонтов событий чёрных дыр M87 и Стрелец A*. Чёрная дыра М87, по расчётам, имеет массу 6,5 млрд. Солнц, Стрелец A* – около 4,5 млн Солнц

ЧД в галактике М87, изображение тени которой было опубликовано в 2020 году, в 1000 раз больше ЧД, находящейся в центре нашей галактики, но она и в 1000 раз дальше. Поэтому получается примерно одно и то же.

К слову сказать, наблюдения и ЧД в галактике М87 и ЧД в центре Млечного Пути были сделаны в 2017 году. Но почему же тогда специалисты сначала работали над получением изображения тени ЧД в другой галактике? Всё дело в сложности этого процесса.

Помимо того, что ЧД в галактике М87 находится в области, которая меньше заслонена пылью и газом, она, напомню, в 1000 раз больше. Из-за этого обращение звёзд и светящихся облаков вокруг неё происходит в течение месяцев. За это время яркость не успевает сильно измениться.

Фото тени чёрной дыры в центре галактики Млечный Путь

Вокруг нашей ЧД вращение происходит быстрее, из-за чего интерференционная картина постоянно меняется. Поэтому с точки зрения вычислений эта задача значительно сложнее и занимает гораздо больше времени.

Во время релиза фотографии тени ЧД в центре нашей галактики довольно подробно рассказывалось, как все изображения делились на четыре группы. Каждую обрабатывали отдельно, чтобы убрать шумы. В результате получили одно изображение в каждой группе. А уже из них – средневзвешенное изображение.

То, что было представлено общественности, является радиоизображением. Есть ли разница между изображением, полученным путём наблюдения длин волн в видимом и радиодиапазонах? Нет. И световые, и радиоволны – это электромагнитные волны. Просто из-за разницы во взаимодействии с веществом мы по-разному их фиксируем. Так что да, нам показали именно фотографию тени чёрной дыры.

Почему снимки мутные?

В настоящее время в коллаборацию EHT входят всего восемь телескопов на Гавайях, в США, Испании, Мексике, Чили и на Южном полюсе. Грубо говоря, это как если бы было всего несколько пикселей.

При учёте вращения планеты окно наблюдения становится шире, хоть и ненамного. Поэтому, несмотря на объём данных в миллионы гигабайт, девушка, работавшая над систематизацией данных, по праву называла его «скудным, зашумленным и ограниченным».

Представленные изображения были получены сетью телескопов, способных захватывать длину волны вплоть до 1 мм. Цель проекта сначала должна спуститься до 0,87 мм (что позволит повысить четкость будущих снимков на тринадцать процентов), а затем выйти за пределы размеров планеты, подключив космические телескопы.

Подтверждена ли общая теория относительности?

Нельзя не сказать об этом в рамках данной книги. Да, полученные изображения практически полностью повторяют модельные изображения, полученные на основе ОТО. Но наука тем и хороша, что всё и всегда подвергает сомнению. Доказать, что только чёрная дыра может выглядеть вот так, достаточно непросто. Почти наверняка будут выходить публикации с различными альтернативными версиями.

Поэтому – да, на сегодня это самое очевидное доказательство существования чёрных дыр. Но мы находимся лишь в начале пути. Нас ждут изучение их свойств, последующие проверки ОТО, её работы и, вероятно, квантование гравитации.

Подтверждение теории относительности предсказанием Стивена Хокинга о чёрных дырах

Подходя к завершению этого раздела, нельзя не упомянуть работу (Maximiliano Isi, 2021), объединяющую гравитационные волны и чёрные дыры. Анализ впервые зарегистрированных в 2015 году гравитационных волн (событие получило наименование GW150914) подтвердил теорему Хокинга о площади поверхности горизонта событий чёрной дыры. Теорема гласит, что эта площадь может только увеличиваться (с оговоркой, но об этом ниже).

Эта теорема, предложенная Стивеном Хокингом ещё в 1971 году, полностью согласуется и со вторым законом термодинамики, который постулирует, что энтропия может только возрастать, и с общей теорией относительности, которая, таким образом, получила ещё одно подтверждение.

Согласно одной из гипотез (теперь уже опровергнутых), слияние двух чёрных дыр может приводить к образованию третьей, с меньшей площадью горизонта событий из-за увеличения массы, которая и «сжимала» его. Это утверждение выглядело вполне логично, но противоречило классической физике и ОТО.

Дело в том, что в рамках ОТО чёрные дыры могут лишь набирать массу, а значит, как постулировал Хокинг, их горизонты событий должны лишь расти.

Математически теорема о площади подтверждается, но её трудно подтвердить наблюдениями. Тут-то и помогли гравитационные волны. GW150914. Это был сигнал от слияния двух чёрных дыр, которые образовали одну большего размера, сигнал от которой обнаружили в 2019 году. Последний использовали для вычисления массы и спи́на вновь образованной чёрной дыры. С помощью полученных данных и были вычислены площади горизонтов событий всех трёх объектов.

Благодаря подтверждению теоремы Хокинга мы получили новый инструмент для исследования этих загадочных объектов и проверки пределов нашего понимания Вселенной. Тем не менее у увеличения площади горизонта событий чёрной дыры есть предел, который был предсказан всё тем же Хокингом.

Согласно квантовой механике, которая, как все мы знаем, не очень хорошо согласуется с классической физикой, Хокинг предсказал, что в течение очень долгого времени чёрные дыры должны терять массу в виде излучения чёрного тела (которое мы теперь называем излучением Хокинга), что в итоге должно приводить к крайне медленному, но всё-таки уменьшению горизонта событий.

Загадок ещё очень много, но мы настойчиво движемся вперёд в своём стремлении понять Вселенную.

Могут ли чёрные дыры перенести нас в другие миры?

Ну а совсем в заключение хотелось бы окунуться в научную фантастику. Чёрные дыры будоражат умы не только учёных, но и людей, не связанных непосредственно с наукой. Один из вопросов, который мало кого оставит равнодушным, такой: способны ли чёрные дыры переносить нас на огромные расстояния? Ведь они сильно искривляют пространство за счёт своей массы. Совсем экзотическая идея заключается в том, что чёрные дыры могут оказаться порталами в другие вселенные.

© NASA

Реальность, судя по всему, гораздо сложнее, а за пределами научно-фантастического мира падение в чёрную дыру – плохая идея.

Часто используемая аналогия – это сгибание листа бумаги. Крайние или любые другие точки этой линии можно соединить, изогнув лист. Понимание того, как эта аналогия работает во Вселенной, требует хотя бы небольшого погружения в теорию относительности применительно к гравитации. Давайте попробуем.

Важно понимать, что чёрная дыра – это не пустое пространство, а, скорее всего, место, где огромное количество материи помещается в крошечную область, называемую сингулярностью. Эта область бесконечно мала и плотна (тут есть разные варианты, но остановимся на этом).

По мере приближения к чёрной дыре скорость убегания (необходимая для того, чтобы избежать гравитации ЧД), возрастает. В какой-то момент скорость убегания превышает скорость света.

А поскольку ничто не может двигаться быстрее света, ничто не сможет покинуть чёрную дыру. Правда, есть одна лазейка: чёрная дыра не всасывает всё вокруг себя, как пылесос или слив в ванне.

Воздействие гравитации ЧД простирается только до её горизонта событий, радиус которого увеличивается по мере того, как всё больше материи попадает в чёрную дыру.

Что находится внутри горизонта событий? Это одна из самых больших загадок в астрофизике. Большинство учёных считают, что вся материя, попадающая в чёрную дыру, сжимается в точку с бесконечной плотностью.

Если бы вы упали в чёрную дыру, то, согласно общепринятым представлениям, ваше тело сначала растянулось бы под действием приливных сил, а затем сжалось в ничто, добавив массы чёрной дыре и увеличив радиус её горизонта событий. Затем вы будете выброшены во Вселенную в виде фотонов излучения Хокинга.

Небольшая по космическим меркам чёрная дыра, массой равной массе Солнца, испарится и превратится во всплеск гамма-лучей согласно расчётам за 1087 лет. При этом никакой информации о материи, попавшей некогда в чёрную дыру, не сохранится.

Когда чёрная дыра становится червоточиной?

Проблема заключается в том, что уравнения теории относительности «ломаются» о сингулярность чёрной дыры. Ведь она является царством квантово-механических эффектов, которые до сих пор никто не смог объединить с гравитацией. В итоге никто не знает, что представляет собой сингулярность.

Сингулярность, и без того нечто крайне странное, становится ещё более странной, если вспомнить, что во Вселенной не существует статичных объектов – всё вращается.

Если и сингулярность вращается достаточно быстро, она может приобрести форму кольца, а тут сегодняшняя наука вообще бессильна (Pau Figueras, 2016). Эта идея, кстати, неплохо обыграна в научно-фантастическом романе Стивена Бакстера «Кольцо» 1994 года.

Все эти предположения предположениями и останутся до тех пор, пока не будет разработана теория квантовой гравитации.

Более того, никто до сих пор ещё не наблюдал вещества, появляющегося из ниоткуда. Такое могло бы случиться, будь чёрные дыры червоточинами. Помимо всего прочего, одним из следствий существования червоточин является возможность путешествий во времени.

Тут, правда, следует отметить, что даже в теории относительности нет такого понятия, как «сейчас». Если вы из одной точки пространства отправитесь в другую, а затем будете возвращаться обратно, то можете прибыть раньше, чем отправились в своё путешествие. Здравствуйте, парадоксы!

Подытожим: речь идёт, судя по всему, лишь о том, что мы по-прежнему плохо понимаем устройство Вселенной. Но согласитесь, что отсутствие возможности преодолеть огромные космические расстояния за разумное время никак не укладывается в голове.

Возможно ли существование проходимых червоточин?

Далеко не все знают, что червоточины, как и чёрные дыры, являются следствием уравнений общей теории относительности, хотя и остаются до сих пор чисто гипотетическими.

Проблемы с этими гипотезами заключаются в следующем. Во-первых, необходимо огромное количество массы для создания достаточного эффекта искривления пространства.

Во-вторых, чтобы червоточина сохранялась открытой, требуется экзотическая форма материи с отрицательной массой. Увы, эти соображения отодвигают гипотезу о проходимых червоточинах всё дальше и дальше в область фантастики.

Более того, такая червоточина была бы нестабильной и непроходимой. Если бы, к примеру, космический корабль влетел в неё, то она, согласно всё той же теории относительности, мгновенно превратилась бы в чёрную дыру. То есть в объект, в котором материя исчезает. В результате была бы потеряна связь между двумя точками пространства, которые соединяла эта червоточина.

Интересно, что теоретически пространство-время может быть искривлено без массивных объектов.

В рамках одного из исследований (Jose Luis Blázquez-Salcedo, 2021) специалисты выбрали сравнительно простой «полуклассический» подход. Они объединили элементы теории относительности с элементами квантовой теории и классической электродинамики. В своей модели физики рассматривают различные элементарные частицы (такие как электроны и их электрический заряд) как вещество, которое должно пройти через червоточину.

В качестве математического описания исследователи выбрали уравнение Дирака. Это формула, которая описывает функцию плотности вероятности частицы (один из способов задания распределения случайной величины) в соответствии с квантовой теорией и теорией относительности, что называется полем Дирака. Если упростить, то плотность вероятности используется для определения вероятности попадания случайной величины в определённый диапазон значений, в отличие от принятия какого-либо одного значения.

По словам физиков, именно включение поля Дирака в их модель позволяет обосновать существование червоточины, через которую проходит вещество. При условии, что отношение между электрическим зарядом и массой червоточины превышает определённый предел.

Что интересно, помимо материи через червоточину в их модели могут проходить электромагнитные волны. А это значит, что речь уже может идти буквально о межзвёздной, а то и (почему бы не помечтать?) межгалактической связи.

На данный момент исследователи описали только крошечные тоннели, которые пригодны разве что для связи, а не для путешествий. Однако авторы работы уверены, что проходимые для межзвёздных кораблей червоточины также могут существовать. Осталось понять где, как и сможем ли мы создавать их искусственно.

Несмотря на то что у этих теорий появляется всё больше подтверждений, они по-прежнему достаточно далеки от практического применения. Поэтому самое время поговорить о том, как человечество делает свои первые шаги в освоении космоса и насколько это тяжело.

Раздел 5

Изучение и освоение космоса человеком

Вообще, если углубляться в тему этого раздела, получится не одна книга. Но для того чтобы понять, насколько серьёзную работу каждый день проделывают специалисты, можно попробовать обойтись и одной главой. Начнём с банального вопроса.

Для чего тратить средства на изучение космоса?

Такой вопрос можно услышать довольно часто. Обычно он сопровождается аргументами вроде «наша собственная планета ещё недостаточно изучена» или «будто некуда больше деньги вложить» и т. п. Эти возражения могут показаться вполне резонными, но давайте немного порассуждаем.

На протяжении всей истории человечества, особенно двух последних столетий, основным фактором его развития служат войны. При всех их ужасах и понимании того, что затеваются они ради интересов меньшинства. Однако именно во время войн на перспективные разработки выделяется максимальное количество средств, что приносит пользу и человечеству в целом. Но неужели мы готовы и дальше «развиваться» посредством смерти и страданий?

Откуда взялись деньги на космос?

Хотелось бы сказать, что космические исследования финансируются ради любопытства человека и его стремления к познанию. Но все самые значимые результаты в освоении космического пространства приходятся также на войну, получившую название «Холодная». В дальнейшем финансирование космических агентств постоянно снижалось. В случае СССР (а потом и России) сокращение вложений в космос привело к отставанию изначально главенствующего в этом направлении государства. А ведь ещё в 1960-х годах и учёные, и, конечно, фантасты были полны энтузиазма. Они предполагали, что мы вот-вот начнём летать на другие планеты, освоим нескончаемые источники энергии. И в итоге выйдем на принципиально иной уровень развития. Но за прошедшие полвека вопросов накопилось куда больше, чем ответов. Эти вопросы по-прежнему ждут своего решения. И по-прежнему требуются средства, которые, как кажется большинству, лучше потратить на что-либо иное.

Каковы результаты?

Очень часто можно услышать, вероятно, от тех же людей, что космонавтика ничего реально не дала, кроме временного престижа отдельным странам. Но так ли это? Навигация и спутниковая связь, метеорология, лечение и реабилитация, искусственное сердце, тефлоновое покрытие, беспроводные инструменты, солнечные батареи, даже молнии и липучки на одежде и много другое – всё это создано на основе разработок для космонавтики.

И всё это было достигнуто без разрушений, смертей и нарастающей ненависти. Напротив, космонавтика объединяет. Более того, можно с уверенностью сказать, что средства, выделяемые на освоение космического пространства, вкладываются в развитие нашего будущего.

А теперь давайте немного пофантазируем

Человечество научилось преодолевать космические расстояния за разумное время и стало заселять новые миры. Каждая планета является отдельным государством. Фантасты предполагают, что мы сразу же войдём в эпоху звёздных войн.

На первый взгляд это кажется логичным. Но если подумать, то станет ясно, что даже на войны в рамках одной планеты у конфликтующих стран уйдёт столько ресурсов, что они десятилетиями не смогут восстановиться. Представляете, сколько понадобится этих самых ресурсов на войну между планетами? Не логичнее ли будет использовать их для собственного развития?

Как к этому прийти?

Никто не знает. Например, в массовой культуре активно культивируется тот факт, что человечество способно объединиться под влиянием общепланетарной угрозы. Непонятно только, почему необходимо ждать момента, когда фактически уже поздно. То есть понятно, почему так происходит в фильмах. Однако глобальное потепление, астероидная опасность да даже воздействие Солнца – всё это и многое другое на сегодня являются вполне реальными угрозами всему человечеству.

На самом деле решить подобные проблемы можно только в том случае, если человечество объединится. Но, видимо, пока инопланетная угроза не достигла порогов наших домов, большинство землян не будут обращать на неё внимание.

Как бы это банально ни звучало, начинать нужно с себя. Если каждый из нас задумается, будет развиваться и стремиться сделать каждый свой следующий день лучше предыдущего, поверьте, мы ускорим прогресс и развитие человечества.

Нужна ли пилотируемая космонавтика и как сделать новый рывок в освоении космоса?

Космическим агентствам становится всё сложнее обосновывать целесообразность пилотируемых полётов на орбиту Земли. И тем более за её пределы. Несмотря на это и неприятие пилотируемых полётов со стороны научного сообщества, подобных проектов не становится меньше. Как со стороны NASA, так и со стороны Китая и частных компаний.

Британский альпинист Джордж Мэллори (George Mallory) перед тем, как отправиться покорять Эверест, на вопрос о том, зачем это делать, ответил так:

«Потому что он есть».

Его тело обнаружили на гималайских склонах в 1999 году, через 75 лет после начала экспедиции на вершину. Главное, что это было его решение, и только его. От этого не зависела финансовая стабильность страны.

Юбер Кюрьен (Hubert Curien), министр науки и один из отцов-основателей европейской космической программы, в 1988 году схожим образом ответил на вопрос о смысле полёта на Марс:

«Из спортивного интереса. Это единственная, но значимая причина».

Является ли необходимым присутствие человека в космическом пространстве?

Шестая и последняя высадка людей на Луну состоялась 11 декабря 1972 года. Это была третья Джей-миссия (J-mission) с акцентом на научные исследования. В экипаж корабля впервые вошёл учёный-профессионал, геолог Харрисон Шмитт. В распоряжении астронавтов, так же как и в ходе двух предшествовавших экспедиций, был лунный автомобиль, «Лунный Ровер» № 3.

Комплект аппаратуры ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package) «Аполлона-17» состоял из приборов для пяти экспериментов.

Панорама из снимков, сделанных Сернаном и Шмиттом через иллюминаторы «Челленджера» перед первым выходом на поверхность

Четыре прибора должны были быть размещены на поверхности Луны впервые: стационарный лунный гравиметр, прибор по определению выбросов частиц лунного грунта и метеоритов, масс-спектрометр для исследования состава лунной атмосферы и аппаратура для сейсмического профилирования.

Ещё один эксперимент – по изучению тепловых потоков в лунном грунте – ранее входил в комплекты ALSEP «Аполлона-15» и «Аполлона-16». Но в первом случае зонды были углублены не полностью, а во втором – при установке случайно оборвался электрический кабель, и прибор вышел из строя. Таким образом, оба случая являются негативным следствием влияния человеческого фактора.

Приборы ALSEP «Аполлона-17». На переднем плане слева – радиоизотопный термоэлектрогенератор. Левее центра – прибор, регистрирующий частоту падения метеоритов. Правее центра – куча мусора из упаковок. У правого края снимка и чуть выше центра – геофонный модуль. Выше него – скала Geophone Rock. Левее неё – красный флажок в месте размещения одного из геофонов

На поверхности Луны планировали разместить и другие приборы, не входившие в комплект ALSEP. Три из них никогда ранее не использовали: аппарат по определению электрических свойств поверхности, прибор для измерения потока нейтронов и портативный мобильный гравиметр (перевозимый на «Ровере»). Ещё один, детектор космических лучей, ранее возили на Луну астронавты «Аполлона-16».

В служебном модуле «Аполлона-17» были размещены следующие приборы: зонд по профилированию лунной поверхности, сканирующий инфракрасный радиометр и спектрометр дальней ультрафиолетовой области спектра. Кроме того, как и в предыдущих Джей-миссиях, в модуле научных приборов находились панорамная камера, картографирующая камера и лазерный альтиметр.

Очень маловероятно, что человек вернётся на Луну раньше чем через 10 лет. А когда вернётся, не исключено, что это будет китаец. Финансируемая до 2024 года Международная космическая станция поглощает основную часть инвестиций в исследование космоса. Например, Михаил Корниенко побывал в годовой экспедиции на станции, но едва ли расширил горизонты нашего познания.

Так в чём смысл продолжать эту работу? Может лучше отправиться на Марс, освоение которого называют следующим и почти неизбежным этапом? Однако не следует забывать о том, что и отправка первого человека в космос, и отправка первого человека на Луну, и почти всё, что связано с освоением космического пространства, – лишь побочный продукт колоссальных военных программ сверхдержав.

Приносит ли пилотируемая космонавтика пользу с научной точки зрения?

В рамках программы «Аполлон», которую по финансовым соображениям сократили на три миссии, на Землю доставили несколько сотен килограммов лунных пород. Однако это не было её главной целью.

В США приняли решение сохранить основную массу доставленных образцов в полной неприкосновенности до тех пор, пока не будут разработаны новые, более совершенные способы их изучения.

«Необходимо расходовать минимальное количество материала, оставив нетронутой и незагрязненной бóльшую часть каждого отдельного образца для изучения будущими поколениями учёных», – разъясняет позицию NASA американский специалист Дж. А. Вуд.

Тут надо быть честным: данные с зондов, роботов и космических обсерваторий не идут ни в какое сравнение с крупицами информации, которые могут принести астронавты.

Завоевание Луны времён «Аполлонов» имело в первую очередь политическое и символическое значение. У МКС, которая была призвана сблизить Россию и Запад, год на год не приходится. Сейчас всё смешано в кучу: и геостратегия, и необходимость сохранить ноу-хау, рынки и рабочие места в промышленности. Попробуй тут разобраться, кому и для чего сейчас нужна эта станция, кроме нескольких компаний-монополистов?

Чем можно мотивировать полёты к Луне, Марсу, астероидам и ещё дальше?

Есть очень много веских причин: экономические и технологические последствия, национальная безопасность и оборона, национальный статус и международные отношения, образование и вдохновение, наблюдение и исследования, выживание человечества и многое другое. Вот только возникает ощущение, что ни одна из причин сама по себе не оправдывает продолжение пилотируемых космических полётов. Даже если брать все эти причины в совокупности, то потребуется немалая политическая воля, чтобы решить, что их реализация достаточно аргументирована.

На сегодня стопроцентным аргументом выглядит лишь угроза извне. Инопланетян мы пока не обнаружили. Значит, такой угрозой может стать любая страна, которая освоит новые технологии в попытках завоевать дальний космос, – вот и причина лететь рядышком.

Конечно, есть научная составляющая экспансии человечества в космическое пространство. Однако она, к сожалению, довольно туманна и поддерживается по большей части энтузиастами от науки. Ведь на саму науку заказа практически нет. Я говорю «к сожалению», потому что сам мечтаю, что мы сможем уйти от милитаризма в сторону стремления к всеобщему благу. Очень хотелось бы дожить до тех времён!

В одном из аудиторских отчётов NASA подчеркивается, что расходы на экспедицию на Марс в 2030-х годах потребовали бы инвестиций в 210 млрд долларов (вдвое больше инвестиций в МКС за 30 лет работы). Никаких иллюзий – таких денег у государственных корпораций просто нет. Нужно чудо, невероятное открытие, которое сможет убедить корпорации в необходимости таких крупных вложений.

Открытие гравитационных волн потенциально даст человечеству серьёзный толчок в развитии. И это открытие, к слову, было сделано группой энтузиастов! Так, может, дать им денег на постройку новой модификации LIGO на орбите нашей планеты, а Марс оставить роботам? У меня нет однозначного ответа.

Какие достижения в космонавтике появились за последние несколько лет?

Появилась многоразовая ракета. Солидная часть оборудования стоимостью 60 млн долларов возвращена на стартовую площадку. Можно считать, что многоразовая ступень появилась ещё за месяц до Falcon, когда частная аэрокосмическая компания Blue Origin, основанная Джеффри Безосом (Jeffrey Bezos) – руководителем интернет-компании Amazon.com и владельцем издательского дома The Washington Post, – запустила и посадила на Землю свою собственную ракету-носитель. Пусть даже это был и суборбитальный полёт. Но независимо от того, кому мы отдадим первенство – Маску или Безосу, – вместе эти два события знаменуют начало новой эры космических полётов.

Визуализация полётов New Shepard – многоразового корабля и ракеты для суборбитальных полётов, создаваемых американской компанией © Blue Origin

При любом раскладе это обеспечивает как демократизацию, так и коммерциализацию сферы космонавтики. А это значит, что космические полёты теперь не будут зависеть от суровых ограничительных мер, вводимых властями – президентом, Конгрессом, чиновниками агентств.

Теперь будущее космических проектов будет в гораздо большей степени определяться рынком – с его конкуренцией и множеством разнообразных независимых игроков. В том числе предпринимателей. Серьёзно мотивированных, финансово грамотных и перспективно мыслящих.

Безусловно, такой по-настоящему грандиозный проект, как SpaceX, не совсем самостоятелен и все ещё зависит от государственных структур. Не стоит забывать, что многоразовая ступень ракеты-носителя Falcon 9 приземлилась на платформу мыса Канаверал, которую раньше использовали ВВС США для запуска ракет-носителей «Атлас». Кроме того, основное финансирование этих проектов уже отчасти зависит от контрактов NASA, таких как снабжение МКС. А вот проект New Shepard создавался исключительно для космических туристов, то есть он полностью коммерческий. Отсюда и разница в масштабах деятельности.

Но вспомните первоначальное отношение к авиации сто лет назад. Она начинала развиваться исключительно за счёт государственных контрактов на осуществление полезных услуг вроде доставки почты или, чего уж там, бомб.

Правда, настоящей наградой станет не возможность долетать до околоземной орбиты. Сегодня маршруты будущих полётов разрабатывают частные аэрокосмические компании, приобретающие все больший технический опыт и предлагающие альтернативные стратегические концепции.

Маск одержи́м идеей освоения и заселения Марса, Безос видит в перспективе, как миллионы людей будут жить и работать в космосе, а Ричард Брэнсон планирует развивать космический туризм посредством компании Virgin Galactic. Он уже продал 700 билетов на космическое путешествие стоимостью 250 тыс. долларов каждый.

А ещё одна не самая известная частная компания Moon Express вообще открыто заявила, что забрасывать в космос неуклюжих, дышащих воздухом и поглощающих пищу людей не имеет никакого смысла. Она твёрдо решила направлять на Луну экспедиции роботов-геологов.

Вся прелесть коммерциализации космической отрасли состоит в том, что мы имеем возможность работать одновременно по нескольким сценариям: и научно-освоенческому, и эксплуатационно-коммерческому. К государству только две просьбы: сделайте заказ на науку и дайте дорогу частному бизнесу. Тогда в космической сфере по-настоящему начнётся эра Тесл, Эдисонов и братьев Райт. И мы наконец-то опять начнём движение вперёд!

Насколько изучена Солнечная система: как человечество продвигалось в космос и когда освоит новые миры?

Мы все понимаем, как ракеты взлетают. Но редко задумываемся над тем, что космонавтика многогранна и, помимо всего прочего, ставит задачи приземления и обеспечения деятельности космонавтов.

Когда началась космонавтика?

Этот вопрос очень важен. Ведь когда она начиналась, её функция была совершенно иной – военной. Первое рукотворное «изделие» человек запустил в космос на 15 лет раньше, чем первый спутник. Это была боевая ракета ФАУ-2, созданная гениальным немецким инженером Вернером фон Брауном. Функция этой ракеты – долететь до места и не приземляться, а нанести урон. Именно ракеты ФАУ-2 послужили толчком к началу космонавтики вообще.

После войны, когда победители начали делить имущество побеждённой Германии, холодная война хоть и не началась, но, скажем так, нотка соперничества в этих действиях присутствовала.

Счёт изъятой технической и научной документации вёлся не по количеству страниц, а в тоннах. Наибольшее усердие проявили американцы: по официальным данным, они вывезли полторы тысячи тонн документов. От них старались не отставать и Великобритания, и Советский Союз.

При этом, прежде чем на Европу опустился «железный занавес», а в общее употребление вошёл термин «холодная война», американцы охотно делились добытыми документами и описанием немецких технологий.

Специальная комиссия регулярно публиковала сборники немецких патентов, которые мог купить любой желающий: и американские частные компании, и советские структуры. Цензурировали ли американцы публикуемые материалы? Думаю, что ответ очевиден.

Охота за документами дополнялась масштабной вербовкой немецких научных кадров. Потенциал для этого и у СССР, и у США был, хотя и принципиально разный. Советские войска заняли большие немецкие и австрийские территории, где не только располагалось множество промышленных и научно-исследовательских объектов, но и проживали ценные специалисты. У Штатов было другое преимущество: множество немцев мечтали уехать из растерзанной войной Европы за океан.

Американские спецслужбы провели две специальные операции: «Скрепки» (Paper clips) и «Сплошная облачность» (Overcast), в ходе которых частым гребнем прочесали немецкое научно-техническое сообщество. В результате к концу 1947 года на новую родину поехали жить 1800 инженеров и учёных и более 3700 членов их семей. В их числе был и Вернер фон Браун. Хотя это лишь верхушка айсберга.

Президент США Гарри Трумэн приказал не брать в США учёных-нацистов. Однако исполнители в спецслужбах понимали ситуацию лучше политика. Они, скажем так, творчески переосмыслили это распоряжение. В результате вербовщикам было приказано отказывать в переселении учёным-антифашистам, если их знания были бесполезны для американской промышленности, и не обращать внимания на «вынужденное сотрудничество» ценных кадров с нацистами. Так получилось, что в Америку поехали жить в основном учёные со схожими взглядами, что не вызывало идеологических конфликтов.

Советский Союз старался не отставать от западных «партнёров» и тоже активно приглашал к сотрудничеству немецких учёных. В результате более двух тысяч технических специалистов отправились знакомиться с промышленностью СССР. Однако, в отличие от США, абсолютное большинство из них вскоре вернулись на родину.

К концу войны в Германии на различных стадиях разработки находилось 138 типов управляемых ракет. Наибольшую пользу СССР принесли захваченные образцы баллистической ракеты ФАУ-2, созданной Вернером фон Брауном. Переработанная и избавленная от ряда «детских болезней», ракета получила название Р-1 (Ракета первой модификации). Работами по доведению немецкого трофея до ума руководил не кто иной, как будущий отец советской космонавтики – Сергей Королев.

Слева – немецкая ФАУ-2 на полигоне Пеенемюнде, справа – советская Р-1 на полигоне Капустин Яр

Советские специалисты активно изучали экспериментальные зенитные ракеты «Вассерфаль» и «Шметтерлинг». Впоследствии СССР приступил к выпуску собственных зенитно-ракетных комплексов, которые неприятно удивили своей эффективностью американских пилотов во Вьетнаме.

В СССР были ввезены немецкие реактивные двигатели Jumo 004 и BMW 003. Их клоны получили название РД-10 и РД-20 (Ракетный двигатель и номер модификации). Из-за последних модификаций двигателей серии РД сегодня, как вы знаете, много шумихи. Советские подводные лодки, оружие, в том числе ядерное, и даже автомат Калашникова в той или иной степени имеют немецкие прототипы.

В общем, можно без тени сомнения сказать, что немецкие учёные дали серьёзнейший толчок к развитию науки во всём мире в целом и космонавтики в частности. По этому поводу написано уже много книг.

США и Советский Союз долгое время конкурировали друг с другом в освоении доставшихся им после войны технологий. Но, к сожалению, ввиду того, что Америка на протяжении всей своей истории обладала более стабильной политической системой, в то время как в нашей стране была её глобальная смена и мы долго буксовали на месте, Россия в данное время серьёзно отстаёт от США в космической гонке.

Возвращаемся к космонавтике

ФАУ-2. Боевая ракета, созданная в 1942 году. Её высота – 14 м, масса —12,5 т и максимальная высота вертикального полёта – 208 км.

Ракета, которая смогла не просто вывести груз в космос, но и обеспечить ему первую космическую скорость, благодаря чему аппарат вышел на круговую орбиту вокруг Земли, была создана в КБ под руководством Королёва. Это не менее великая ракета – Р-7 (Ракета седьмой модификации). По сути, она дожила до сегодняшних дней, претерпев минимальные изменения (основная составляющая – первая ступень – не изменилась вовсе).

Семейство ракет на базе Р-7

4 октября 1957 года Р-7 вывела на орбиту Земли первый искусственный спутник.

И этот, и последующие спутники (большинство нынешних) не предполагается сажать куда-либо. Их судьба состоит в том, что после отработки своей функции они разрушаются при входе в плотные слои атмосферы.

Первых живых существ тоже, к сожалению, никто не предполагал возвращать на Землю. Но этот опыт показал, что в космическом пространстве можно жить (при использовании соответствующих систем). А всем известные Белка и Стрелка были первыми, кто вернулся на Землю живыми после космического полёта, показав принципиальную возможность возвращения.

Первые полёты к другим телам и планетам тоже не предполагали посадку

Очень хорошо, что Луна расположена близко к нам – так мы можем отрабатывать технологии для дальнейшей экспансии, изучения и освоения.

12 ноября 1959 года был запущен, а 14 ноября в 22:02:24 осуществлён жёсткий контакт с Луной у юго-восточного Моря Дождей, Залив Лунника (болото гниения) советского «Лунника».

Макет советского КА «Лунник-2»

Посадить летательный аппарат на Луну – задача довольно сложная. Аппарат прилетает к ней со скоростью гораздо больше той, с которой он мог бы выйти на орбиту вокруг Луны, так как у неё практически полностью отсутствует магнитное поле. Прямая посадка без торможения на орбите даже на сегодня невозможна ввиду отсутствия соответствующих технологий.

Когда мы отправляем аппарат, который должен врезаться в поверхность Луны, как это было с первым «Лунником», он достигает цели со скоростью 2 км/с. Артиллерийские снаряды, например, летят со скоростью до 1 км/с. То есть кинетическая энергия «Лунника» в четыре раза больше. При ударе о лунную поверхность аппарат испаряется (происходит так называемый тепловой взрыв).

Достижение, как водится, предполагалось зафиксировать. В состав аппарата включили «Вымпелы СССР» из нержавеющей стали, которые собрали в виде сферы. Очень интересно была решена задача сохранить эти значки от разрушения. Внутри сферы поместили взрывчатку, которая срабатывала при касании щупа «Лунника» поверхности Луны. Одна половина аппарата, таким образом, ускорялась к Луне, а другая отлетала от неё, затормозив своё падение и не разрушаясь. Несколько десятков вымпелов сейчас лежат на Луне. Известна приблизительная зона их разброса с точностью 50×50 км.

В середине 1960-х годов американцы начали догонять СССР. У них была серия кораблей Ranger («Рейнджер»), которые тоже разбивались о поверхность Луны. Но эти корабли были оснащены телекамерами, которые передавали изображения, подлетая к Луне. Последние снимки передавались с расстояния 300–400 м.

Аппарат серии «Рейнджер»

Американцы предполагали доставить на поверхность естественного спутника научную аппаратуру. Для решения этой задачи сверху на КА находилась деревянная коробка из бальзы, в которую поместили эти приборы. Учёные надеялись, что дерево смягчит удар. Однако разбивалось всё.

Впервые мягкую посадку на поверхность космического тела удалось осуществить СССР, посадив «Луну-9». И СССР, и США готовили уже в те годы отправку человека на Луну. Но не было точной информации о том, что такое лунная поверхность.

Учёные разделились на два лагеря. Одни считали, что поверхность твёрдая, а другие – что она покрыта толстым слоем мелкой пыли, которая бы просто засасывала всех и вся. Так, Сергей Королёв принадлежал к первому лагерю, о чём свидетельствует его записка, хранящаяся в музее РКК «Энергия».

В те годы рапортовали только об успехах. И сообщение в газете и по радио гласило: «Первый полёт к Луне третьего февраля 1966 года закончился удачной посадкой аппарата “Луна-9”». А перед этим сообщали только об аппарате «Луна-3». Как стало известно намного позже, десять запусков к Луне окончились неудачей, вплоть до того, что ракета просто взрывалась на старте. И только одиннадцатая (почему-то «Луна-9») успешно достигла Луны.

Первые в мире фотографии космического тела, полученные аппаратом «Луна-9»

В данном случае можно не прекращать восхвалять советских инженеров. Хотя в этой программе участвовали, как и сказано в самом начале раздела, учёные из побеждённой Германии. Среди них был даже вулканолог – Генрих Штейнберг. Электроники ракеты фактически не имели. Для отделения полезной нагрузки был установлен щуп, который «сообщал» о касании, и вокруг аппарата надувалась подушка безопасности, которая его сбрасывала. Аппарат имел яйцевидную форму со смещением центра тяжести, чтобы остановиться в нужной ориентации. В результате мы впервые получили снимки поверхности другой планеты.

Аппарат серии Surveyor, сфотографированный в рамках одной из миссий по программе «Аполлон»

Через год американцы решили эту задачу гораздо более изящно. К тому времени их компьютеры были на порядок лучше, чем у СССР. Они безо всяких подушек безопасности, а на реактивных двигателях посадили несколько своих аппаратов Surveyor. Более того, эти аппараты могли включать свои двигатели повторно и перепрыгивать с одного места на другое. Но СССР выиграл в том отношении, что вторых обычно мало кто помнит.

Посадки автоматов продолжались. Советские луноходы были гораздо более продвинутыми и, даже можно сказать, изящными. Посадочная платформа прилунялась на реактивных двигателях. Затем раскрывались аппарели, и по ним съезжала огромная машина весом почти в тонну, которая проезжала десятки километров по лунной поверхности. Электроника всё ещё была плохо развита (например, камера в мобильном телефоне весит 1 г, а на луноходах были установлены две телекамеры по 12 кг каждая), и луноходами управляли с Земли по радиосвязи операторы.

Фото посадочной платформы, сделанное «Луноходом-1»

Последними автоматами были советские серии «Луна». «Луна-16» доставила грунт на Землю. В данном случае была решена задача не только посадить автоматы на Луну, но и стартовать с её поверхности, чтобы в итоге возвратиться обратно.

Наконец-то наступила эра полётов человека в космическое пространство

Все они летали на Р-7. Здесь Советский Союз смог обогнать США из-за того, что наша водородная бомба была намного тяжелее американской, а именно для доставки бомбы и создавалась «семёрка». Благодаря грузоподъёмности первый корабль «Восток» можно было утяжелять добавлением большого количества дублирующих систем, что делало его в высокой степени безопасным.

Сферическая форма спускаемого аппарата КА «Восток» объясняется тем, что поначалу не умели управлять спуском при входе в атмосферу. Спускаемый аппарат вращался при падении во всех трёх плоскостях. Единственная форма, которая могла обеспечить более или менее безопасный вход в атмосферу, – это шар. Температура на поверхности аппарата во время прохождения плотных слоёв достигала 2 000 °C.

Изображение с сайта NASA

У первых американских астронавтов техника уступала нашей. У них бомба была легче. Поэтому ракету делали ей под стать. Их КА не имел достаточного количества дублирующих систем, но первый полёт астронавта прошёл успешно.

Полёты к Луне

Задача усложнялась тем, что полёт предполагал две посадки – на поверхность Луны и затем на Землю. Для осуществления полёта была сконструирована ракета-носитель «Сатурн-5». И создал её тот же гениальный инженер Вернер фон Браун. Получается, что он открыл дорогу в космос и он же проложил путь к Луне. Величайшие достижения для одного человека!

В итоге на Луне было шесть экспедиций, в рамках которых по естественному спутнику Земли ходили 12 человек.

В СССР тоже разрабатывали лунную программу, но не реализовали её, так как отстали от США. Предполагалась полётная схема из двух членов экипажа. Только один из них должен был выйти на поверхность Луны. Первым советским космонавтом (да и вообще первым человеком), ступившим на Луну, должен был стать Алексей Архипович Леонов.

В конструкции спускаемого аппарата «Аполлонов» была решена задача управляемого входа в атмосферу. Опять же, как-то забывается, но первые полёты с возвращением живых существ после облёта Луны были совершены советскими аппаратами серии «Зонд». Пассажирами были черепахи.

Сегодня Луну изучают американцы и китайцы. Пытаются – израильтяне и индусы. Готовит к запуску свой аппарат и Россия. В целом можно сказать, что человечество вполне готово перейти к освоению естественного спутника нашей планеты.

К примеру, LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) работает на окололунной орбите с июня 2009 года. Пожалуй, самый интересный научный результат миссии был получен с помощью прибора российского производства LEND. Нейтронный детектор обнаружил в полярных областях Луны запасы водного льда. Данные показали, что «провалы» нейтронного излучения фиксируются как внутри кратеров, так и в их окрестностях. Значит, запасы льда есть не только в постоянно затемненных «холодных ловушках», но и рядом. Ну а раз есть вода – планету можно осваивать.

После Луны – эпоха многоразовых космических аппаратов

Одноразовая космонавтика очень дорогая. Создают огромную сложную ракету-носитель с космическим аппаратом, а используют их только для одной поездки. Над многоразовыми КА работали, как водится, и США, и СССР. Но в отличие от Америки в истории нашей страны этот проект можно назвать грандиознейшим провалом. Все деньги космической программы были потрачены на создание и первый пуск (в том числе ракеты-носителя «Энергия»), после чего эксплуатация не состоялась.

Шаттл при возврате на Землю по сути становится планёром, так как топлива у него не остаётся. Он брюхом входит в атмосферу, а когда её плотные слои пройдены, переходит на самолётное планирование. После 30 лет эксплуатации шаттлы ушли в историю. Дело в том, что они обладали большой грузоподъёмностью: выводили на орбиту 30 т груза. Сейчас же наблюдается устойчивая тенденция к уменьшению веса КА. А это значит, что, чем меньше грузов от своей грузоподъёмности будет выводить на орбиту шаттл, тем дороже становится стоимость каждого килограмма груза.

Одной из интереснейших миссий шаттлов была миссия «Индевор» STS-61 по ремонту телескопа имени Хаббла. Всего было осуществлено четыре экспедиции.

© NASA

При этом тридцатилетний опыт не пропал зря. Шаттлы получили развитие в виде военного свободно летающего модуля X-37.

© NASA

Boeing X-37 (также известный как X-37B Orbital Test Vehicle (OTV) – орбитальная летающая лаборатория) – экспериментальный орбитальный самолёт, созданный для испытания новых технологий. Этот беспилотный космический корабль многоразового использования предназначен для функционирования на высотах от 200 до 750 км. Он способен быстро менять орбиты, маневрировать. Предполагается, что Boeing X-37 будет выполнять разведывательные задачи, доставлять в космос небольшие грузы (а также возвращать).

Один из его рекордов состоит в том, что он провёл на орбите 781 день. Когда вы читаете эти строки, вероятнее всего, очередной аппарат находится на орбите.

Луна достигнута. дальше – Марс!

Осуществлённые миссии к Марсу

На Марс летали многие роботы, и в основном они работают в виде орбитальных аппаратов. В мае 1971-го советский КА «МАРС-2» впервые в истории достиг поверхности Красной планеты. Для верности было отправлено сразу 4 аппарата, но долетел лишь один. При этом с аппаратом произошла странная история. Он сел в Южном полушарии, на днище кратера Птолемей. В течение 90 секунд после посадки станция готовилась к работе, затем начала передачу панорамы, но через 14,5 секунды трансляция по неизвестным причинам прекратилась. Станция передала только первые 79 строк фототелевизионного сигнала.

Первый в истории марсоход

В составе аппарата был и первый марсоход размером с книгу, хотя об этом тоже мало кто знает. Не известно, «пошёл» ли он, а он должен был именно ходить.

В декабре того же года АМС (автоматическая межпланетная станция) «Марс-3» совершила мягкую посадку и передала на Землю видеозапись.

Марс сегодня

Сегодня на Марсе два американских марсохода, один китайский, одна стационарная станция для изучения его сейсмической активности и несколько орбитальных станций, включая российско-европейскую. Каждый аппарат по-своему уникален. К примеру, прошло уже 10 лет с момента посадки на Красную планету марсохода Curiosity, запланированный срок службы которого составлял всего один марсианский год (менее двух земных лет – 686 суток).

Китай стал лишь шестой страной, у которой есть (или когда-либо был) зонд на орбите Марса, после СССР, США, Европейского космического агентства, Индии и Объединённых Арабских Эмиратов, и третьей, совершившей мягкую посадку на Марс (после СССР и США).

С другой стороны, Марс, как правило, осваивается в три этапа: пролёт, выход на орбиту и посадка. Китайцы же решили пропустить первый этап и реализовать два следующих одновременно, с первого раза доставив на Марс орбитальный аппарат, стационарную платформу и марсоход, чего не удавалось никому в истории.

Помимо прочего, марсианскую атмосферу рассекает дрон, созданный людьми. Только вдумайтесь: мы запустили дрон на другой планете!

Начнём с атмосферы. Она на Марсе есть. Почти на 95,5 % состоит из углекислого газа, но самое главное – она сильно разрежена (плотность менее 1 % земной), и давление на поверхности составляет лишь 1/170 от земного.

Это и есть основная проблема при использовании летательных аппаратов на Марсе – им не за что «зацепиться». Частенько можно встретить информацию о том, что запустить дрон на Марсе – это как запустить его в земной атмосфере на высоте 35 км, но это не совсем так – всё ещё сложнее.

Да, по плотности земная атмосфера на высоте 35 км соответствует плотности марсианской поверхности, но на Марсе гравитация слабее в 2,6 раза, так что в земной атмосфере на 35-километровой высоте этот дрон даже не завис бы, не то чтобы полететь.

Для того чтобы суметь летать в таких условиях, винты этого аппарата, весом немного меньше 2 кг, вращаются со скоростью сорок оборотов в секунду.

Как итог, это не просто дрон – это невероятное достижение человечества, которое позволило понять, что в атмосфере Марса можно летать.

Именно поэтому NASA рассматривает вопрос о том, чтобы отправить на Марс самолёт (Adrien Bouskela, 2022). Если быть точным, то речь идёт о безмоторном планере, который разрабатывает университет Аризоны в рамках инициативного проекта.

В чём разница между коптером, который сейчас на Марсе, и этим планером?

Возможности вертолётика ограниченны: он может летать только три минуты за раз и только на высоте 12 м.

Планеры, если это будет доказано, могут летать дольше, выше и быстрее, используя горизонтальные ветры, которые достаточно сильно дуют на Марсе. Так, разрабатываемый аппарат, согласно проекту, сможет находится на высоте нескольких десятков метров над поверхностью Марса несколько дней подряд.

Первое испытание планера, поднимаемого в воздух на воздушном шаре, прошло успешно. На момент выхода книги его уже могли отправить на высоту до 5 км, где атмосфера более тонкая.

Высота будет увеличиваться до тех пор, пока не будет показано, что планер может (или не может) демонстрировать устойчивый полёт в условиях, близких к марсианским (около 12 км над Землёй).

Ну а дрон, доказавший свою эффективность, уже получил развитие

В NASA рассчитывают, что к моменту доставки на Красную планету посадочного модуля MSR (Mars Sample Return) в 2031 году марсоход Perseverance, который сейчас находится в процессе сбора 11-го образца, будет по-прежнему работать и станет основным средством доставки образцов на Mars Ascent Vehicle – систему для отправки образцов на Землю.

Если же что-то пойдёт не так, то доставкой образцов займутся два вертолётика. Они похожи на Ingenuity габаритами, но имеют несколько отличий. Колёсики на посадочных опорах для перемещения по поверхности и небольшие манипуляторы для сбора пробирок, оставленных Perseverance в определённых местах, если он не сможет доставить их (NASA, NASA Will Inspire World When It Returns Mars Samples to Earth in 2033, 2022). Китайцы, к слову, тоже собираются доставить с Марса образцы грунта, причём раньше американцев.

Частные компании тоже хотят на Марс

Речь пойдёт не о SpaceX, планы которой всем известны, а о Relativity Space, в которой создают полностью напечатанную на 3D-принтере и многоразовую ракету-носитель (Terran R), в сотрудничестве с компанией бывшего главного двигателиста SpaceX Impulse Space. В компании анонсировали «первую частную миссию на Марс» (RelativitySpace, 2022), запуск которой запланирован уже на конец 2024 года. Relativity Space должна с помощью Terran R (во время первого же полноценного запуска) запустить на отлётную траекторию к Марсу перелётную платформу Impulse Mars Cruise Vehicle и посадочный модуль Mars.

Как итог, Марс в ближайшие годы будет принимать немало гостей.

Венера

Полёты на Венеру начались в то же время, что и на Марс, – в 60-е годы ХХ века.

Первые аппараты погибали, так как не было достоверных сведений об атмосфере Венеры. В телескоп было видно, что атмосфера очень плотная, и первые аппараты делались наугад с запасом на давление до 20 земных атмосфер. В итоге сделали аппараты серии «Венера», способные выдерживать давление в 100 атмосфер.

Сначала аппарат спускался на парашюте, но на высоте около 30 км от поверхности Венеры парашют отбрасывался. Атмосфера Венеры была настолько плотной, что небольшого щита была достаточно, чтобы затормозить весь аппарат и мягко его посадить.

Аппарат работал на поверхности при температуре почти 500 °C около двух часов. В итоге первые снимки с поверхности Венеры, а также информацию о составе её атмосферы получили в Советском Союзе.

Исследования продолжаются

Вообще Венера не может не притягивать к себе наше внимание. Практически двойник Земли, только, скажем так, злобный, она является отличным примером того, что может произойти, если из-под контроля выйдет парниковый эффект, – дожди из серной кислоты и почти 500 °C у поверхности.

Несмотря на это, мы всё ещё надеемся найти там условия для привычной нам жизни, пусть и микроскопической. После того как команда учёных в 2020 году объявила о довольно противоречивых результатах исследований, в рамках которых в облаках Венеры был обнаружен газообразный фосфин, предположения о существовании там (на умеренных высотах) жизни стали появляться довольно часто (Jane S. Greaves, 2020).

Сама по себе эта идея не нова – биофизик Гарольд Моровиц и астроном Карл Саган предположили, что такое возможно, ещё в 1967 году (SAGAN, 1967).

Не так давно учёные выдвинули гипотезу, что жизнь в облаках Венеры, возможно, развила метаболизм на основе серы, подобный тому, что мы видели у микроорганизмов здесь, на Земле (Dirk Schulze-Makuch, 2004). Сигнатура диоксида серы (SO_2) очень своеобразна на Венере: в изобилии на более низких высотах и довольно низкая на более высоких.

Из этого было сделано предположение, что, если бы организмы с метаболизмом на основе серы жили в верхних слоях атмосферы Венеры, они могли бы быть ответственны за это своеобразное отсутствие диоксида серы на данных высотах.

Судя по всему, эти предположения можно пока оставить в стороне. Новый и тщательный анализ химии облаков на Венере не выявил ни одного из биомаркеров, указывающих на воздушную жизнь, метаболизирующую серу. Сложная химия верхней атмосферы Венеры просто не может быть объяснена наличием жизни, какой мы её знаем (Sean Jordan, 2022). Тем не менее вопрос дефицита диоксида серы в верхних слоях атмосферы Венеры остаётся открытым, а изучение Венеры продолжается.

NASA хочет повторить достижение СССР спустя 49 лет

Учёные и инженеры NASA разработали миссию Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging (DAVINCI), стремящуюся повторить успех советской программы «Венера», в рамках которой впервые на поверхность этой, мягко говоря, недружелюбной планеты опустился аппарат, созданный на Земле (James B. Garvin, 2022).

Советская программа была очень продуктивной. Благодаря спускаемым аппаратам «Венера-4, -5 и -6» были собраны первые данные об атмосфере Венеры, а во время перелёта были получены новые данные о структуре потоков плазмы (солнечного ветра) вблизи планеты.

Зонд «Венера-7» 15 декабря 1970 года стал первым аппаратом, достигшим поверхности Венеры. Впервые, на 20 минут была установлена радиосвязь с аппаратом, находящимся на поверхности другой планеты. Аппарат «Венера-8» впервые осуществил мягкую посадку на дневной стороне «злобного двойника Земли».

Аппараты «Венера-9» и «Венера-10» впервые в истории передали фотографии с поверхности Венеры. Затем были «Венера-11» и «Венера-12», которые не смогли передать фото, а вот «Венера-13» и «Венера-14» передали первые цветные фотографии с поверхности планеты в марте 1982 года.

«Венера-15» и «Венера-16» стали искусственными спутниками Венеры и в течение нескольких месяцев передавали на Землю радиолокационные изображения поверхности планеты с разрешением в 1–2 км.

Что собираются сделать американцы?

Во-первых, выйти на орбиту Венеры для изучения (впервые) критических аспектов её массивной атмосферно-климатической системы. Во-вторых, посадить зонд на поверхность Венеры в середине 2031 года. То есть спустя 49 лет после последней посадки там советских аппаратов.

Само собой, на борту аппарата будут самые современные приборы, которые позволят собрать беспрецедентные данные во время спуска сквозь густую, горячую, наполненную парами серной кислоты атмосферу. Но интересно, что работа непосредственно на поверхности закладывается, что называется, «на сдачу»:

«Зонд приземлится в Области Альфа (лат. Alpha Regio), но он не обязан работать после того, так как все необходимые научные данные будут получены до достижения поверхности Венеры. Если же он переживёт приземление со скоростью около 12 м/с, у нас может быть до 17–18 минут работы на поверхности».

Юпитер

Посадка на него в принципе невозможна, так как предполагается, что у планеты просто нет твёрдой поверхности.

Исследования начались с беспилотной миссии космического аппарата NASA «Пионер-10» в 1973 году. Через несколько месяцев за ним последовал «Пионер-11». Помимо съёмки планеты с близкого расстояния они обнаружили её магнитосферу и окружающий Юпитер радиационный пояс.

«Вояджер-1» и «Вояджер-2» посетили планету в 1979 году. Изучили её спутники и систему колец, открыли вулканическую активность, а также наличие водяного льда на поверхности Европы.

«Улисс» проводил дальнейшее изучение магнитосферы Юпитера в 1992 году, а затем возобновил эту работу в 2000 году. «Кассини» достиг планеты в 2000 году и получил очень подробные изображения её атмосферы. Зонд «Новые горизонты» прошёл рядом с Юпитером в 2007 году и провёл более точные измерения параметров планеты и её спутников.

«Галилео» до недавнего времени был единственным космическим аппаратом, который вышел на орбиту вокруг Юпитера и изучал планету с 1995 до 2003 года. В течение этого периода «Галилео» собрал большой объём информации о системе Юпитера, подходя близко ко всем четырём гигантским галилеевым спутникам. Он подтвердил наличие тонкой атмосферы на трёх из них, а также наличие жидкой воды под их поверхностью Европы. Аппарат также открыл магнитное поле вокруг Ганимеда. Достигнув Юпитера, он наблюдал столкновения с планетой осколков кометы Шумейкеров – Леви.

В декабре 1995 года «Галилео» направил спускаемый зонд в атмосферу Юпитера. Эта миссия по близкому исследованию атмосферы является единственной в своём роде. Зонд входил в атмосферу со скоростью 60 км/с. Несколько часов он спускался в атмосфере газового гиганта и передал на Землю её химический, изотопный составы, а также много другой крайне полезной информации.

Сегодня Юпитер изучают при помощи аппарата NASA под названием «Юнона».

Что будет дальше?

В 2021 году в рамках программы NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts), направленной на поддержку инновационных идей в астрономии и космонавтике, было выбрано несколько проектов. Среди них – отправка на спутник Юпитера Европу роя 3D-печатных плавающих микророботов. Они будут заниматься анализом свойств подлёдного океана юпитерианской луны и искать биомаркеры (NASA, Swarm of Tiny Swimming Robots Could Look for Life on Distant Worlds, 2022).

Микророботы проекта SWIM (Sensing With Independent Micro-Swimmers), длиной около 12 см, будут поддерживать связь при помощи ультразвука. Около 40 таких роботов загрузят в криобот длиной 10 и диаметром 25 см. Криобот будет пробираться сквозь кору Европы и плавить лёд, чтобы выпустить микророботов в океан.

В NASA уже объявили об успешном завершении первой фазы работ по проекту и присудили команде 600 тыс. долларов на реализацию следующего этапа. В рамках второго этапа планируется провести проектирование, прототипирование и тестирование прототипа робота, системы связи роботов между собой, а также создать модель управления роем.

Только представьте, если данные Джеймса Уэбба покажут биомаркеры на далёких планетах, а роботы SWIM – на Европе, насколько изменится наше отношение к жизни во Вселенной!

Сатурн

Систему Сатурна изучали только четыре космических аппарата.

Первым был «Пионер-11», который пролетел мимо в 1979 году. Он отправил на Землю снимки планеты и её спутников с низким разрешением. Изображения оказались недостаточно четкими, чтобы на них можно было подробно разобрать особенности системы Сатурна. Однако аппарат помог сделать другое важное открытие. Выяснилось, что расстояние между кольцами заполнено неизвестным материалом.

В ноябре 1980 года систему Сатурна достиг аппарат «Вояджер-1». Через девять месяцев Сатурна достиг и «Вояджер-2». Именно он отправил на Землю фотографии гораздо бóльшего разрешения, чем его предшественники. Благодаря этой экспедиции удалось открыть пять новых спутников и выяснить, что кольца Сатурна состоят из маленьких колечек.

В июле 2004 года к Сатурну приблизился аппарат «Кассини-Гюйгенс». Он провёл на орбите 6 лет и все это время фотографировал Сатурн и его спутники. Во время экспедиции аппарат высаживал зонд на поверхность самого крупного спутника Титана, откуда удалось сделать первые фотографии с поверхности. Позже этот аппарат подтвердил существование на Титане озера из жидкого метана. За 6 лет «Кассини-Гюйгенс» обнаружил ещё четыре спутника и доказал присутствие воды в гейзерах на спутнике Энцеладе. Благодаря этим исследованиям астрономы получили тысячи хороших снимков системы Сатурна.

Следующей миссией к Сатурну, вероятно, станет изучение Титана в рамках совместного проекта NASA и Европейского космического агентства. Ожидается, что это будет изучение недр самых больших спутников Сатурна. Дата запуска экспедиции до сих пор неизвестна.

Плутон

Эту планету изучали лишь одним КА – «Новые горизонты». При этом цель миссии заключалась далеко не только в фотографировании Плутона.

Плутон и Харон. Составное фото из двух кадров

Меркурий

Ещё одна планета, к которой человечество практически прикоснулось. Аппарат BepiColombo, в рамках совместной миссии Европейского и Японского космических агентств, успешно совершил второй гравитационный манёвр около исследуемого им Меркурия (июнь 2022 года). Во время манёвра в ближайшей точке к поверхности Меркурия BepiColombo находился на расстоянии всего 200 км.

Снимок был сделан камерой транспортного модуля корабля, когда он находился в 920 км от поверхности. На нём хорошо видны различные кратеры, включая многоуровневый кратер диаметром 200 км, разломы, холмы, впадины и лавовые поля. При этом камеры транспортного модуля, обеспечивающие чёрно-белые снимки, предназначены для наблюдения за отдельными элементами зонда во время полёта. Например, на этом фото видны штанга магнитометра и часть антенны.

На орбиту планеты после ещё 7 гравитационных манёвров аппарат выйдет в 2025 году. Он разделится на два орбитальных зонда под управлением ESA и JAXA.

Астероиды и кометы

Поначалу аппараты подлетали к ядрам комет. Разглядели их, многое поняли. В 2005 году американский аппарат Deep Impact сбросил ударник на комету Темпеля 1, который сфотографировал поверхность на подлёте. Был произведён взрыв (тепловой – от собственной кинетической энергии), и основной аппарат пролетел сквозь выброшенное вещество, проводя химический анализ.

Впервые образец астероидного вещества (астероид Итокава) получили японцы.

Зонд «Хаябуса-2». В его составе был робот для изучения астероида, но он пролетел мимо из-за неточных расчётов и малой силы тяжести самого астероида. Основной аппарат, можно сказать, пылесосом, не садясь, произвёл забор грунта.

Зонд «Розетта» стал первым аппаратом, который вышел на орбиту кометы (Чурумова – Герасименко). В составе КА находился небольшой посадочный аппарат. На каждой из трёх его лап имелся «шуруп», который должен был ввернуться в поверхность кометы и закрепить аппарат.

Перед этим в момент касания должны были сработать два гарпунных ружья. Затем тросы должны были подтянуть аппарат к поверхности, и уже после этого он закреплялся бы лапами. К сожалению, из-за десятилетнего полёта не сработали пороховые заряды гарпунов. Под действием радиации порох потерял свои свойства. Аппарат ударился о поверхность, отлетел на километр, ещё полтора часа опускался, затем ещё несколько раз отскакивал, пока не закатился в щель под скалой.

В итоге орбитальный аппарат сфотографировал спускаемый, который лежит на боку, зажатый скалой. 30 сентября 2016 года материнский аппарат в момент касания перестал работать. Решение прекратить исследование было принято ввиду того, что комета, а значит, и аппарат удалялись от Солнца, и энергии уже не хватало. Скорость касания была всего 1 м/с.

За пределами Солнечной системы

Наиболее дешёвый способ покинуть Солнечную систему – разогнаться за счёт гравитации планет, сближаясь с ними, использовать их как буксиры и постепенно наращивать скорость около каждой. Для этого нужна определённая конфигурация планет – по спирали – чтобы, расставаясь с очередной планетой, лететь к следующей. Из-за медлительности самых далеких из них – Урана и Нептуна – такая конфигурация возникает редко, примерно раз в 170 лет. Последний раз Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун выстроились в спираль в 1970-е годы.

Американские учёные воспользовались этим построением и отправили за пределы Солнечной системы космические аппараты: «Пионер-10» (стартовал 3 марта 1972 года), «Пионер-11» (стартовал 6 апреля 1973 года), «Вояджер-2» (стартовал 20 августа 1977 года) и «Вояджер-1» (стартовал 5 сентября 1977 года).

В СМИ очень любят преувеличивать новости ради громких заголовков. Так, раз в пару лет появляются сообщения о том, что «Вояджеры» покинули границы Солнечной системы, что довольно сильно искажает реальную картину.

Оба «Вояджера» вышли за пределы гелиосферы – области пространства у звезды, в которой плазма солнечного ветра движется относительно неё со сверхзвуковой скоростью. Подразумевается, что гелиосфера заканчивается там, где скорость плазмы падает ниже 300 м/с (примерная скорость звука в воздухе. Приблизительно с такой же скоростью Солнце вращается вокруг центра Галактики. То есть плазма перестаёт обгонять звезду, образуя вокруг неё пузырь. Да, аппараты сейчас очень далеко от нас, но это даже близко не граница Солнечной системы (NASA.JPL, б.д.).

Однако до звёзд этим аппаратам лететь ещё очень далеко: ближайшая звезда Проксима Центавра находится дальше аппарата «Вояджер-1» в 2 000 раз. Более того, все аппараты, не запущенные специально к конкретным звёздам (только планируется запустить совместный проект Стивена Хоккинга и Юрия Мильнера в качестве инвестора под названием Breakthrough Starshot), вряд ли вообще когда-нибудь пролетят рядом со звёздами.

Конечно, по космическим меркам «сближениями» можно считать:

• во-первых, пролёт «Пионера-10» через 2 млн лет на расстоянии несколько световых лет от звезды Альдебаран;

• во-вторых, «Вояджера-1» – через 40 тыс. лет на расстоянии двух световых лет от звезды АС+79 3888 в созвездии Жирафа;

• в-третьих, «Вояджера-2» – через 40 тыс. лет на расстоянии двух световых лет от звезды Росс 248.

Так или иначе, человечество забралось уже настолько далеко от своей звезды, насколько сложно себе представить.

Ну а как насчёт полёта к Солнцу?

Насколько близко можно подлететь к Солнцу?

Для чего человечеству необходимо изучать родную звезду? Причин много. Но самая очевидная – непосредственное воздействие Солнца на здоровье людей и нашу технологическую цивилизацию. Причём проблема эта отнюдь не новая. Так, ещё в 1859 году крупная вспышка на Солнце вывела из строя телеграфные сети по всей Европе и Северной Америке. А в 1972 году из-за солнечной бури сдетонировали морские мины в Северном Вьетнаме.

Сегодня же системы коммуникации и энергетики на планете более сложные и развитые. На околоземных орбитах находятся тысячи спутников, без которых привычная нам жизнь просто замрёт.

Невероятное количество людей пользуются разнообразными электронными устройствами, поддерживающими их жизнь. При этом предсказывать космическую погоду мы так и не научились. Почему? Вот какую аналогию приводит по этому поводу Стюарт Бэйл, ведущий автор одного из исследований Parker Solar Probe:

«Исследование солнечного ветра с Земли похоже на изучение источника водопада вблизи дна, где турбулентность скрывает то, что происходит наверху…»

Но повод для оптимизма всё же есть. Какой? Стюарт Бэйл продолжает:

«…Однако теперь с помощью зонда мы всё ближе и ближе к вершине водопада и можем видеть скрытую структуру».

На сегодня Parker Solar Probe приближался к Солнцу на расстояние до 24 млн км. А в течение следующих пяти лет достигнет отметки в почти всего 6 млн км от его поверхности. К тому моменту Солнце вступит в наиболее активную фазу своего одиннадцатилетнего цикла. Так что нас ещё ждёт огромное количество открытий, учитывая те из них, что мы уже получили.

Известно, что солнечный ветер состоит в основном из протонов и ядер гелия, распространяющихся вдоль линий магнитного поля звезды. Специалисты делят его на «быстрый», распространяющийся со скоростью 500–1000 км/с, и «медленный», более плотный и со скоростью вдвое меньше. Происхождение последнего оставалось загадкой до завершения анализа данных ещё с первого сближения зонда со звездой (с тех пор было ещё два сближения, и данные сейчас находятся в обработке), по результатам которого специалисты заговорили о раскрытии неизвестной ранее физики нашей звезды.

Учёным впервые удалось буквально увидеть магнитную структуру короны. Она показала, что солнечный ветер возникает и в очень небольших корональных дырах. Зонд во время каждого сближения по неделе зависал над корональной дырой. Эта дыра испускала частицы солнечного ветра вдоль линий магнитного поля, в которых были зафиксированы огромные изломы. По мнению специалистов, эти изломы связаны с солнечным ветром (Verscharen, 2019). Оказалось, что сам газ является нестабильным, из-за чего самостоятельно генерирует волны.

Невероятное удивление учёных вызвано наличием по-настоящему свирепой пылевой среды во внутренней гелиосфере. Предполагают, что частицы пыли имеют размеры менее микрона и служат останками комет и астероидов, упавших некогда на Солнце. Так, Солнце может либо обладать своего рода кольцами, либо быть полностью «накрытым» этой пылью.

Благодаря параллельному картированию Солнца другими космическими аппаратами физики смогли проследить солнечный ветер и магнитные поля обратно к источнику – корональным дырам вблизи экватора.

«Полной неожиданностью стала серия “магнитных пересоединений” вблизи Солнца. Эти события длились всего пару минут, но высвобождали много энергии, ускоряя солнечный ветер в длинных “трубах”, которые приблизительно равны диаметру Земли, до скоростей выше, чем предсказывали модели», – отметил Стюарт Бэйл.

Таким образом, зонд Parker Solar Probe уже обнаружил источник «медленного» солнечного ветра, новую загадку в поведении магнитного поля и кладбище комет и астероидов. А ведь его работа только началась.

Закончить этот раздел и перейти к разделу с технологиями я решил, скажем так, связав их, пусть хотя и отдалённой, но всё же перспективой освоения планет Солнечной системы. Ну а о какой планете вы думаете в первую очередь, когда речь заходит о колонизации?

Колонизация Марса. Получится ли долететь до него… живым?

Можно долго рассуждать о колонизации спутников Юпитера и Сатурна, на которых есть вода в жидкой форме. Но всё же именно Марс остаётся наиболее привлекательной и достижимой целью. На сегодня всё больше организаций планируют и проводят эксперименты, имитирующие полёт на Красную планету. Некоторые из них имитируют пребывание на самом Марсе.

Но достаточно ли просто прилететь на Красную планету? На формирование условий, пригодных для комфортного существования жизни на Земле, потребовались миллионы лет. Да, человечество очень далеко продвинулось в технологическом плане, но терраформирование всё же остаётся областью фантастики.

«Если у нас будет сила превратить другую планету в Землю, мы можем для начала Земле вернуть облик Земли», – говорит известный астрофизик и популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон.

Так или иначе, нам необходимо понимать, с чем сопряжено путешествие через абсолютно неблагоприятный космос к настолько же неблагоприятному Марсу, чтобы развивать те технологические направления, которые помогут решить эти проблемы.

Начнём с очевидного – с радиации

Сначала колонистов убьёт радиация на пути к Марсу. Если этого не произойдёт, то их убьёт радиация уже на самом Марсе. Зато они долетят. Хотя, вероятно, для них будут разработаны предписания по защите от неё, которые помогут протянуть неделю-другую. Если наши колонисты не смертники, которые полетели на Марс только потому, что им нечего терять, то они, очевидно, захотят после завершения миссии вернуться обратно на Землю. Помните, что было на пути к Марсу? Второго раза они точно не перенесут!

А чтобы совсем нагнать на вас ужаса, вот несколько фактов. Одно только пребывание на Красной планете приводит к облучению радиацией, в сто раз превышающей норму. Как галактические, так и солнечные частицы при непосредственном контакте наносят необратимые повреждения человеческому организму. Высокоэнергетические частицы и мельчайшие частицы излучения могут проходить сквозь тело и практически любые материалы, нанося повреждения ДНК и клеткам организма.

В мозге человека излучение приводит к ухудшению состояния и эпилептическим припадкам. В глазах – к катаракте, в лёгких – к раку. Кожа разрушается и фактически сгорает. Сердце и пищеварительные органы ослабляются. Ну и, конечно, бесплодие. А как колонизировать без возможности размножаться? На одних только искусственно выращенных эмбрионах далеко не уедешь. К тому же колонизация требует колоссальных энергетических и ресурсных затрат, что недостижимо при работе на Марсе. В ближайшие десятилетия – точно.

Одиночество

Практически каждый скажет, что с удовольствием отправился бы в лес, чтобы «побыть наедине с собой». В качестве преодоления стресса это действительно может сработать. Но речь идёт о нескольких днях и в комфортных условиях. На самом же деле непереносимость продолжительного одиночества заложена в нас эволюцией. Именно поэтому, например, Илон Маск говорит о том, что предполагает создать многотысячные колонии на Марсе, а не начинать с трёх – пяти энтузиастов. Также не следует забывать о том, что тесно связанные общины и общества создавались на Земле на протяжении веков.

Существуют прогнозы о том, что будет создан искусственный интеллект, настолько похожий на человеческий, что он сможет этому самому человеку заменить, скажем так, собеседника. Этот образ активно культивируется в научной фантастике.

Вопрос о необходимости отправлять человека в места столь неприветливые, как Марс, до того как тот будет изменён для благоприятного существования людей, стоит очень остро. Так, тот же вопрос можно задать, к примеру, создателям фильма «Интерстеллар». Для чего они отправляли по одному человеку в каждый предполагаемый мир, когда было бы достаточно отправить робота? Это было бы в разы проще и дешевле? Ведь на протяжении всего фильма мы видели, что эти роботы отлично справляются с задачами людей. К слову, я в восторге от этого фильма.

Потеря мышечной массы

Астронавты даже на борту Международной космической станции довольно много времени уделяют упражнениям на тренажерах. Ведь изменение силы тяжести оказывает колоссальное влияние на мышечную структуру тела. МКС, на минуточку, летает фактически в атмосфере Земли всего в 400 км от поверхности. Для проведения же экспериментов в условиях микрогравитации учёные запускают аппараты на геостационарные орбиты высотой в несколько десятков тысяч километров.

На Земле практически незаметна работа, совершаемая нашими, скажем так, «антигравитационными» мышцами. Это глубоко залегающие и расположенные ближе к оси позвоночника квадратная мышца поясницы, лестничные мышцы шеи, пояснично-подвздошные мышцы, поперечные мышцы живота и некоторые другие. Несмотря на то что вы сами можете быть полностью расслаблены, эти мышцы, главным образом разгибательные, поддерживают тело в вертикальном положении и помогают преодолевать силу тяжести. Они сформированы и настроены на земную гравитацию и без её ежедневного воздействия быстро утратят свою функцию.

В настоящее время учёные разрабатывают контрмеры, которые позволят астронавтам поддерживать свои тела в здоровом состоянии, особенно мышечную систему, во время коротких перелётов. Но никто никогда не проводил более нескольких дней на другой планете (это если Луну вообще считать планетой).

Здоровье мышц также напрямую влияет на скелетную систему, репродуктивную функцию и органы в целом, так что проблем тут очень много.

Нехватка кислорода

Уровень кислорода на Марсе ещё очень нескоро приблизится к земному, если мы всё-таки займёмся попытками его терраформирования.

При этом телу человека необходим кислород почти для всех жизненно важных функций: от дыхания и пищеварения до деления и роста клеток.

Существует несколько способов создания кислорода из других материалов, которые можно применить во время космических путешествий и освоения планет. Предполагается, что в будущем электролиз твёрдых оксидов позволит извлекать кислород из диоксида углерода, из которого состоит 95 % атмосферы Марса. Но речь идёт о промышленных технологиях, а до развёртывания на Марсе различных производств совсем уж далеко.

Клаустрофобия

Возьмём для примера отбор в астронавты NASA. Одним из тестов является проверка кандидатов на сопротивляемость экстремальной клаустрофобии. По словам астронавта Криса Хэдфилда, ему испытания показались весёлыми. В том числе и то, где его связывали в небольшом чёрном мешке и не говорили, когда выпустят. Представили?

Хэдфилд сказал, что «застрять в тёмном тесном месте на неопределенное время – отличная возможность и приятное время подумать, поспать и расслабиться».

Вероятнее всего, Крис настолько психически устойчив, что может себя в этом убедить. Даже если бы он был в панике и сумел её преодолеть, ему не стоило рассказывать об этом в интервью, так как он сразу лишился бы своей работы. Так что правду можно узнать только у отставных астронавтов.

А теперь представьте, что вы должны провести остаток своей жизни на Марсе, перемещаясь между маленькими отсеками и станциями, чтобы избежать радиации и поддерживать надлежащий уровень кислорода. Вы никогда не сможете выходить за пределы своего лагеря, вызывающего непрерывную клаустрофобию, без костюма и шлема, вызывающих ещё бóльшую клаустрофобию.

Враждебные формы жизни

Столкнуться с разумным видом – не такая уж и проблема: с ними можно хотя бы попытаться договориться. Нет, речь идёт именно о микроскопической жизни, которую сейчас так усиленно ищут в Солнечной системе.

Мы со своими-то вирусами и бациллами справиться толком не можем – представьте, что будет при встрече с микробами, от которых лекарства точно нет. Герберт Уэллс в романе «Война миров» это отлично показал. Хорошо, что там досталось враждебным гадам, и, что примечательно, именно с Марса.

Смогут ли колонисты размножаться на Марсе?

Пилотируемая миссия на Марс и создание там первого человеческого поселения до сих пор были лишь плодом научной фантастики. Но в настоящее время специалисты планируют и ожидают, что это произойдет в течение следующих 20 лет. Подобная миссия сопряжена с титаническими проблемами в различных дисциплинах: от космических технологий до медицинских, биологических, социальных и этических.

Со сложностями перелёта к Марсу, думаю, всё понятно. Но предположим, что человечеству удалось создать такой космический корабль, который позволит колонистам долететь живыми до Красной планеты. И, самое главное, они собираются организовать там постоянную колонию. Помимо прочего, им придётся решить проблему размножения.

Беременность и на Земле далеко не самый приятный процесс: токсикоз, отёчность, да и сами роды…

В одной из работ исследователи из Польши высказали идею о том, что не получится обойтись без генной модификации будущих колонистов (KonradSzocik, 2018).

Прежде всего отметим две основные и очевидные проблемы, связанные с деторождением на Марсе.

Повышенная радиация

Повышенный в сто раз по сравнению с земным радиационный фон на Марсе не может не сказаться на человеческом плоде.

«Известно, что радиация пагубна для взрослых людей, в особенности для их репродуктивных клеток, развивающихся эмбрионов и зародышей, а также считается основной угрозой здоровью астронавтов», – пишут исследователи.

Пониженная гравитация

Как я уже говорил, пониженная гравитация помимо потери костной массы, мышечного тонуса и прочего влияет на уровни жидкости в глазах и спинном мозге астронавтов, вызывая у них слепоту, а также крайне негативно сказывается на репродуктивной функции.

Таким образом, через некоторое время на Красной планете будут жить погружённые в депрессию, глухие, слепые, ослабшие и облучённые люди, которым точно будет не до размножения. По-прежнему сомнительная перспектива.

Для естественных изменений путём эволюции потребуются миллионы лет. Да и нельзя, как вы уже поняли, просто закинуть на Марс пару-тройку человек и надеяться, что они выживут и дадут потомство.

Исследователи в своей работе отметили возможность использования CRISPR для осуществления генной модифицировании людей с целью преодоления большинства проблем, связанных с приспособлением к новым условиям, включая размножение.

Они говорят о создании нового вида человека, способного жить исключительно на Марсе. С одной стороны, в этом случае возникает довольно много серьёзных этических проблем. С другой – попытки излечить, например, ВИЧ, применяя эту технологию, являются точно такой же генной модификацией. Так почему бы нам не применять её для экспансии в космическое пространство? Тем более что последнее позволит развиваться человеку как виду?

Так или иначе, публикация польских специалистов скорее всего научно-популярная, ведь до подобных работ ещё очень далеко. На сегодня не проводилось никаких исследований, непосредственно касающихся функции размножения за пределами Земли.

В целом на технологию редактирования генома CRISPR возлагают очень много надежд. От победы над ныне неизлечимыми заболеваниями до возможности изменения человека под соответствующие условия. За развитием CRISPR будет очень интересно следить. К тому же на сегодня репродукция остаётся лишь одной из множества проблем, с которыми придётся столкнуться перед полноценной колонизацией Марса.

Что делается уже сегодня для выживания человека на Марсе?

Как ни крути, но начнется колонизация космоса с разработки различных устройств и приспособлений, призванных создавать для колонизаторов имитацию естественной среды обитания. Собственно, подобные исследования и разработки ведутся с самого начала космической эры. Рассмотрим несколько примеров недавних исследований в этом направлении.

С сентября 2018 года в филиале швейцарской Высшей технической школы (ВТШ) в городе Линдау проходят исследования по заданию Европейского космического агентства (ЕКА). Они осуществляются в рамках проекта «Мелисса» (MELISSA – Micro-Ecological Life Support System Alternative). Учёные разрабатывают искусственную экосистему для отработки регенеративной системы жизнеобеспечения долгосрочных полётов людей в космос.

Утилизация отходов жизнедеятельности

Ключевое слово тут – утилизация. Цель состоит в том, чтобы создать экологическую систему замкнутого цикла с использованием переработанных отходов жизнедеятельности человека.

Было установлено, какой состав мочи благоприятно сказывается на росте растений. Мочу собирают в туалетах Института исследования воды при ВТШ и перерабатывают в жидкое удобрение «Аурин».

Вместо того чтобы создавать сложные системы фильтрации и очистки, их можно сделать более простыми. Они позволят избавляться только от действительно вредных веществ и при этом выращивать солелюбивые растения, так как соли в моче довольно много.

Например, в фильме «Марсианин» была допущена существенная ошибка. Главный герой выращивает картофель в марсианском грунте, перемешанном с фекалиями. Надо сказать, что перхлораты – соли, содержащиеся в марсианском грунте, не опасны для растений, но ядовиты для человека. Поэтому альтернативой, по мнению участников проекта «Мелисса», может быть только очистка выделений человека. Но, учитывая ограничения враждебного мира, система очистки должна будет работать без сбоев, ведь и на Земле-то это вызывает серьёзные проблемы.

Так, в 2011 году в Германии случилась эпидемия – порядка 4 000 человек заразились кишечной палочкой Escherichia coli O1401:H4, 53 из которых погибли. Источником эпидемии был картофель, произведённый фирмой органического питания, который выращивали с применением неправильно приготовленного компоста. Вот вам и экоеда.

Сколько крыс в одном человеке?

Для изучения вопросов создания систем циркуляции воздуха Европейское космическое агентство построило в Барселоне прототип герметичной установки, в которой кислород производят водоросли. Внутри установки живут 60 крыс, которые вместе потребляют приблизительно столько же кислорода, сколько один взрослый человек. Сейчас с крысами всё в порядке. Но это только первая стадия эксперимента. В дальнейшем его понадобится масштабировать и в итоге провести на людях.

Растения в космосе растут

С тем, что растения могут приспособиться к новым космическим условиям, вопросов уже не возникает. Так, Германский центр авиации и космонавтики вывел на околоземную орбиту спутник-теплицу с томатами и другими овощами на борту. В 2019 году на китайском спутнике «Чанъе-4» впервые удалось добиться проращивания семян хлопчатника, которые находились в контейнере на поверхности Луны.

Независимо от того, поселятся люди на Марсе в недалеком будущем или нет, данные исследования проводить необходимо. Человечество может столкнуться с глобальной катастрофой в любой момент. Поэтому нужно быть готовыми приспосабливаться к изменившимся условиям. Хорошо, что учёные думают об этом всегда!

Так, в самом начале космической эры астронавты миссий «Аполлон» приняли участие в дальновидной программе учёных и доставили на Землю образцы лунного реголита. Их изучили и с помощью современного на тот момент оборудования и сохранили для будущих исследований, когда будет изобретено такое оборудование, которого на тот момент ещё не было. 50 лет спустя, на заре эры «Артемиды» и предстоящего возвращения человека на Луну, из этих образцов выбрали три. И впервые в истории на лунном реголите вырастили Arabidopsis thaliana (NASA, Scientists Grow Plants in Lunar Soil, 2022).

Это небольшое цветковое растение выбрали из-за относительно короткого цикла развития. Оно оказалось чрезвычайно удобным модельным организмом в молекулярно-биологических, генетических и физиологических исследованиях.

Для выращивания Arabidopsis thaliana команда использовала образцы лунного реголита, собранные в миссиях «Аполлон-11, -12 и -17». Причём для каждого растения выделяли только 1 г реголита. Питательный раствор добавляли ежедневно.

Уже через два дня все растения опытной группы начали прорастать. Однако на 7-й день стало ясно, что они не были такими же устойчивыми, как растения контрольной группы, высаженные в вулканическом пепле.

«Лунные растения» росли медленнее. У них были меньше и корни, и листья, а также наблюдалась красноватая пигментация. Растения, выращенные в образце грунта, полученного во время миссии «Аполлон-11», были ещё слабее, чем в двух других образцах. Таким образом, Arabidopsis thaliana по-разному реагировали на образцы реголита из разных областей Луны.

Однако первое и самое важное, что показало данное исследование, – растения можно выращивать в лунном реголите! Это имеет решающее значение для предстоящего освоения Луны. Через 20 дней, как раз перед тем, как растения начали цвести, команда их собрала, измельчила и изучила РНК.

Секвенирование выявило, что растения находились в состоянии стресса и реагировали соответствующим образом на рост в суровых условиях. Например, когда в почве было слишком много соли или тяжёлых металлов.

Это небольшой, но очень важный шаг к дальнейшим исследованиям.

Перед нами открывается целый ряд вопросов:

• Может ли понимание того, какие гены растения должны приспособиться к росту в реголите, помочь нам понять, как уменьшить его стрессовое воздействие?

• Как определить, какие параметры реголита отвечают за то, насколько он подходит для выращивания растений?

• Может ли изучение лунного реголита помочь нам понять больше о реголите Марса?

Всё только начинается, но уже интересно и вселяет надежду на будущее, полное открытий. Человечество очень далеко продвинулось в изучении Вселенной в целом и собственной Солнечной системы в частности. Сейчас наступает эпоха освоения новейших технологий частными кампаниями (такими, например, как SpaceX и Relativity Space) и их дальнейшего внедрения в повседневное использование. Да, пока не всё идёт гладко, но ведь и первые пуски в космическое пространство были неудачными. Нам необходимо разработать новые системы жизнеобеспечения, материалы для защиты от столь недружелюбного, но всё же притягательного космоса. А главное – освоить новые скорости или даже принципы передвижения в пространстве. Нас ждёт много удивительных открытий! Главное – не останавливаться, объединять усилия и двигаться в едином порыве, как истинные представители вида Homo sapiens.

Раздел 6

Технологии, порождённые освоением человеком космоса, и будущее, к которому мы идём

Почему сегодня мы не можем колонизировать другие планеты и какие технологии необходимо для этого развивать?

Человечество непременно будет осваивать новые миры. Развитие человеческой цивилизации продолжалось тысячелетия, и лишь промышленная революция, начавшаяся в конце XVIII века, привела нас к идее покорения космоса. Сегодня речь идёт уже о полноценной колонизации. Но уже больше чем за шесть десятилетий с момента первого полёта человека в космос стало очевидно: для полноценного освоения космоса нам необходимо вывести на принципиально иной уровень развития целый ряд технологий. Наиболее перспективные среди них – аддитивные.

Почему сегодня мы вряд ли можем колонизировать другие планеты?

На сегодня не существует технологий строительства в космосе. До сих пор мы смогли научиться лишь собирать станции из готовых модулей. Поэтому большинство планов по колонизации основано именно на отправке на колонизируемый объект модулей. А это удовольствие невероятно дорогое, да и не самое универсальное. Развёртывание полноценных предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых с их последующей механической обработкой на Луне, Марсе или любом другом космическом теле невозможно как минимум несколько ближайших десятилетий. Колонизируемый объект обязан быть независимым. Необходимость ждать, например на Марсе доставок материалов и новых модулей с Земли по году делает колонизацию невозможной.

С другой стороны, многие из современных промышленных технологий устарели и до сих пор работают на Земле лишь потому, что на них завязано огромное количество других технологий и целых производств. То есть кардинальное изменение в одной отрасли влечёт за собой столь же кардинальные изменения в других, связанных с ней.

Например, системы добычи полезных ископаемых, на которых завязаны все промышленные производства, зависят от систем геологической разведки. Все они, вместе взятые, в свою очередь, зависят от логистических систем. А им тоже нужны производства, чтобы хотя бы строить дороги, для которых также необходимо добывать и перерабатывать материалы.

Чем грозит применение старых подходов при колонизации планет?

Если мы решаем реализовывать освоение других планет посредством отправки модулей с Земли, мы попадаем в ловушку зависимости от родной планеты. Ведь развернуть производство новых модулей на недружелюбной планете невозможно.

Ну а в тех случаях, когда один из модулей выйдет из строя, придётся ждать, пока его заменят на Земле, а потом доставят на колонизируемый объект.

Конечно, для начала колонизации даже необходимо забросить на новую планету несколько основных модулей. Скажем, обитаемый модуль, модуль хранения и поддержания жизнедеятельности (условную оранжерею). Но своё развитие колония должна будет обеспечить самостоятельно. Иначе это сложно назвать колонизацией.

Здесь на выручку могут прийти несколько развивающихся технологий. Наиболее перспективными среди них выглядят аддитивные. В теории они позволяют обойтись без огромных трудоёмких производств. Их заменят комплексом, состоящим из систем добычи, сепарации и подачи расходного материала на печать. То есть 3D-принтер может выступить в роли мини-фабрики, объединяющей в себе сразу несколько производств.

Помимо прочего, использование аддитивных технологий в строительстве даст возможность применить топологическую оптимизацию. Это метод, который позволяет получить оптимальную форму изделия в заданных условиях эксплуатации.

Вы только представьте себе мир без острых углов с сооружениями самой причудливой, но максимально эффективной формы. Всё, как в фантастических фильмах!

Типологическая оптимизация позволит частично решить и энергетическую проблему. Ведь с помощью аддитивных технологий и топологической оптимизации можно создавать здания без температурных мостов – участков, имеющих пониженное термическое сопротивление. К примеру, убрать стыки между частями конструкции, которые значительно снижают теплозащиту здания. К тому же они служат причиной образования конденсата, что приводит к постепенному разрушению конструкции.

Другой положительный момент заключается в отсутствии отходов и вредных выбросов. То есть новый мир с самого начала не будет загрязняться.

Поскольку мы говорим о создании колонии на недружелюбных планетах, нужно понимать, что каждый ресурс ценен по-своему и даже из камней необходимо выжимать максимум. Именно поэтому разрабатываемые (к примеру, NASA) технологии сбора реголита для последующей 3D-печати из него включают термическую обработку с выделением воды, водорода и кислорода. Получается многофункциональное производство в обеспечении колонии всем необходимым.

Правда, на первых этапах вряд ли получится строить что-то,

кроме несущих и защитных сооружений, из-за чего без разработки и отправки модулей нам всё-таки не обойтись. Но нет худа без добра. Несущие и защитные сооружения, помимо того что принесут сопутствующие «бонусы» в виде воды, кислорода и основы для топлива при своём производстве, позволят унифицировать создаваемые на Земле модули. Их не придётся разрабатывать под принципиально разные условия разных планет. Один и тот же жилой модуль можно будет отправить и на Луну, и на Марс. А там с помощью 3D-принтеров будут возведены защитные сооружения, которые укроют модули от неблагоприятных воздействий окружающей среды.

Энергетика

Тем не менее крайне важно решить энергетическую проблему. На сегодня добыча и хранение энергии с минимальными потерями (а в идеале хорошо бы обойтись без потерь) – такая же полноценная индустрия, как и промышленное производство. Эта индустрия сильно ограничивает наши возможности в продвижении в глубь космоса. К тому же на Луне и Марсе, куда мы собрались в первую очередь, нефти точно не найти. Само собой, наиболее перспективны технологии получения энергии от Солнца и ветра, а также ядерная энергетика. Если на Луне из возобновляемых источников энергии есть только Солнце, то на Марсе, помимо этого, дуют достаточно сильные ветры. К сожалению, уровень развития этих технологий недостаточен для реализации колонизации прямо сейчас. Тут не нужно питать иллюзий. Скажем откровенно, все эти три технологии до сих пор находятся в зачаточном состоянии, хотя и развиваются, о чём речь пойдёт ниже.

Оно и понятно: для реализации полётов на низкую околоземную орбиту и даже кратковременных полётов на Луну достаточно того, что мы имеем. Ну а на Земле, кто бы что ни говорил, углеводороды покрывают все наши нужды, и нет крайней необходимости разрабатывать альтернативные источники энергии.

Универсальность

Пожалуй, самым главным является тот факт, что 3D-печать – это далеко не только технология строительства внеземных баз. Она могла бы решить множество других сопутствующих проблем. Ведь основное отличие 3D-печати от любой другой технологии – унифицированность. То есть её можно применять в совершенно различных сферах, что и делает эту технологию отличным инструментом для колонизации планет и тел Солнечной системы.

3D-печать уже сегодня максимально активно используют в аэрокосмической промышленности для изготовления прототипов, оснастки и как минимум деталей двигателей.

Несколько компаний даже испытали собственные ракетные двигатели, полностью напечатанные на 3D-принтерах. К примеру, Relativity Space подписала контракт с ВВС США на запуск своей ракеты, полностью (включая двигатель) распечатанной на 3D-принтере.

Благодаря применению аддитивных технологий компании удешевляют продукцию, одновременно повышая её эксплуатационные характеристики при значительном сокращении времени изготовления отдельных изделий. К аддитивным технологиям, так или иначе, обращаются все крупные компании, связанные с аэрокосмическим производством.

Не стоит забывать и об активном внедрении аддитивных технологий в медицину: печать экзоскелетов, протезов и даже биопечать тканей и органов уже давно вышли за пределы фантастических романов. Хотя и не вошли пока в повседневную жизнь.

Если ко всему этому добавить и производство зданий на предполагаемых к заселению планетах, получается, что аддитивные технологии способны полностью покрыть все нужды человечества для колонизации новых миров. А все вопросы сводятся к тому, чтобы уделить их развитию максимальное внимание.

Может показаться, что колонизация в таком ключе будет выглядеть как захват новых миров посредством 3D-принтеров на все случаи жизни. И это практически так.

Мы прошли долгий путь в становлении современной промышленности и сейчас за месяцы возводим здания, строительство которых, по мнению людей, скажем, XV века, было просто невозможно.

Такой же рывок способны обеспечить и аддитивные технологии, которые по большому счёту представляют собой новый этап развития и унификации целого ряда других технологий. В этом плане у многих скептическое отношение к аддитивным технологиям возникает из-за того, что имеется довольно большой разрыв между развитием промышленной 3D-печати, которая уже давно стала реальностью для многих индустрий, и возможностями домашних 3D-принтеров, которые сегодня чаще напоминают игрушку для гиков.

Я уверен, аддитивные технологии максимально активно продолжат внедряться во все сферы жизни. Но больше всего потребность в них очевидна именно в деле освоения космоса. Собственно говоря, это направление и необходимо взять за основу их развития, а все получаемые результаты внедрять в повседневную жизнь. Ведь именно так всегда и работало стремление человека осваивать новые миры. Хотя для начала было бы неплохо научиться безопасно летать к другим планетам.

Генная инженерия

Начнём, пожалуй, именно с неё. Не думаю, что есть смысл рассказывать о предубеждениях и мифах, связанных с ней. Для этого есть работы специалистов по данной теме. Я же расскажу о уже свершившихся достижениях, которые точно помогут в колонизации космоса, и о том, что нас может ждать в не самом далёком будущем. Начнём с того, что проще.

Человек искусственный: начало

Кожа, выращенная из стволовых клеток, способна отращивать волоски после пересадки

Вообще, кожу довольно давно научились выращивать. Но до недавнего времени (Jiyoon Lee, 2020) речь шла исключительно об эпидермисе – верхнем её слое. Правда, и здесь буквально несколько лет назад был совершён настоящий прорыв (Tobias Hirsch, 2017): ребёнка с помощью пересадки искусственно выращенного эпидермиса вылечили от буллёзного эпидермолиза – заболевания, получившего народное наименование «растворяющаяся кожа», когда эпидермис буквально распадается.

Учёные продолжали работать над тем, чтобы вырастить не поверхностный слой кожи, а всю её – с потовыми железами, волосяными сумками, жировыми клетками, нервами и мышечными волокнами. За основу были взяты плюрипотентные стволовые клетки, которые с помощью генного инжиниринга можно преобразовать в практически любые другие типы клеток. С помощью этих клеток специалисты вырастили небольшой кусочек полноценной кожи, в которой через 70 дней появились волосяные фолликулы, а немного позже – волоски. В искусственной коже не хватало только иммунных клеток.

По словам авторов работы, выращенная ими кожа по своим свойствам больше напоминает кожу подбородка, щеки или уха. Сегодня основное применение органоидов (структур, выращенных из стволовых клеток, максимально похожих на реальные органы) заключается в исследованиях различных воздействий на них, а также в исследовании биологических процессов в целом. Но ведь мы понимаем, что всё идёт к возможности выращивания новых органов взамен поражённых различными болезнями. И авторы работы начали исследования в этом направлении.

Учёные рассказали, что примерно у половины мышей, которым пересадили этот кожный органоид, он прижился и продолжил функционировать, отращивая волоски. Это при том, что органоид был получен из стволовых клеток человека. Поэтому потребовалось подавлять иммунитет мышей, чтобы он лучше приживался.

Тем не менее ещё слишком рано говорить о пересадке полноценной кожи, так как впереди у учёных много работы. Но главное, что они работают.

Синтетические эритроциты и нейроны

Это не сюжет фантастического фильма. Человечество уже очень далеко продвинулось в подобных исследованиях, находясь при этом в самом начале пути.

Группа учёных разработала копию эритроцитов, которые оказались эффективнее наших собственных красных кровеносных телец (Jimin Guo, 2020). Биоинженерам удалось создать синтетические эритроциты, полностью имитирующие широкие свойства нативных: размер, двояковогнутую форму, деформируемость, пропускную способность кислорода и длительное время циркуляции.

Таким образом, объединив биологический материал с выращенными в лаборатории полимерами, специалисты смогли создать класс длительно циркулирующих искусственных в кровеносной системе гибридных материалов, копирующих эритроциты, с широким спектром потенциальных применений. На что они способны?

Начнём с того, что проектирование и синтез искусственных материалов, имитирующих структуру, механические свойства и, в конечном счёте, функциональные возможности биологических клеток, остаётся в настоящее время Святым Граалем материаловедения.

Функциональные возможности синтетических эритроцитов исследовали на эмбрионах кур и мышей. Эти крошечные киборги могут быть модифицированы для доставки лекарств, например, убивающих опухоль, нести на себе различные сенсоры, контролирующие состояние организма в реальном времени, и многое другое, что ещё совсем недавно было уделом фантастических романов.

Эритроциты столь привлекательны для биоинженеров благодаря простоте своего устройства. При этом они функциональны и способны проникать во все органы.

А что там с нейронами? Специалисты сделали серьёзный шаг на пути создания компьютеров, способных работать по принципу человеческого мозга. Они создали ключевые элементы синтетических клеток мозга, которые способны хранить «воспоминания» в течение миллисекунд.

Эти искусственные «нейроны» используют заряженные частицы, ионы, для получения электрического сигнала. Точно так же информация передается между реальными нейронами в нашем мозге.

В журнале Science была опубликована компьютерная модель этих искусственных нейронов, способных производить такие же электрические сигналы, которые нейроны используют для передачи информации в мозге (PAUL ROBIN, 2021).

Но учёные пошли ещё дальше.

На более тонком уровне исследователи создали систему, имитирующую процесс генерации потенциалов действия – всплесков электрической активности. Их генерируют нейроны, которые являются основой деятельности мозга. Чтобы создать потенциал действия, нейрон начинает пропускать больше положительных ионов, которые притягиваются к отрицательным ионам внутри клетки.

Электрический потенциал (напряжение на клеточной мембране) заставляет «дверные проёмы» в клетке, (ионные каналы) с напряжением открываться, повышая заряд ещё больше, прежде чем клетка достигает пика и возвращается к нормальному состоянию через несколько миллисекунд. Затем сигнал передается другим клеткам. Так информация перемещается в мозге.

Чтобы имитировать управляемые напряжением ионные каналы, исследователи смоделировали тонкий слой воды между листами графена (листами углерода толщиной в один атом). Слои воды были глубиной в одну, две или три молекулы. Их исследователи охарактеризовали как квазидвухмерную щель.

В данной имитации «память» о предыдущем состоянии ионов длилась несколько миллисекунд. Примерно столько же времени, сколько требуется реальным нейронам, чтобы произвести потенциал действия и вернуться в состояние покоя.

Далеко ли до синтетического интеллекта?

Специалисты уверены, что практически применимые компьютеры, работающие по принципу мозга, скорее всего, будут созданы ещё не очень скоро. Однако данное исследование может помочь учёным лучше понять, как мозг обрабатывает информацию.

Более того, проведя это исследование с помощью компьютерного моделирования, учёные воплотили свою теорию в жизнь. Они использовали её для создания искусственного синапса (части нейрона, передающей электрические сигналы) и уже начали проводить с ним эксперименты. То есть речь идёт о первой в истории физической модели участка синтетического мозга, способного не только передавать информацию от «нейрона» к «нейрону», но даже хранить её. Пусть и очень короткое время.

Тут интересен тот факт, что учёные в общем-то не видят никаких фундаментальных ограничений в создании синтетического сознания. Это вопрос времени и развития технологий, что порождает огромное количество самых разных вопросов, включая этические. Вот уж действительно наука будущего.

3D-бипринтинг. Биочернила: уже не фантастика

Биочернила, важнейший компонент развития биопринтинга, – уже реальность. Причём способов решения проблем технологии печати живыми клетками существует на сегодня уже несколько.

Самым первое и при этом самое простое решение – создание водных физиологических растворов с добавлением солей, необходимых для поддержания жизни. Однако этот метод не оправдал себя. Клетки в таких растворах быстро агрегировали (объединялись в единую массу) и выпадали в осадок, делая процесс печати невозможным.

Тогда для борьбы с агрегацией и седиментацией (выпадением в осадок) клеток в состав биочернил стали добавлять растворы биополимеров низкой вязкости. И, хотя это улучшило жизнеспособность клеток, подобные чернила долго не хранились и вообще приводили к поломкам печатных головок.

Эти факторы постаралась учесть группа биоинженеров. Специалисты предложили добавлять к биополимеру геллану (геллановая камедь, Е418), а также два поверхностно активных вещества (Novec FC4430 и Poloxamer 188), необходимых для снижения поверхностного натяжения клеток. Такой состав позволил оптимизировать качество струйной печати и одновременно защитить живые клетки от механических повреждений.

Некоторые учёные в разработке биочернил пошли другим путём. Они стали их создавать на хорошо известном биологическом материале – желатине. Желатин получают из коллагена – основного компонента соединительной ткани. Чтобы адаптировать биологические молекулы для печати, исследователи модифицировали гелеобразующие свойства желатина. В отличие от немодифицированного желатина, быстро образующего гидрогель, биочернила в процессе печати остаются жидкими. Жидкость превращается в гидрогель только после облучения ультрафиолетовым светом, сшивающим молекулы коллагена.

Ещё одним решением стало использование в качестве биочернил не живых клеток, а различных препаратов, воздействующих на скорость роста и формирование клеток. Человеческий организм представляет собой своего рода «биореактор», в котором одновременно формируются клетки различных типов. Разработанный исследователями прибор представляет своего рода струйный принтер, заправляемый в качестве «биочернил» различными факторами роста.

Исследователи из Университета Эдинбурга также решили не печатать ткани, а сосредоточиться на печати клеток. Они создали принтер клеток, который создаёт живые эмбриональные стволовые клетки. Принтер способен не только печатать клетки одинакового размера, но и поддерживать клетки живыми, сохраняя их способность к развитию на разных этапах. Их цель – создание клеток непосредственно в теле человека.

Что есть сегодня?

Китайская биотехнологическая компания Sichuan Revotek Co объявила о создании первого в мире 3D-биопринтера, позволяющего печатать кровеносные сосуды для создания персонализированных человеческих органов.

В основе устройства лежит собственная технология китайской компании по созданию биочернил для печати стволовых клеток, объединённая с платформами облачных вычислений. Чернила, которые были названы Biosynsphere, позволяют создавать кровеносные сосуды с учётом особенностей организма отдельно взятого человека и потом на их основе «выращивать» новые органы.

В свою очередь группа учёных Пхоханского университета науки и технологии и Пусанского национального университета (Корея) разработала биочернила для 3D-печати кровеносных сосудов, необходимых для лечения ишемии (уменьшения или прекращения кровоснабжения органов из-за повреждения или закупорки сосудов) и других сердечно-сосудистых заболеваний. Учёные создали гибридные биочернила, смешав сосудистые EMC из тканей аорты свиньи с гидрогелем из альгината соды, из которых они напечатали кровеносные сосуды. Представленная технология, которую они разработали, позволяет создавать сосуды различного размера. После печати трубки выдерживаются в течение получаса при температуре 37 °C, после чего гидрогель растворяется и остаются полые сосуды.

Ранее специалисты из Ханчжоуского университета электроники представили рабочую станцию 3D-биопечати Regenovo (китайский конкурент калифорнийской компании Organovo, также работающей в области создания искусственной печени), позволяющей печатать структурно-функциональные единицы печени – печёночные доли.

О печати органов до сих пор говорят довольно редко, но учёные просто работали и смогли представить общественности живое сердце, напечатанное на 3D-принтере (TAU scientists print first ever 3D heart using patient’s own cells, 2019).

© Getty Images News

Сердце получилось маленькое, порядка 2,5 см, но зато полноценно функционирующее. До этого, как и было сказано, удавалось печатать отдельно простые ткани и кровеносные сосуды.

Сердце же, представленное 15 апреля 2019 года, воссоздано полностью, включая все кровеносные сосуды, желудочки и камеры. Оно состоит из жировых клеток донора, которые методом генной инженерии были преобразованы в стволовые клетки, а уже затем – в клетки сердечно-сосудистой мышцы и кровеносных сосудов, после чего их смешали с соединительной тканью и поместили в специальный биореактор 3D-принтера.

© Getty Images News

В конечном счёте получилось сердце, по сути, как у новорожденного, способное сокращаться. На то, чтобы напечатать этот крошечный орган, потребовались три часа и миллионы клеток. Для печати человеческого сердца в натуральную величину потребуются уже миллиарды клеток и не менее одного дня. Но об этом говорить пока рано. В первую очередь учёные ставят целью пересадить напечатанное сердце животному – кролику или крысе – в течение текущего года. Хотелось бы застать время, когда люди перестанут умирать в ожидании доноров. Теперь кажется, что это очень даже возможно.

Медицина будущего уже сегодня

Я так думаю, вы уже поняли, что осваивать космос и планеты Солнечной системы без развития новейших технологий, среди которых одним из приоритетных направлений являются аддитивные технологии в медицине, вряд ли получится. Несколько примеров прорывных исследований я уже привёл, но есть ещё одно, на котором я хотел бы заострить внимание.

Впервые одна из самых смертоносных форм опухоли головного мозга – глиобластома – была успешно напечатана на 3D-биопринтере в среде клеток мозга вместе с сосудами, снабжающими её кровью (LENA NEUFELD, 2021).

Глиобластома является довольно редкой, но, появляясь на мозге или стволе мозга, быстро растёт и почти всегда смертельна. Этот тип рака настолько агрессивен, что лечение должно быть максимально жёстким. Пациенты чаще всего не выдерживают всех необходимых курсов лучевой и химиотерапии.

Чтобы узнать как можно больше об этом типе рака, учёным необходимо работать с ним напрямую, а делать из страдающих пациентов подопытных животных – как минимум неэтично. Приходится проводить исследования со средами, выращенными в чашках Петри, но этот способ имеет множество ограничений.

К примеру, в одном из исследований учёные обнаружили белок, который вырабатывается, когда раковые клетки в глиобластоме сталкиваются с микроглиальными клетками в мозге, заставляя их действовать в поддержку глиобластомы, а не бороться с ней.

Проблема была в том, что этот белок удалось обнаружить в опухолях, полученных сразу после удаления у пациента, но не в клетках глиобластомы, выращенных в чашках Петри в лаборатории.

Причина в том, что рак, как и все ткани, в лабораторных условиях ведёт себя совсем иначе, чем в человеческом теле. Примерно 90 % всех экспериментальных препаратов терпят неудачу на клинической стадии, потому что успех, достигнутый в лаборатории, не воспроизводится у пациентов.

В таком ключе борьба с раком займёт огромное количество времени. Именно здесь пришли на выручку современные технологии. Чтобы обойти эти ограничения, команда специалистов разработала биочернила глиобластомы, созданные из клеток глиобластомы, астроцитов и микроглии, полученных от пациента.

В результате этой работы была получена самая полная репликация опухоли и окружающих тканей, которую учёным даже удалось обеспечить функциональным кровоснабжением, – прорыв, который по-настоящему продвинет поиски методов лечения рака на принципиально новый уровень.

Только представьте, с развитием этого метода можно будет взять образец ткани пациента, напечатать из него 100 крошечных опухолей и протестировать множество различных лекарств в различных комбинациях, чтобы найти оптимальное лечение для конкретного человека с конкретной опухолью. Вот уж действительно персонализированная медицина.

Подведём итог. Процесс биопечати на сегодня, мягко говоря, неидеален и требует доработки вручную, непосредственно в процессе. В настоящее время выживают до 90 % клеток, созданных на биопринтере, а продолжительность их существования составляет около четырёх месяцев. Но даже десять лет назад разговоры о 3D-биопечати были уделом лишь писателей-фантастов, а сегодня можно считать успешными опыты по печати не только ушей и носа, но даже работоспособного сердца. Что же касается полностью искусственной печени, над которой сейчас работает большинство лабораторий, то, по мнению учёных, увидеть её можно будет примерно через пять-семь лет. При достижении этого результата станет очень сложно спрогнозировать, например, увеличение продолжительности жизни и возможностей по адаптации человека к различным условиям, что снова приводит нас к освоению новых миров.

Инженерия, робототехника и искусственный интеллект

Искусственный глаз, который эффективнее человеческого

Человеческий глаз, с его полусферической сетчаткой, имеет более оригинальную оптическую схему, чем, скажем, датчики плоского изображения в камерах. Купольная форма сетчатки естественным образом уменьшает распространение света, прошедшего через линзу, и тем самым обостряет фокус. Повторить полусферическую форму сетчатки при разработке искусственного глаза не удавалось до недавнего времени. Пока специалисты не создали инновационную, вогнуто-полусферическую сетчатку. Она состоит из массива наноразмерных световых датчиков (фотосенсоров). Эти датчики имитируют фоторецепторы в сетчатке глаза человека (Leilei Gu, 2020).

Основным компонентом искусственного биомиметического глаза служит высокоплотный массив фотосенсоров, выполняющий функции сетчатки. Биомиметические наноматериалы, или биомиметики, – это искусственные наноматериалы. Они имитируют свойства биоматериалов или созданы на основе принципов, реализованных в живой природе.

Конструкция этого глаза поразительна и во многом имитирует человеческий. Тонкие гибкие провода из галлий-индиевого сплава, запечатанные в мягкие полимерные трубки, передают сигналы от наноразмерных фотодатчиков на внешнюю систему обработки сигналов. Эти провода имитируют нервные волокна, соединяющие человеческий глаз с мозгом. Искусственная сетчатка удерживается на месте с помощью гнезда, изготовленного из силиконового полимера.

Поражает тот факт, что по времени отклика на воздействие света и возврата к неактивному состоянию фотосенсоры искусственного глаза превосходят человеческие фоторецепторы. Так, фотосенсорам искусственного глаза на фиксацию света, передачу сигнала и возврат к исходному состоянию требуется до 43,1 мс. А фоторецепторам человеческого глаза – от 40 до 150 мс.

Но, пожалуй, самый впечатляющий факт – это высокое разрешение изображения, полученное искусственной сетчаткой глаза. Оно объясняется высокой плотностью массива фотосенсоров, которая достигает 4,6×10^8 см-2, что намного больше, чем у фоторецепторов в сетчатке глаза человека (около 10^7 см-2).

Сигнал от каждого фотосенсора может быть получен индивидуально. Но пиксели в текущем устройстве формируются из групп по 3–4 фотосенсора. Такими темпами нам недалеко до настоящего киберпанка.

Общая производительность искусственного глаза представляет собой огромный скачок вперёд для подобных устройств. Но впереди ещё очень много работы. Необходимо разрабатывать гораздо более дешёвые высокопроизводительные методы изготовления. Потребуется значительно увеличивать матрицу фотосенсоров, которая сейчас составляет всего 10×10 пикселей примерно с 200-микрометровыми зазорами между ними.

Помимо этого, придётся улучшить разрешение и масштаб сетчатки, уменьшить диаметр галлий-индиевых проводов с 700 до нескольких микрометров. Ну и, конечно, потребуется много испытаний. Но, так или иначе, данная разработка является огромным скачком вперёд.

Робот-хирург будущего готовится к отправке в космос, но изменит жизнь и на Земле

Всё, о чём вы только что прочитали, конечно, потрясает. Однако не следует забывать, что это ещё только первые шаги на пути будущего освоения космоса. Но ведь мы летаем туда и сегодня, а до полноценного выращивания искусственных органов для замены настоящих ещё далеко.

К тому же кто-то или что-то должно будет их заменять. Ведь как ни крути, но в ближайшем будущем человечество намерено всерьёз осваивать космос. Первые объекты для освоения – конечно, Луна и Марс, на который, помимо всего прочего, ещё и лететь больше четырёх месяцев, находясь в замкнутом пространстве космического корабля, о чём мы уже говорили.

Кроме того, NASA уже сегодня начинает испытывать технологии для коммерческого использования пространства Земля – Луна. В общем, в ближайшем будущем человеку необходимо научиться находиться в космосе довольно продолжительное время, что создаёт много самых разных проблем, включая медицинское обслуживание. Особенно, когда дело доходит до проведения операций.

Без роботов в космосе делать нечего

Одним из первых автоматических аппаратов в хирургии, о котором, уверен, многие слышали, был робот-хирург da Vinci. Его рабочий прототип был разработан ещё в конце 80-х годов прошлого века в рамках контракта с армией США. Уже к 2015 году было построено более 3 000 таких аппаратов, 25 из которых находятся в России.

В общем, система очень успешно применяется для проведения сложнейших минимально инвазивных операций по всему миру. Но вот для космоса, по крайней мере сегодня, она вряд ли подойдёт. Как минимум из-за того, что весит полтонны.

А из-за габаритов такую систему будет крайне сложно доставить в какой-либо модуль одной из будущих космических станций.

Решение уже есть

Профессор инженерии, изучавший робототехнику в Массачусетском технологическом институте и работавший над созданием марсоходов Curiosity и Perseverance вместе с профессором хирургии Медицинского центра Университета Небраски в 2006 году основали стартап Virtual Incision.

© Virtual Incision

Всё это время они разрабатывали роботизированный хирургический комплекс MIRA, который привлек венчурный капитал в размере более 100 млн долларов, а недавно и грант в размере 100 тыс. долларов для подготовки его к испытаниям на борту МКС в 2024 году.

Систему MIRA отличают от других роботизированных хирургических комплексов три особенности:

• возможность проведения ещё менее инвазивных операций, таких как абдоминальная хирургия и резекция толстой кишки;

• возможность использования телемедицины, когда хирурги могут выполнять операции удалённо (в августе 2021 года с помощью MIRA была успешно проведена первая дистанционная операция в рамках клинического исследования, а в другом эксперименте астронавт NASA в отставке Клейтон Андерсон управлял MIRA из Космического центра Джонсона на расстоянии 1450 км от системы);

• возможность автономного выполнения операций. Астронавты, работающие на Луне и Марсе, могут получать хирургическую помощь без привлечения хирурга-человека. Тестирование автономной работы MIRA пройдёт на МКС. Хотя основной целью будет настройка робота для работы в условиях микрогравитации.

Не только для космоса

Само собой, компактному, высокоточному роботу-хирургу с возможностью полностью автономной работы найдётся применение и на Земле. Внедрение такой системы в коммерческое использование позволит сделать гораздо более доступной высококлассную хирургию. А это ещё один шаг на пути развития человечества, как единого вида.

Робонавты – следующий шаг в освоении космоса

Раз уж мы заговорили про роботов, стоит вкратце упомянуть и о так называемых робонавтах. Вопросы, связанные с необходимостью пилотируемого освоения космоса, всё чаще возникают в самых разных кругах – от СМИ до руководства аэрокосмическими агентствами. Несколько ранее проведённых исследований, направленных на изучение возможности замены человека роботом, управляемым с Земли, показали неготовность подобных технологий в настоящее время.

Но другое дело японцы. Для них робототехника, кажется, уже сегодня стала обыденной. Японский стартап Gitai разрабатывает управляемого антропоморфного робота для работы в космическом пространстве. Он, по словам разработчиков, поможет сэкономить японскому космическому агентству до 90 % затрат, связанных с отправкой каждого отдельного человека в космос.

Так ли всё хорошо?

Расчёты, прямо скажем, сомнительные, да и продемонстрированный робот не особо эффективно справлялся с поставленными задачами. Чаще всего, когда речь заходит о об использовании роботов в космосе, говорится о том, что на них будут возложены максимально опасные и сложные задачи. Но на сегодня они даже гаечный ключ из ящика достают с трудом. К тому же при работе даже на околоземной станции имеет место пусть и незначительная, но задержка, которая может стать критичной при возникновении форс-мажора.

Безусловно, эти технологии необходимо развивать и будущее за ними. Но на данном этапе замена человека роботом в деле освоения космического пространства выглядит маловероятной. То ли дело искусственный интеллект…

О, дивный новый мир: ИИ дадут возможность решать за нас, на что расходовать средства, чтобы побороть голод и бедность

В 2015 году все государства – члены ООН утвердили 17 целей устойчивого развития мира (ООН, б.д.), направленные на «развитие и одновременную защиту планеты». Эти цели предполагается достичь к 2030 году. Они включают в себя вопросы бедности, неравенства, повсеместного распространения образования и медицины, изменений климата и ухудшения состояния окружающей среды и многое другое.

Эти цели необходимо решать одновременно и силами всех стран. А эффективное моделирование такого рода сложных сценариев невозможно с использованием традиционных экономико-статистических методов.

В результате мы имеем огромное количество неэффективно расходуемых средств, хотя и направленных на благое дело. Именно с таким вызовом и должны справиться передовая наука о BigData и искусственный интеллект.

Специалисты Института Алана Тьюринга разработали набор аналитических инструментов (Тьюринга, б.д.), которые могут успешно моделировать воздействие различных политических решений на показатели мирового развития. Модель включает в себя целый ряд данных, таких как государственные бюджеты, влияние расходов на конкретные направления в прошлом, эффективность правовой системы страны, оценочные потери из-за известных недостатков и т. д. Проанализировав эти данные, модель предлагает, в какое направление стоит инвестировать больше всего, чтобы обеспечить общемировое развитие.

Само собой, у модели есть свои ограничения. Например, для того чтобы результаты моделирования были максимально точны, в качестве исходных данных необходимо закладывать как можно больше информации о странах – их бюджеты, расходы, ВВП и многое другое. Далеко не каждая страна будет готова ими делиться даже под предлогом «на общее благо». Так или иначе, мы подошли к моменту, когда серьёзно готовы рассматривать возможность давать ИИ решать, что будет лучше для нашего развития. И это далеко не единственный пример.

Робот-судья

С тем, что судьи могут быть необъективными, думаю, мало кто будет спорить. Причём дело далеко не только в коррупции. К примеру, в книге Даниэля Канемана «Шум. Несовершенство человеческих суждений» приводятся результаты исследований, согласно которым на выносимые судьями вердикты существенно влияет даже близость времени обеда.

Так вот в Китае для предупреждения «предполагаемых человеческих ошибок» в судебных решениях, а также для помощи в разработке законов и документов начали внедрять системы искусственного интеллекта.

Более того, Верховный суд Пекина обязал судей «консультироваться» с ИИ по каждому делу. Причём, если судья не согласен с рекомендацией ИИ, ему необходимо письменно изложить своё видение и объяснить причины.

В некоторые институты Китая системы ИИ погружены значительно глубже. К примеру, такая система подключена к полицейским базам данных и системе социального кредита Китая (к которой, напомню, жители подключаются добровольно). Она может самостоятельно приводить решения в силу: автоматически выставлять имущество преступника на продажу в Интернете или блокировать платежи правонарушителя онлайн.

Процесс внедрения ИИ в судебную систему Китая продолжается уже несколько лет. Началось всё с роботов-регистраторов, которые предоставляли юридические консультации онлайн, вели автоматическую запись с распознаванием голоса в залах суда. А ещё обслуживали «виртуальные залы суда», где дела рассматривали онлайн.

Очень скоро был создан «интернет-суд» для рассмотрения дел, связанных исключительно с деятельностью онлайн. Это привело к созданию огромных баз данных, в которые загружали по 100 тыс. случаев в день.

После подключения ИИ к этим базам данных роботу-регистратору сначала предоставили возможность изучать, а затем и выдавать рекомендации для составления новых законов. В итоге, согласно имеющейся информации, ИИ сократил нагрузку на судей более чем на треть, сэкономив гражданам 1,7 млрд рабочих часов с 2019 по 2021 год. При этом затраты снизились на 45 млрд долларов, что составляет примерно половину от общей суммы гонораров адвокатов в Китае за 2021 год.

Ещё один шокирующий факт. В 2021 году ИИ в одной из районных народных прокуратур в Шанхае впервые составил текст обвинительного заключения. После обучения на более чем 17 тыс. дел с 2015 по 2020 год «цифровой прокурор» вынес решения с точностью в 97 %.

Буквально месяц назад учёные из китайского Национального исследовательского центра параллельной вычислительной техники и технологий рассказали, что им удалось создать систему ИИ на базе суперкомпьютера производительностью свыше одного экзафлопса. Эта система сопоставима по масштабам с человеческим мозгом (то есть может оперировать 174 трлн параметров).

Разумеется, у подобного пути развития судебной системы (да и человечества в целом) есть и критики. Они говорят, что судьи уже сегодня сбрасывают с себя ответственность, придерживаясь рекомендаций ИИ. Даже в том случае, если он выбирает менее подходящий справочный материал или закон при анализе дела.

Более того, профессор Китайского университета политических наук и права считает, что в такой системе очень быстро вырастут риски, связанные с потерей свободы воли при росте зависимости от технологий. В конечном счёте это неизбежно приведёт к «эрозии судебной власти из-за технологических компаний и капитала».

Как ни крути, но в интересное время мы с вами живём, друзья!

Управляемая эволюция

Всё вышеописанное совершенно точно сделает жизнь на Земле значительно лучше как в целом, так и для каждого отдельно взятого человека, но, согласитесь, прочитав словосочетание «генная инженерия», вы подумали именно о манипуляциях с генами для создания человека. Способного существовать в определённых условиях.

Согласитесь, подредактировать геном колонизаторов, чтобы они были более приспособлены для жизни на конкретной планете, должно быть проще, чем модифицировать планету до состояния пригодности для жизни человека. Да, это кажется фантастикой, но и тут уже имеются некоторые результаты.

Только представьте, что человечество разработает технологии, благодаря которым можно будет не только лечить рак буквально на дому, без убивающих иммунитет процедур и дорогостоящих малоэффективных лекарств, но и сможет победить самые страшные генетические заболевания. Более того, как вам перспектива выявления заболеваний на самых ранних этапах развития эмбриона и возможности их излечить, дав возможность любому родиться абсолютно здоровым?

Чтобы говорить о том, что есть сегодня в этой области и что нас ждёт в ближайшем будущем, надо кратко пройтись по основам.

Что такое ген?

Прежде чем опуститься на уровень генов, нужно освежить в памяти, что такое клетки. Если упростить, то это основные строительные блоки всего живого, что нам известно. Тело человека состоит из триллионов клеток, которые обеспечивают его структуру, вырабатывают питательные вещества из пищи, преобразуя их в энергию, и выполняют огромное количество специализированных функций. Что самое главное, именно клетки содержат наследственный материал и могут делать копии самих себя.

В ядре каждой клетки молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), многократно обмотанная белками, которые называются гистонами, упакована в нитевидные структуры, называемые хромосомами.

Гены в наших клетках несут информацию для производства определённых белков и ферментов, которые в итоге производят наши мышцы, кости, кровь и всё остальное, что поддерживает большинство функций организма.

Таким образом, гены – это отдельные сегменты ДНК, содержащие код для конкретного фермента или белка, которые заставляют наше тело работать. То есть, буквально, белки синтезируют кости, позволяют работать мышцам и поддерживают биение сердца.

Считается, что у каждого человека от 20 000 до 25 000 генов, по две копии от каждого из родителей.

Крайне интересным является тот факт, что абсолютное большинство генов (более 99 %) у всех людей одинаковы. Только вдумайтесь: лишь менее 1 % отличий дают нам всё разнообразие индивидуальных физический особенностей у людей.

В процессе передачи информации в код закрадываются ошибки. Да, именно благодаря этому механизму мы имеем всё то разнообразие живых организмов на Земле, но он же является и проблемой, ведь ошибки бывают как полезными или нейтральными (ни на что не влияющими), так и вредными. К примеру, совершенно незначительное изменение в генах может привести к изменению работы белков, которые затем изменят то, как мы дышим, ходим или, скажем, перевариваем пищу.

Изменение генов происходит не только в процессе передачи информации от родителей к эмбриону, но и, например, с возрастом или под воздействием химических веществ или радиации.

Что такое генная терапия и как она работает?

Генная терапия – это введение, удаление или изменение генетического материала, в частности ДНК или РНК (рибонуклеиновая кислота), в клетке пациента для лечения определённого заболевания.

Тут, к слову, обязательно следует отметить, что это «придумано» природой задолго до появления человека. Более того, человек вряд ли появился бы без этого механизма.

Редактированием кусочков геномов различных организмов всегда занимались вирусы и некоторые бактерии. Поэтому люди, безусловно, неплохо начали применять и развивать технологию видоизменения генов, но совершенно точно не изобрели её.

Итак, на сегодня существует три основных стратегии использования генной терапии, в рамках которых производится восстановление клеток- или тканей-мишеней до здорового состояния:

• замена мутировавшего гена, вызывающего заболевание, здоровой копией этого гена;

• инактивация («выбивание», «удаление») мутировавших генов, которые функционируют неправильно, из последовательности;

• введение нового гена в организм для борьбы с болезнью.

О роли вирусов в генной терапии

Для доставки требуемых генов в клетки специалисты используют так называемые векторы, в роли которых чаще всего выступают вирусы. Тут требуется ряд пояснений, поэтому предлагаю начать с того, какие вирусы в природе вообще встречаются и почему именно их учёные используют в качестве векторов.

Ответить на вопрос «почему?» достаточно просто: вирусы максимально близки к совершенству в части проникновения в наши организмы и, как следствие, доставки и добавления своего генетического материала в клетки.

Именно после того, как вирус добавил свой генетический материал в ядро клетки нашего организма, она начинает, согласно полученной «инструкции», создавать копии этого вируса, которые, появившись в нашем организме, довольно быстро и эффективно заражают соседние клетки – так и развивается вирусная инфекция.

Способность вирусов проникать в организм и доставлять генетический материал в клетки привела к отсутствию необходимости создания этого механизма с нуля. Нужно было только научиться модифицировать вирусы так, чтобы лишить их способности вызывать инфекционное заболевание.

Времени на освоение этого механизма ушло достаточно много. Если то, как вирус доставляет генетический материал в клетки, учёные выяснили в 1952 году, то лишь в 1971 году, 19 лет спустя, они начали использовать вирусные инъекции для генной терапии человека.

Какие вирусы чаще всего используют для генной терапии

Ретровирусы

Начиналась генная терапия с использования именно этого типа вирусов, которые заражают клетки одной цепью РНК, используя собственный механизм (фермент обратной транскриптазы) для производства ДНК, которая затем вводится в геном клетки организма-хозяина. Самым распространённым типом ретровируса, применяемым для терапии, является лентивирус.

Ретровирусная терапия имеет существенные ограничения, так как ретровирусы способны к интеграции только в геном активно делящихся клеток, поэтому многие оказываются к ней устойчивыми.

Аденоассоциированный вирус (AAV)

AAV, небольшой вирус, способный заражать людей и некоторые виды обезьян, стал довольно часто примениться по нескольким причинам:

• вызывает только слабый иммунный ответ;

• заражает и активно делящиеся клетки, и редко делящиеся;

• сохраняется в клетках без прямой вставки в геном хозяина (остается во внехромосомном состоянии).

Основным недостатком AAV является его низкая пропускная способность, то есть невозможность вставить в него большие куски генов, но учёные работают над тем, чтобы преодолеть это ограничение.

CRISPR/CAS9 – революция в генной инженерии

Эта технология редактирования генов в 2014 году была названа «самым большим биотехнологическим открытием века». И это действительно так. С CRISPR появилась возможность проводить генетические эксперименты, которые всего за год до этого можно было бы назвать фантастикой. Это касается не только наследственных заболеваний, но и генов, которые способствуют приобретенным заболеваниям, включая СПИД, рак и болезни сердца.

CRISPR/Cas9 – это метод, который позволяет осуществлять высокоточную и быструю модификацию ДНК в геноме. Теоретически с помощью данного метода можно задать любой набор генетических инструкций в организме.

Чем CRISPR/CAS9 отличается от предыдущих методов генной инженерии?

Начнём со скорости. Редактирование генов с помощью любых других методов занимает месяцы, а то и годы, тогда как с CRISPR/Cas9 это время сокращается максимум до нескольких недель. Почему я говорю об этом в книге про освоение космоса? Да потому что способность настолько быстро и точно разрезать и склеивать гены дают широчайшие возможности для создания новых видов биотоплива, материалов, лекарств и продуктов питания для сложных условий в гораздо более короткие сроки при относительно низких затратах.

Этот метод позволяет работать одновременно работать с несколькими генами, что даёт возможность очень быстро манипулировать свойствами в клеточной линии, растении или животном, сокращая процесс от нескольких лет до нескольких недель, что очень важно, когда мы говорим об освоении новых планет или, скажем, создании лунной базы. Что важно, CRISPR/Cas9, помимо прочего, отличается тем, что не является видоспецифичным, поэтому может использоваться на организмах, ранее устойчивых к генной инженерии.

Одна из создателей CRISPR/Cas9 французский генетик Emmanuelle Marie Charpentier описывает технологию так:

«Представьте себе текст со словами и программное обеспечение, которое позволяет заменять буквы в тексте с большой точностью, удалять слово или несколько слов, заменять их на другие.

Иными словами – это инструмент для редактирования текста, который работает с большой точностью, только все это происходит с нашими ДНК и генами. Это похоже на программируемые ножницы, которые способны распознавать определенные места ДНК и изменять их».

Как всегда, природа сама всё «придумала»

В рамках больших фундаментальных исследований учёные пытались выяснить, как бактериям удаётся бороться с вирусными инфекциями, чтобы попробовать использовать этот метод для человека.

Да, бактерии тоже подвержены вирусным инфекциям, но, в отличие от людей, у них есть буквально пара минут, чтобы «обезвредить» попавшую в них «бомбу» до того, как они погибнут.

Тут-то учёные и обнаружили, что в клетках многих бактерий существует адаптивная именная система, CRISPR, в состав которой входит белок Cas9, способный искать, расщеплять и в итоге уничтожать вирусную ДНК.

Подробно изучив активность белка Cas9, специалисты пришли к выводу, что могут использовать его в генной инженерии. Чуть позже они действительно научились это делать.

Погружаться в принципы работы этого метода смысла нет, так как книга не об этом, но добавлю, что одним из наиболее существенных отличий CRISPR/Cas9 от других методов редактирования генома является то, что если раньше для работы с ДНК требовалось выделять её из клетки, проводить манипуляции и вводить обратно, то теперь появилась возможность делать это непосредственно внутри клетки.

Персонализация медицины

Мы никуда не денемся от этого направления, если хотим осваивать космическое пространство, хотя и на Земле это нужно ничуть не меньше. Судите сами: вывести лекарство для генной терапии на рынок дорого. Очень дорого. К тому же от разработки до утверждения препарата проходит несколько лет.

Помимо прочего, одобрение препарата регулирующими органами может ничего не значить, так как затраты на его разработку могут быть настолько высокими, а количество пациентов настолько незначительным, что для фармацевтических компаний в конечном счёте не будет никакого коммерческого смысла производить и продавать его.

Тут на помощь может прийти синтетическая биология – научное направление, объединяющее в себе молекулярную биологию, генную инженерию, физику и химию, в рамках которого специалисты занимаются созданием простых и удобных биологических систем для перепрограммирования живых организмов с целью решения необходимых задач в различных областях и для различных целей.

Развитие методов синтетической биологии уже привело к тому, что постепенно научились манипулировать не только реальными генами, но и искусственно конструировать любую генетическую последовательность для применения её в необходимых для нас целях.

Но, что самое главное, синтетическая биология позволила из нуклеотидов, составляющих ДНК (аденин, цитозин, тимин, гуанин: A, C, T и G), создать (пока на лабораторном уровне) «модули», определённые последовательности, которые способны «включить или выключить» определённые гены или репортёрный ген (который присоединяется к регуляторным последовательностям других генов для исследования их проявлений в культурах клеток).

Иначе говоря, в ближайшие годы у нас появятся не просто последовательности нуклеотидов, а конкретные модули, обладающие определёнными функциями, которые мы можем с лёгкостью использовать для конструирования биологических схем.

А теперь представьте, что мы в итоге придём к тому, что для изменения генома путём встраивания необходимых модулей в ДНК сконструируем агента-доставщика, похожего на вирус в части доставки этих модулей, но не имеющего никакой возможности причинить вред организму, запихнув это всё в удобный девайс, который будет заменять чуть ли не целую фармацевтическую компанию.

Согласен, на первый взгляд, всё это может показаться чем-то из мира фантастики, но персонализированная медицина как технологическое направление существует уже сегодня, так что всё вышеописанное – лишь вопрос времени.

Именно в ходе исследования по изучению активности этого белка Cas9 ученые поняли, что могут использовать его активность в генно-инженерной технологии.

Этические проблемы

Итак, мы рассмотрели генетическую инженерию с точки зрения борьбы с серьёзными генетическими заболеваниями, существенного улучшения качества жизни людей по всему миру и открывающихся возможностей по освоению космического пространства, но будет неправильно не упомянуть о возможных проблемах, которые просматриваются уже сегодня.

Изменения, внесённые в генетический код, будут передаваться потомкам. Что важно, передаваться они будут с ошибками, как это всегда происходит, а какими будут ошибки в искусственно изменённых генах, предсказать довольно сложно. Таким образом, освоив эту технологию, мы можем попасть в ловушку, в которой рожать детей без искусственной корректировки ДНК станет невозможно.

Нет гарантий, что мы не упустим из виду какие-либо изменения, которые закрепятся в популяции. Нельзя сказать однозначно, хорошо это или плохо, просто надо понимать, что такое развитие событий вполне возможно. Частенько, правда, встречается мнение о том, что «на уровне ДНК от шимпанзе мы отличаемся буквально на два процента, поэтому “игра в Бога” может привести к появлению непонятного существа с неизвестными характеристиками».

Историю про схожесть человека на 98 % с шимпанзе по большей части придумали журналисты, вырвав, как это водится, слова из контекста. К сожалению, так как аналогия красивая, её затем подхватили некоторые популяризаторы науки вроде Нила Деграсса Тайсона, чтобы донести идеи единства всех живых существ до слушателей. Так этот мем и закрепился.

В буквальном смысле это звучит так, будто мы можем взять по клетке от человека и шимпанзе, вытянуть из них хромосомы и при прочтении кода увидеть отклонение только в 2 %. На самом же деле при сравнении таким образом результат принципиально иной. За период от 6 до 8 млн лет с тех пор, как наши с шимпанзе генетические ветки отделились от общего предка, случайные мутации и естественный отбор коренным образом изменили наши геномы. Например, две человеческие хромосомы слились в одну, оставив нам 23 пары вместо сохранившихся 24 пар шимпанзе. Некоторые большие мутации меняли огромные куски текста, к примеру, дублируя часть человеческого генома, стирая часть кода шимпанзе, в то время как крошечные мутации просто заменяли одни «буквы» на другие. Когда генетики начали сравнивать геномы человека и шимпанзе, эти различия было очень легко подсчитать, но сравнить изначально не совпадающие большие фрагменты кода намного сложнее. Вот пример: если часть генома длиною в тысячу символов встречается у человека дважды, а у шимпанзе лишь один раз – это одно различие или тысяча? А если одинаковые участки присутствуют в обоих геномах, но в принципиально разных местах, в перевёрнутом виде или разбиты на три части? Когда зародился мем про 97 %, ещё даже не существовало биоинформатики, а сегодня – это молодая наука, которая лишь набирает обороты. Как итог, в данном примере исследователи «исключили» большие несовпадающие фрагменты для их отдельного изучения. Эти фрагменты состоят в общей сложности из 1,3 млрд «букв» кода. В оставшихся сравниваемых геномах сохранилось 2,4 млрд букв, то есть две трети от всего генома, которые и остались идентичными на 98,77 %. В общей сложности за кадром осталось 18 % генома шимпанзе и 25 % человеческого. Я это всё к тому, что не получится просто взять и изменить 2 % генома так, чтобы из человека получилось какое-то неведомое существо.

Чтобы технология могла, как говорится, «пойти в народ», выгоды от её использования должны значительно превосходить риски, а при применении CRISPR/Cas9 на клетках человека сегодня возникает высокая частота нежелательных эффектов.

Проблема заключается в том, что большие геномы могут содержать несколько последовательностей ДНК, идентичных или очень схожих с предполагаемой последовательностью мишени, но выполняющих совершенно иные функции. Из-за этого CRISPR/Cas9, модифицируя эти последовательности, может вызывать мутации, приводящие к гибели или негативной трансформации клеток.

Как итог, мы имеем далеко не нулевую вероятность того, что в процессе постоянного редактирования генома мы либо что-то упустим, либо наша технология не сможет уловить изменения, которые были сделаны не нами, а в рамках постоянно идущего эволюционного процесса, которые распространятся и закрепятся в популяции. К примеру, устойчивость к новым видам антибиотиков, что по своей сути будет созданием неизлечимых болезней, против чего, собственно, всё это дело и затевалось. В этом смысле учёным, медикам и юристам потребуется провести довольно много исследований, результаты которых потребуется обсудить и многократно скорректировать, чтобы такого рода опасения ушли.

Как генетическая инженерия поможет осваивать другие планеты?

Всего пара дней после запуска в мае 2009 года потребовалась космическому телескопу «Кеплер», чтобы обнаружить свою первую потенциально обитаемую планету у солнцеподобной звезды Kepler-22b. Еще два с половиной года ушло на подтверждение статуса найденной экзопланеты. Наконец, 5 декабря 2011 года было официально объявлено об открытии первой экзопланеты, орбита которой находится в зоне обитаемости родительской звезды. К сожалению, несмотря на все сходства, Kepler-22b оказалась скорее планетой-океаном, чем каменистым миром вроде Земли.

Телескоп «Кеплер» способен определять планеты лишь транзитным методом, когда они проходят по диску родительских звёзд, слегка изменяя для наблюдателей их яркость. Поэтому абсолютное большинство экзопланет, обнаруженных с его помощью, вращаются на орбитах вокруг небольших звёзд – красных карликов. Их зоны обитаемости находятся значительно ближе, а период обращения вокруг них планет не превышает нескольких дней, что значительно упрощает поиск.

По данным учёных, на каждую планету, транзит которой по диску родительской звезды мы можем наблюдать, приходится от 10 до 100 планет, находящихся под другим углом. И речь только о планетах у красных карликов. Хотя в Млечном Пути большинство звёзд – именно красные карлики.

Несмотря на то что нашу Солнечную систему вполне можно назвать редкой для Млечного Пути, надо понимать, что речь о десятках миллиардов похожих систем. Сложно представить, что только в одной оказалась пригодная для жизни планета.

В августе 2019 года в Astronomical Journal были опубликованы результаты исследования, дающие наиболее точную оценку наличия в нашей галактике похожих на Землю планет, находящихся на орбитах солнцеподобных звёзд. В рамках этого исследования был разработан интересный метод, позволяющий оценить число таких планет. Результаты просто потрясающие:

«Планеты, схожие по размеру с Землёй, имеющие период обращения вокруг своей звезды от 237 до 500 дней, должны встречаться примерно в каждой четвёртой системе, образованной звездой типа “жёлтый карлик”, как Солнце».

Таким образом, мы получаем не менее 2 млрд планет в Млечном Пути, которые должны быть похожи на Землю по большинству параметров. Значит ли это, что у нас есть 2 млрд потенциально обитаемых миров?

Если говорить не столько о разумной жизни, сколько о биологической жизни в целом, мы знаем, что ей достаточно зародиться, а приспособиться она может практически к любым условиям. Отличное подтверждение этому – экстремофилы, разнообразные организмы, способные выживать в разных экстремальных условиях, от невыносимых жары и холода до воздействия ядовитых для людей химикатов и даже открытого космоса (например, тихоходки).

Но можем ли мы найти планету – двойника Земли, на которую получится переселиться при необходимости? Вот здесь шансы начинают стремиться к нулю. Сегодня мы с уверенностью можем сказать, что зарождалась жизнь на Земле в то время, когда она была похожа буквально на ад, и мы бы точно не смогли существовать в таких условиях.

Сама жизнь сделала Землю такой, какая она сейчас. И именно поэтому, если мы обнаружим планету, максимально похожую на нашу, это будет означать, что она сформировалась за миллиарды лет под влиянием биологической жизни на ней, а раз мы не являемся частью этой биосферы, нам придётся к ней приспосабливаться.

Это может оказаться ничуть не проще, чем, например, колонизировать Марс, ведь история формирования другой биосферы будет сильно отличаться от нашей. Даже если биохимия существ на этой планете будет максимально похожа на нашу, она будет другой.

Вы только вдумайтесь: нас свой, «родной» вирус на полгода посадил по домам – представляете, что сделает с нами вирус с другой планеты? Впору вспомнить «Войну миров» Герберта Уэллса.

Даже если мы обнаружим существование миллиардов обитаемых миров, это не будет означать, что можно паковать чемоданы, отправляясь на поиски нового начала на другой планете. Мы останемся прикованными к Земле и по-прежнему будем её частью. Земля – это и есть мы. Но это не означает, что мы не можем осваивать другие миры. Тут-то и выходит на сцену генная инженерия.

Ещё в 1997 году, когда генная инженерия была скорее завтрашним днём, но уже вовсю говорили о лечении генетических заболеваний, ЮНЕСКО выпустила Всеобщую декларацию о геноме и правах человека, в рамках которой был рекомендован мораторий на генетическое вмешательство в зародышевую линию человека.

Спустя 18 лет, в декабре 2015 года, на международном саммите по редактированию генома человека, на котором собрались члены национальных научных академий США, Великобритании и Китая, была поднята на обсуждение этическая сторона данного вопроса. Присутствующие согласились продолжить базовые и клинические исследования в соответствии с соответствующими правовыми и этическими принципами, но изменение гаметоцитов и эмбрионов для генерации наследственных изменений у людей было объявлено безответственным.

Российское сообщество генетиков, клиницистов и биоэтиков, несмотря на то что эта наука в нашей стране существенно отстаёт от западной из-за того, что в СССР была фактически запрещена, также достигло консенсуса в отношении использования технологий редактирования на человеческих эмбрионах и половых клетках в клинических целях, назвав такие эксперименты преждевременными и требующими более глубокого исследования и обсуждений.

Правда, в 2016 году британские, а в 2018-м японские специалисты получили разрешение регулирующих органов на генетическую модификацию эмбрионов человека с использованием CRISPR/Cas9 и связанных с ним методов, но только для исследований.

Как итог, геномного редактирования человеческих эмбрионов по терапевтическим причинам до сих пор не существует, так как риск наследственных непредсказуемых генетических мутаций, по мнению учёных, превышает возможные преимущества терапии, а это идёт вразрез с принципом отсутствия вреда, о котором сказано выше.

Формирование животных химер для трансплантации органов

Начнём с «простого». Развитие человеческих/животных химер для трансплантации органов может дать надежду многим, кто стоит в очереди за донорскими органами, да и будущим колонистам эта технология совершенно точно пригодится. Тем не менее производство человеческих органов у животных также поднимает множество этических вопросов.

Сегодня достаточно широко распространены медицинские методы, в рамках которых, к примеру, клапаны сердца свиньи, крупного рогатого скота и лошади пересаживают пациентам с дисфункцией этих клапанов, а инсулин, извлеченный из поджелудочной железы свиньи, спасает огромное количество пациентов с диабетом.

В связи с этим возникает вопрос: оправдано ли считать, что свинья с поджелудочной железой человеческого происхождения является химерой, производство которой должно быть запрещено, тогда как человек с митральным клапаном свиного происхождения является допустимой химерой?

Отдельно стоит отметить, что эксперименты на свиньях в настоящее время строго регламентированы, чтобы избежать ненужных страданий животных. Собственно, выращивание животных для целей человеческой органной культуры вряд ли вызовет больше этических споров, чем выращивание их для потребления. Но есть медицинская сторона вопроса, которая требует изучения.

Из-за схожести геномов людей и животных, используемых для выращивания трансплантатов, ретровирусы, встроенные в геном животных, могут передаваться человеку.

К примеру, 11 января 2022 года Университет Мэриленда опубликовал новость о том, что врачам удалось пересадить генетически модифицированное свиное сердце 57-летнему Дэвиду Беннетту, который страдал от тяжёлой аритмии (Bartley P. Griffith, 2022). Сердце взяли у свиньи, в геноме которой отключили гены, отвечающие за синтез иммунных посредников, заблокировали гены, потенциально отвечающие за чрезмерное разрастание сердечной ткани, а добавили те, которые снижают активность иммунитета против чужеродных тканей.

Несмотря на то что первые 40 дней после операции пациент чувствовал себя хорошо, а новое сердце работало, по словам лечащего хирурга, как «рок-звезда», 8 марта он скончался. Причину смерти установить сразу не удалось, и университет заявил, что ведётся исследование всех возможных факторов, которые могли бы повлиять на ухудшение состояния пациента.

Впоследствии специалисты выяснили, что причиной смерти стал найденный в трансплантате свиной цитомегаловирус, Suid betaherpesvirus 2, который вызывает у свиней ринит, пневмонию и нарушения вынашивания потомства.

Чтобы следить за тем, не разрушаются ли клетки свиного сердца, врачи использовали секвенатор ДНК, благодаря которому можно было зафиксировать увеличение циркулирующих фрагментов генов свиньи. Кроме того, кровь пациента постоянно проверяли на присутствие десятков бактериальных и вирусных агентов, и через 20 дней после операции анализ крови показал, что в организме присутствует Suid betaherpesvirus 2, но в настолько низкой концентрации, что результат посчитали ошибочным. К тому же у врачей не было сомнений, что лабораторные свиньи не могут быть чем-либо заражены.

Так, анализ на свиной цитомегаловирус, согласно регламенту, проводится раз в 10 дней, врачи просто не могли уследить за бурным размножением вируса внутри клеток трансплантата, что в итоге и вызвало цитокиновый шторм, который стал непосредственной причиной смерти пациента.

Таким образом, выращивание ГМ-линий животных является рабочим методом, способным решить ряд проблем, существующих сегодня, но скорее переходным на пути к более радикальным.

ГМ-дети уже живут среди нас

Предлагаю опустить тот факт, что по сути каждый человек является продуктом генной модификации, так как его «книга жизни» формируется путём перемешивания генов от папы и мамы с внесением ошибок. Будем говорить только о целенаправленных изменениях, внесённых в геном человеком.

В 2018 году известный китайский ученый Хе Цзянькуи (He Jiankui) со своей командой отредактировал с помощью технологии CRISPR гены двух эмбрионов-близнецов, чтобы сделать их невосприимчивыми к ВИЧ. Для этого исследовательская группа изменила ген CCR5, который вирус использует при заражении людей (Regaladoarchive, 2018). Научное сообщество осудило эти действия, но, во-первых, дети уже появились на свет, а во-вторых, устойчивость к ВИЧ оказалась не единственным изменением.

Согласно результатам исследования 2019 года, изменения гена CCR5 способны улучшить когнитивные функции – это было доказано в ходе экспериментов на мышах (Mary T. Joy, 2019). Кроме того, ген может способствовать восстановлению человека после инсульта и улучшать способности к обучению. Таким образом, первые люди с генетически улучшенными умом и памятью уже родились.

С одной стороны, нет прямых доказательств того, что Хе преследовал цель улучшить и мозг близнецов Лулу и Наны, хотя, учитывая тот факт, что он отличный генетик, вряд ли он не знал, что ген CCR5 связан не только со способностью ВИЧ заражать людей, но и с их когнитивными способностями.

Девочки сегодня находятся под пристальным наблюдением специалистов, а генетические вмешательства в человеческую ДНК с терапевтическими целями всё-таки вряд ли станут нормой в ближайшее время. Ну а как насчёт нетерапевтических вмешательств?

Редактирование генома для улучшения физических характеристик

Этический вопрос, вызывающий не меньше дискуссий, заключается в возможности нетерапевтических вмешательств с использованием редактирования генома.

К примеру, сегодня уже хорошо известно, что технология CRISPR/Cas9 может быть использована для повышения работоспособности спортсменов, предотвращения агрессивного поведения или уменьшения зависимости.

Раз уж мы, можно сказать, фантазируем о создании человека для других миров, надо понимать, что эта технология в первую очередь совершенно точно найдёт применение и на Земле. К примеру, в будущем вполне может случиться так, что система уголовного правосудия будет назначать для осуждённых за тяжкие преступления редактирование генов, связанных с насилием. Согласитесь, это куда более этично, чем смертная казнь.

Опять же, забегая вперёд, надо понимать, что в социальном плане возникнет проблема, когда некоторые группы населения или даже просто отдельные лица будут генетически улучшены в интеллектуальном или физическом плане, имея преимущество финансовое, скажем, над другими.

Подводя итоги

Несмотря на все вышеизложенные опасения, генная инженерия в любом случае рано или поздно будет использоваться непосредственно на людях, хотим мы этого или нет. Её масштаб, сила и потенциальные возможности слишком велики для того, чтобы остановить её развитие. Ну а колонизация новых миров, вероятнее всего, – прерогатива исключительно ГМ-людей. Так или иначе, будущее уже здесь.

Так или иначе, на Марс полетит совершенно обычный человек, который столкнётся со всеми проблема перелёта и пребывания на другой планете, описанными выше. Не рассмотрели мы ещё одну очень важную отрасль, на которой предлагаю и закончить, – энергетику.

Раздел 7

Покоряя пустоту

Энергетика будущего

Не думаю, что есть смысл уделять внимание «стандартным» ветрогенераторам и солнечным панелям, так как об их эффективности и негативных факторах написано уже довольно много, но и перед тем, как перейти к рассмотрению парочки действительно уникальных технологий и тех, которые на самом деле вполне могут быть приспособлены для освоения космического пространства, надо поговорить о «слоне в комнате» – термояде.

До термоядерной энергетики в повседневном использовании было, есть и всегда будет 20 лет. Этот забавный мем сам устарел те же 20 лет назад. Сторонников освоения и развития термоядерной энергетики очень много. С периодичностью раз в пару месяцев появляются сообщения об очередном рекорде температуры или удержании плазмы ещё несколько долей секунды, после чего СМИ, блогеры и люди, интересующиеся этой тематикой, начинают рассказывать о том, что термояд заменит любой другой источник энергии уже… через 20 лет.

Есть мнение, что, даже если все технические проблемы термоядерной энергетики в итоге будут разрешены, у неё не будет шансов вытеснить конкурентов. Предлагаю попробовать разобраться в этом вопросе.

Начнём с того, что на Земле есть серьёзный энергетический кризис. Нет, вопреки конспирологическим теориям углеводороды совсем даже не заканчиваются, а проблема заключается в том, что даже самый безопасный из них, природный газ, убивает по 4 тыс. человек на каждый триллион выработанных киловатт-часов, тогда как уголь или нефть убивают значительно больше. Это мы ещё говорим не о глобальном потеплении, ускоряющемся антропогенным влиянием, а только о микрометровых частицах, попадающих и циркулирующих в наших организмах, вызывая тромбозы, инфаркты и инсульты, которые все списываются на «болезни, вызванные стрессом». В мире от тепловой энергетики умирают сотни тысяч человек ежегодно (Fabio Caiazzo, 2013), что очень давно и серьёзно беспокоит учёных (Yixing Du, 2016). К примеру, даже советские академики ещё в 1980-х считали отказ от тепловой энергетики неизбежным будущим именно из-за того, что она вызовет экологические проблемы, которые крайне негативно скажутся на человечестве.

Интересно, что противники негативного влияния глобального потепления на человека не отрицают результатов исследований, которые показывают связь выбросов от углеводородной энергетики и увеличения смертности, хотя она гораздо более сложная.

К примеру, можно встретить ссылки на абсолютно адекватные исследования, показывающие, что глобальное потепление за последние 20 лет снизило смертность на 15 000 человек в год (Prof Qi Zhao, 2021). Правда, исследования эти касаются влияния на смертность неоптимальных температур, то есть как холода, так и тепла. Влияние они оказывают разное: если в Китае больше преждевременных смертей связывают с воздействием холода, чем тепла, а в США примерно поровну, то в Индии, Австралии, ЕС и Южной Африке больше людей погибает из-за воздействия повышенной температуры и волн тепла.

К вышеописанным данным ещё частенько добавляют, что антропогенные выбросы углерода привели к рекордному расцвету земной растительности и значительному росту урожаев. Опять же – манипуляция. В некоторых регионах действительно есть такой рост, в других наблюдается увеличение засушливости, а в-третьих – увеличение объёмов и силы наводнений, что уничтожает урожай. К тому же абсолютно естественно, что незначительное увеличение глобальной температуры способно привести к улучшению качества жизни на планете в целом, но речь-то о том, что глобальное потепление должно остановиться, чтобы зафиксировать «рай на Земле», а оно ускоряется.

Так или иначе, важным тут является тот факт, что сегодня практически нет людей, отрицающих антропогенное влияние на ускорение глобального потепления и что основой этого влияния являются выбросы от сжигания углеводородов.

Итак, учёные знают, что сотни тысяч людей ежегодно являются жертвами сжигания углеводородов. Сможет ли термоядерная энергетика в обозримом будущем привести к отключению всех ТЭС?

Начнём с положительных сторон термояда

Разработчики технологий термоядерной энергетики уже 60 лет (с 1960-х годов) обещают человечеству перспективы нескончаемой абсолютно безопасной и практически бесплатной энергии. Килограмм плутония при распаде способен обеспечить 23,2 млн кВт/ч, если пересчитывать на тепло, тогда как килограмм дейтерия и трития в термоядерных реакторах – 93,7 млн кВт/ч. Разница – в четыре раза! А ещё не стоит забывать о том, что основой жизни на Земле является вода, 1/6500 которой по своей сути – дейтерий, то есть термоядерное топливо.

Ещё одно преимущество термоядерного реактора заключается в том, что при слиянии ядер атомов его топлива получаются гелий и нейтрон. Нейтрон в целом не способен улететь из реактора, а гелий абсолютно безвреден. Разумеется, некоторое количество радиоактивного трития в процессе будет утекать из зоны слияния ядер, но из реактора выйти не сможет. Более того, особенно при сравнении с отработанным топливом АЭС, степень негативного влияния термояда на окружающую среду совершенно ничтожная. Полураспад трития – 12,3 года, что значительно меньше, чем у изотопов, остающихся от распада атомов урана и плутония (к примеру, нестабильные изотопы цезия). Таким образом, если ничего не делать с отработавшим топливом АЭС, оно останется небезопасным тысячи лет, тогда как отработавшее топливо термоядерного реактора, которого и по объёму будет получаться значительно меньше, будет безопасно уже через 150 лет.

Ещё одно преимущество термоядерного реактора, которое является максимально важным: в отличие от ядерного, в нем невозможна самоподдерживающаяся реакция, для поддержания которой необходимы высокое давления и температура. Дело в том, что окружающее вещество реактора совершенно неспособно питать реакцию, так как ядра атомов там тяжелее дейтерия и трития, из-за чего их слияние просто не сможет дать достаточного количества энергии, способного расплавить активную зону (как на Фукусиме) или перегреть теплоноситель (как в Чернобыле).

В Сети можно найти публикации, которые «опровергают» эти преимущества. Хотя не так. Их авторы пытаются показать, что эти недостатки у атомных реакторов на сегодня уже решены, путём манипулирования данными.

К примеру, в ответ на повышенную отдачу на единицу топлива они говорят, что в ядерной энергетике нет его дефицита. В этих публикациях чаще всего рассказывают про реактор-размножитель, в котором плутоний можно нарабатывать из урана-238, получая на выходе больше делящегося топлива (плутония), чем на входе, а откровенно скромный КПД этого процесса в 34 % не считают недостатком, ведь «из имеющегося урана-238 полученного топлива хватит всей планете на 200 лет». Согласитесь, странная аргументация.

Малый срок опасности радиоактивных отходов термояда и ядерных реакторов «опровергается» похожим образом. Как правило, авторы таких публикаций ссылаются на реактор на быстрых нейтронах БН-800, который теоретически способен вовлечь в работу 95 % всего отработавшего топлива. Во-первых, абсолютно непонятно, как это нивелирует разницу в сроках опасности отходов. Во-вторых, сегодня существует только один реактор БН-800, запущенный 10 декабря 2015 года на энергоблоке № 4 Белоярской АЭС в Свердловской области. Данных по его работе немного, а имеющиеся далеко не всегда свидетельствуют о его эффективности. К примеру, стоимость 1 кВт установленной мощности в больше, чем у более старых реакторов, что, по утверждениям разработчиков, может быть нивелировано строительством следующей модификации БН-1200. Топливо для БН-800 дороже, чем для любых других реакторов, затраты на эксплуатацию тоже выше, а коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), важнейшая характеристика эффективности работы предприятий электроэнергетики, ниже. А ещё запланированный срок службы на 20 лет меньше, чем у других реакторов. Ну и, повторюсь, тот факт, что отходы термояда значительно быстрее, перестают быть опасными, никуда не делся.

Преимущество по безопасности, в общем-то, совсем уж сложно оспаривать, хотя и такие попытки тоже есть, но они, как правило, даже законам физики противоречат, так что нет смысла их обсуждать. Справедливости ради следует отметить, что АЭС на самом деле достаточно безопасны, а, к примеру, авария на ЧАЭС произошла из-за стечения множества факторов, из которых человеческий фактор сыграл если не бóльшую, то и не меньшую роль, чем физика. К слову, авария на японской АЭС «Фукусима Даити» тоже является следствием недоработки инженеров, создававших её.

Вообще, при проектировании АЭС учитываются и природные катастрофы, и даже падение самолёта на реактор. Проектировщики АЭС «Фукусима Даити» почему-то не очень продумали проект и разместили резервные дизель-генераторы, питающие расхолаживающие насосы в реакторах в подвальных помещениях, а не выше уровня воды, а подвалы из-за цунами, обрушившегося на станцию, само собой, оказались затоплены. Именно это и привело к аварии, ведь сразу после начала толчков, за которыми последовало цунами, на реакторах сработала защита, и стержни с поглощающим нейтроны веществом были введены в активную зону, то есть реакторы были заглушены.

Проблема в том, что после остановки топливо какое-то время продолжает выделять некоторое количество тепла, поэтому реакторы надо расхолаживать. Цунами, как вы понимаете, ударило не только по АЭС – часть города рядом с ней была затоплена, энергоснабжение прервано. Тут-то и понадобились резервные генераторы, которые оказались под водой.

Тот факт, что инженеры учитывают ошибки прошлого и дублируют контуры охлаждения и системы защиты, никак не отменяет того, что в термоядерных реакторах самоподдерживающаяся реакция невозможна в принципе – просто в силу законов физики.

Но какие проблемы у термоядерных реакторов всё же есть?

Физика, как всегда, беспощадна. Какой первый пример работающего термоядерного реактора вам приходит на ум? Правильно, звезда. Основным преимуществом этого «реактора» является тот факт, что он находится в космосе. В центре звезды десятки млн градусов и огромное давление, а вокруг вакуум, который всё это дело удерживает в виде сферы.

Давления как в центре звезды мы достичь не сможем, что требуется компенсировать увеличением температуры до 100 млн градусов как минимум. Как итог, для создания термоядерного реактора необходимо преодолеть кулоновский барьер, который и препятствует ходу термоядерной реакции в плазме.

Напомню, что кулоновский барьер – потенциальный барьер, который необходимо преодолеть атомным ядрам (которые заряжены положительно) для того, чтобы сблизиться друг с другом для возникновения притяжения, вызванного короткодействующим сильным взаимодействием нуклонов (ядерными силами). Кулоновский барьер есть следствие того, что, согласно закону Кулона, одноимённо заряженные тела отталкиваются. На малых расстояниях (порядка одного фемтометра) ядерные силы между двумя протонами сильнее кулоновских сил, расталкивающих одноимённо заряженные частицы; однако ядерные силы убывают с ростом расстояния значительно быстрее кулоновских сил. В результате зависимость суммарного потенциала взаимодействия ядер от расстояния имеет максимум (вершину кулоновского барьера) на некотором расстоянии.

В заключение следует отметить, что в термоядерном реакторе плазма с дейтерием и тритием, нагреваемая до настолько высоких температур, должна удерживаться сильнейшим магнитным полем, ведь если она не останется в центре вакуумной камеры (как Солнце в космосе, если проводить красивые аналогии), то прожжёт любой известный сегодня материал.

Магнитная ловушка такого типа требует довольно больших, сверхмощных магнитов, сделанных из сверхпроводящих материалов, которые охлаждаются жидким гелием. Именно поэтому одним из наиболее важных направлений для будущего развития термояда являются сверхпроводники.

Космические холод, давление и плазма: прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости

У сверхпроводимости, если сравнивать с другими открытиями ХХ века, довольно сложная судьба. Результаты абсолютного большинства последних достаточно быстро нашли путь из теоретической в прикладную науку, а многие уже и в повседневной жизни заняли прочное место. Постулаты той же теории относительности активно применяются не только в различных космических исследованиях, но и непосредственной практике, как, например, в создании навигационных систем.

Сверхпроводимость же постоянно требует от учёных достигать и преодолевать какие-то пределы: температуры, химических взаимодействий, разработки материалов. Уже более 100 лет с момента открытия этого явления человечество борется с преградами, которые были описаны сразу же после открытия сверхпроводимости.

Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?

Без краткого ликбеза тут не обойтись. Будет несложно представить, что вам необходимо проехать на автомобиле по очень плохой грунтовой дороге весной после сильного дождя.

Ваша скорость в таких условиях сильно ограничена. А вот ближе к зиме, когда начинаются первые заморозки, а дождя давно не было и грунт неплохо укатан, можно подумать, что едете вы по шоссе.

Ровно в таком же положении находятся электроны, составляющие электрический ток, проходящие через металлы при изменении температуры. При нагревании проводящего материала его атомные структуры начинают сильно колебаться, что значительно замедляет перемещение электронов. Более того, атомы выхватывают из потока электроны и рассеивают их, из-за чего не все доходят из точки «А» в точку «Б». Это явление вам известно под наименованием «сопротивление».

А теперь представьте, что вы охладили проводящий материал до абсолютного нуля (–273 °C). Внутренние колебания вещества (так называемый тепловой шум) в нём практически останавливаются, благодаря чему электроны проходят по нему без каких-либо потерь, то есть сопротивление падает до нуля. Именно это и называется сверхпроводимостью.

История этого открытия довольно интересна, поэтому не могу не рассказать о ней вкратце. Голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в 1911 году хоть и не говорил о сверхпроводимости как о каком-то отдельном явлении, но провёл ряд экспериментов, в которых охлаждал металлы, замеряя их электрическое сопротивление.

Основным металлом для этих исследований у Хейке была ртуть, так как этот металл в начале ХХ века лучше всего умели очищать от различных примесей, мешающих движению электронов.

Когда учёный с помощью жидкого гелия понижал температуру ртути до –269 °C (практически до абсолютного нуля), сопротивление в ней полностью исчезло. Правда, приборы в то время были недостаточно чувствительными, да и Хейке сам в это не верил, будучи осторожным в интерпретации результатов и высказываниях учёным, поэтому в лабораторном журнале он писал, что сопротивление «практически исчезало», хотя на самом деле оно полностью отсутствовало.

Впоследствии учёный, получивший за свои эксперименты с критически низкой температурой прозвище «Абсолютный нуль», проверил на сверхпроводимость довольно много самых разных металлов и сплавов, обнаружив, собственно, первый такой сплав из ртути, золота и олова и установив, что таким свойством обладают свинец и олово.

Правда, дальше этих экспериментов и звания «повелителя холода» Каммерлингу-Оннесу продвинуться не удалось всё из-за тех же ограничений, существовавших тогда приборов и слишком дефицитного жидкого гелия, а ведь он мог бы стать открывателем и второго фундаментального свойства сверхпроводников.

Эффект Мейснера

В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд решили проверить, как распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. Результатом оказалось новое открытие: сверхпроводник, охлажденный до критической температуры, вытолкнул из своего объёма внешнее постоянное магнитное поле. Объяснялось это так, как никто не мог и предположить: проходящие через сверхпроводник токи, как оказалось, создают собственное магнитное поле в тонком поверхностном слое вещества, а в сверхпроводящем состоянии сила этого поля равна действующему на него внешнему магнитному полю. Понимаете, о чём речь? Да-да – о левитации.

Открытие эффекта Мейснера вполне можно назвать фундаментальным, ведь, помимо прочего, оно позволило нам понять, что не все сверхпроводники одинаковы. Помимо немногочисленных чистых металлов, сверхпроводимость возникает и у сплавов. Если у чистых металлов эффект Мейснера проявляется на 100 % (сверхпроводники первого рода), то у сплавов – частично, так как они неоднородны (сверхпроводники второго рода) и магнитное поле в них выталкивается не полностью, заполняя пространство вдоль идущих через проводник сверхтоков. Тут-то и началось хоть какое-то практическое применение сверхпроводников в виде магнитов.

Итак, первой наиболее логичной целью на этом пути применения сверхпроводников специалисты увидели создание сверхпроводящих магнитов, для замены разработанных ещё в XIX веке электромагнитов, основанных на использовании обычных металлов, ведь все данные указывали на то, что сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества.

В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году специалистами General Electric был создан первый крупный сверхпроводящий магнит, мощность генерируемых полей которого достигала 10 Тл.

Научно-технический успех был очевиден, а вот экономика «хромала». Первый сверхпроводящий электромагнит оказался бесповоротно убыточным. Во-первых, стоимость создания возросла с предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долларов до 200 тыс. Тем не менее это нисколько не помешало молодым инновационным компаниям вступить в гонку за индуктивностью полей с 1970-х годов.

Основой стало понимание того, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, ведь с увеличением этого значения ускорялась и потеря сверхпроводимости. В то время, собственно, одна из тех самых молодых и инновационных компаний Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит, который генерировал поле с индукцией 12 Тл и применялся для различных работ по материаловедению.

Правда, это всё ещё было далеко от обычных электромагнитов, которые к концу 1970-х без особых проблем генерировали поля с индукцией до 23,4 Тл.

Ближе к середине 1980-х годов мощности сверхпроводящих магнитов, наконец, превысили показатели электромагнитов. В 1986 году та же Toshiba, поместив обычный резистивный электромагнит внутрь сверхпроводящего (создав, по сути, гибридный), добилась индукции величиной 31 Тл.

Само собой, встал вопрос коммерциализации, и большинство компаний ринулись в медицину. Так и появилась магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, которая выдаёт намного более чёткую диагностику, чем даже не так давно появившаяся технология компьютерной томографии и тем более рентгенография.

К чему всё идёт?

Провода на высокотемпературных сверхпроводниках

Как только учёные достаточно хорошо описали явление сверпроводимости, инженеры и бизнесмены начали думать о том, как на его основе создать технологию передачи тока на большие расстояния, ведь обыкновенные высоковольтные линии мало того что занимают слишком много места, которое не особо-то пригодно для какой-либо иной деятельности, так ещё и приводят к потере почти 10 % передаваемой энергии, а это всё деньги.

Понятное дело, что сверхпроводники первого рода (чистые металлы) не подходили для того, чтобы делать из них провода, по целому ряду причин, а когда появились сверхпроводники второго рода, встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий, да и вообще вся эта система.

Только в 1986 году была открыта так называемая высокотемпературная сверхпроводимость, но и она началась со сверхпроводников, которые работали при температуре около –243,15 °C, хоть это и позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот. Даже если бы было принято решение попробовать внедрить такую технологию, потребовалось бы решить вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (хоть и вроде как высокую) температуру, на очень больших отрезках.

В целом эти разработки продолжаются сегодня в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США, но по-прежнему всё огранивается проектами по созданию сверхпроводящих кабелей длиной 1–10 км.

Высокоскоростной транспорт

Тут практическая польза оказалась куда более заметной. Ещё в начале 1970-х годов был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта и железнодорожной станцией города Бирмингема (проработал до 1995 года).

Суть технологии максимально проста: включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных – притягивает. Электромагнитное поле удерживает состав над дорожным полотном, оно же толкает его вперёд, ведь благодаря быстрому попеременному включению магнитов создаётся постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Поскольку трение в данном случае полностью отсутствует, маглевы способны разгоняться до 500–600 км/ч.

Всё бы ничего, вот только технология эта убыточна. Согласно открытым данным, шанхайский маглев-аэроэкспресс, который в коммерческой эксплуатации находится с 2004 года, приносит ежегодный убыток в 93 млн долларов.

Прежде чем перейти к термоядерным реакторам, с которых начался рассказ про сверхпроводники, стоит отметить, что эта технология вполне может найти применение непосредственно в ракетно-космической отрасли, ведь в ней даже дорогой проект вроде создания космического маглева может привести к удешевлению доставки грузов на орбиту.

В космос на левитирующем поезде

Довольно часто можно услышать, что «химические двигатели себя изжили», поэтому человечеству нужен новый способ отправки в космос. Так считает и Джеймс Пауэлл, основатель проекта Startram, «космического поезда» (или «космического трамвая»), по словам которого благодаря маглеву космос станет настолько доступен, что в нём каждый год смогут побывать до 4 млн человек, а отправка грузов вообще станет чуть ли не дешевле, чем почтой. Первая полноценная отправка полезной нагрузки ожидается в 2032 году.

«Космические поезда» должны будут передвигаться по гигантскому магнитному вакуумному тоннелю, выход с плазменным окном (для удержания вакуума) из которого будет располагаться на высоте порядка 20 км. Скорость такого состава, согласно расчётам, сможет достигать фантастических 32 000 км/ч. Для выхода путешественников предназначено плазменное окно, находящееся в верхней части конструкции.

По словам создателя концепции, грузовая модификация Startram потребует инвестиций порядка 20 млрд долларов, что в общем-то совсем немного. К тому же, по словам Пауэлла, проект быстро окупится, так как стоимость доставки грузов на орбиту в итоге упадёт до 40 долларов за килограмм.

Разумеется, есть и вопросы к проекту, самый большой из которых касается отправки на орбиту людей в таком «поезде». Ускорение будет приводить к перегрузкам в 30 g, которые не выдержит ни один человек, а для достижения приемлемых 2–3 g потребуется создать тоннель пассажирского поезда протяжённостью в 1 500 км, с выходом на высоте около 270 км, то есть уже на орбите (зато с вакуумом проблем почти не будет).

Помимо прочего, расчёты скептиков показывают, что для такого проекта потребуется довольно мощный источник питания, создание которого приведёт к удорожанию проекта в 3 раза – до 60 млрд долларов, на что Пауэлл отвечает, что лунная программа США стоила намного дороже, а тут речь о серьёзном удешевлении доставки грузов на орбиту Земли (повторюсь, 40 долларов за килограмм против, скажем, 2 500 долларов, которые берёт Space X). А по поводу источника энергии Пауэлл говорит просто: «Он у нас под рукой – это солнечная энергия». Об этом чуть ниже.

К слову, китайцы совсем недавно представили проект космического транспортного средства, запускаемого, судя по всему, с помощью электромагнитной катапульты. После запуска на определённой высоте включается двигатель, с помощью которого транспортное средство выходит в суборбитальное пространство. Посадка осуществляется по «самолётному» типу. Подробностей немного, но важен сам факт того, что работа в этом направлении уже ведётся.

Термоядерные реакторы

Разумеется, специалисты, разрабатывающие термоядерные реакторы, ждут прорыва в области сверхпроводимости, так как без него, будем откровенны, не очень много шансов на промышленное освоение термояда.

Уверен, вы уже поняли, что сверхпроводники тут необходимы для создания магнитной ловушки, в которой будет удерживаться «искусственное Солнце», дающее доступ к безграничной и дешёвой энергии. Повторюсь, что, если не окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, она не будет удерживаться в заданном объёме и просто прожжёт стенки реактора.

К слову, в международном проекте по созданию прототипа термоядерного реактора ИТЭР именно Россия отвечает за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для «укрощения» плазмы. Предполагается, что первые испытания магнитов состоятся во время пробного запуска реактора в 2025 году.

Возможна ли сверхпроводимость без охлаждения?

Думаю, каждый уже задался этим вопросом. Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости, главная мечта всех физиков и инженеров – комнатная температура сверхпроводимости, которая откроет ей дорогу в повседневный быт и по сути ключ к передаче энергии без потерь, левитирующим космическим поездам, лунным лифтам и другим атрибутам научной фантастики, – пока не достигнута.

Время от времени сообщения о достижении сверхпроводимости при комнатной температуре появляются, но это, как правило, преувеличение СМИ. К примеру, физики из университета Рочестера (США, штат Нью-Йорк) в статье «Сверхпроводимость при комнатной температуре в углеродистом гидриде серы», опубликованной в Nature, сообщили о достижении сверхпроводимости при необычайно высокой температуре +15 °C (Elliot Snider, 2020). Есть нюанс: для этого потребовалось довольно высокое давление.

Учёные на протяжении многих лет шаг за шагом подбирались к этому достижению. Например, в 2015 году был поставлен рекорд сверхпроводимости при –70 °C (A. P. Drozdov M. I., 2015), а в 2019 году физики добились этого состояния при –23 °C – не самый морозный зимний день в России (A. P. Drozdov P. P., 2019). И вот теперь сверхпроводимость достигнута при комнатной температуре. Что удивительно, но компонентами для сверхпроводника послужили самые простые и дешевые вещества: сера и углерод в виде очень мелкого порошка, а также газообразный водород.

Смешав всё это, состав поместили между алмазными наковальнями, подвергли воздействию давления 2,6 млн атмосфер, а дополнительно благодаря прозрачности алмаза несколько часов эту смесь облучали лазером, чтобы запустить в нём химические реакции. В результате был получен принципиально новый материал (в объёме всего лишь триллионных долей литра), который оставался сверхпроводящим при 15 °C.

По сути, сбылась мечта физиков! А вот у инженеров работа только началась, ведь показана лишь принципиальная возможность сверхпроводимости при комнатной температуре, что уже просто потрясающе, но до внедрения технологии в повседневный быт ещё далеко. Тем не менее, изучив физические механизмы, лежащие в основе «комнатной» сверхпроводимости, учёные и инженеры однажды смогут реализовать её и при нормальном давлении. Это станет началом появления очередных технологий из фантастических романов в повседневной жизни, а спустя ещё десяток-другой лет современники будут с совершенно скучающим видом садиться в левитирующий космический поезд, чтобы отправиться на работу на станцию термоядерного синтеза на орбите высотой в 20 000 км над Землёй.

Зачем создавать термоядерный реактор, если у нас уже есть один работающий?

Илон Маск как-то написал в своём аккаунте в социальной сети, логотипом которой является птичка: «Термоядерная энергия не нужна». Позже он объяснил, что у нас есть термоядерный реактор, стабильно работающий уже более 4,5 млрд лет, – Солнце.

Идея о том, чтобы получать энергию с помощью солнечной электростанции, размещённой в космосе, старше даже космической программы. Вообще, согласитесь, довольно интересно наблюдать за тем, как описанные фантастами технологии постепенно становятся обыденной реальностью.

Проектов орбитальных солнечных электростанций не то чтобы много, но и не мало. На сегодня лидерами в разработке этих технологий являются США. Не отстаёт Китай, есть подобные проекты и в России.

Итак, наиболее активно над подобными технологиями в США работали в 1970-х годах. Тогда основной идеей было создание на орбите солнечной электростанции, которая могла бы наиболее эффективно вырабатывать энергию и передавать её на Землю.

Самая успешная демонстрация (Dickinson, 1975) состоялась уже в 1975 году: чуть более 30 кВт энергии было передано на расстояние более 1,5 км. Эффективность передачи составила 82 %, что очень неплохо. Проблема была в масштабах оборудования. Генерировала пучок радиоволн параболическая зеркальная антенна диаметром 26 м. Принимающая, площадью 24 м^2, была установлена на специальной башне высотой 30,5 м.

Таким образом, для регулярной передачи довольно большого количества энергии на расстояние в сотни километров на тот момент требовались бы гораздо бóльшие антенны. Но технологии не стояли на месте, поэтому американские специалисты (военные, как правило) возобновили работы по данному направлению.

К примеру, в 2018 году ВВС США заключили контракт с Northrop Grumman на разработку технологий для создания спутника, который мог бы дистанционно снабжать энергией удаленные военные базы. В 2021 году в рамках этого проекта был продемонстрирован прототип солнечной панели с интегрированной передающей антенной.

У ВМС США есть собственный проект по разработке технологий передачи энергии по воздуху. Научная лаборатория, занимающаяся им, рассказала, что с помощью обычной зеркальной антенны диаметром в несколько метров, генерирующей узкий пучок электромагнитного излучения с частотой 10 ГГц, им удалось передать энергию на расстояние 1 км с пиковой мощностью в 1,6 кВт. Принимала радиоволны квадратная антенна, состоящая из множества приёмников, подсоединенных к выпрямляющим диодам для генерации постоянного тока.

Во время другого теста инженерам удалось добиться меньшей пиковой мощности, но более стабильной передачи. Отмечено, что данная система работает в допустимом мировыми регуляторами диапазоне мощности, признанном безопасным для людей и животных.

Когда в космос?

На данный момент известно только, что в рамках полёта беспилотного космоплана X-37B, который начался в мае 2020 года, некоторые элементы такой системы проходили испытания, но, поскольку проект секретный, никаких подробностей нет.

Не отстаёт и Китай

Так, Китайская академия космических технологий работает над созданием орбитальной электростанции, которая будет собирать солнечную энергию в космосе и передавать её на Землю. О ходе разработки известно мало, но, согласно первоначальным планам, КНР планирует запустить тестовую станцию до 2025 года, что уже совсем скоро, к 2030 году на орбиту планируется вывести полноценную электростанцию мегаваттного класса, а коммерческую станцию гигаваттного класса китайские учёные хотят построить на орбите к 2050 году.

В России тоже появилось своё видение этих технологий

В начале 2022 года холдинг РКС предложил концепцию космической электростанции, согласно которой передавать энергию на Землю и космическим аппаратам будут при помощи лазерного луча. Предложенный РКС комплекс включает в себя два модуля:

• передающий: беспилотный космический корабль площадью 70 м^2;

• приёмный: «система наземных мобильных антенн (так называемых ректенн) с аккумуляторами, которые получают солнечную энергию с космического корабля по лазерному каналу, преобразуют в электроэнергию и распространяют наземным потребителям».

Будет довольно интересно наблюдать за развитием этого направления, но давайте разберёмся с тем, какие вообще перспективы у солнечной энергетики.

Во-первых, отмечу, что самые ранние документы, описывающие сбор солнечной энергии, восходят к Древней Греции. Ещё Сократ писал: «В домах, смотрящих на юг, зимнее солнце проникает через галерею, а летом путь солнца проходит над нашей головою и прямо над крышей, из-за чего образуется тень». Эти наблюдения существенно повлияли на древнегреческую архитектуру и спасли греков от серьёзного энергетического кризиса, с которым они столкнулись в V веке до н. э.

Основное на тот момент топливо, древесный уголь, заканчивалось, так как греки вырубили близлежащие леса совершенно беспощадно. Дело дошло до введения квот на лес и уголь, а оливковые рощи требовалось защищать от граждан.

Для того чтобы кризиса избежать, одного только контроля было мало, поэтому греки пришли к тому, что начали максимально тщательно планировать городскую застройку, чтобы каждый дом смог воспользоваться по максимуму преимуществами солнечной энергии, которую описал Сократ.

В дальнейшем технологии сбора солнечной энергии, преобразуемой в тепло, развивались. Древнегреческие принципы городской застройки были позаимствованы колонистами Новой Англии, а самые обыкновенные пассивные солнечные водонагреватели, создать которые не сложнее, чем покрасить бочку в чёрный цвет, продавались в США вплоть до конца XIX века.

Эти системы становились всё сложнее. Появились солнечные коллекторы, прокачивающие воду через поглощающие или фокусирующие свет панели. В особо морозных регионах начали применять двухжидкостную систему, в которой солнце греет смесь воды с антифризом, проходящую через спираль в баке для хранения воды, выполняющего заодно роль теплообменника. Солнечные коллекторы сегодня устанавливаются по всему миру, и больше всего их в пересчёте на душу населения в Австрии, на Кипре и в Израиле.

История же современных солнечных панелей начинается в 1954 году, когда в лаборатории Белла был открыт практический способ добычи электричества из света, благодаря созданию фотовольтаического (преобразующего давление света в электрический ток) материала из кремния.

В дальнейшем эти технологии развивались со всё ускоряющимися темпами. С 1980 года цены на панели упали в сто раз. Согласно оценкам экспертов, уже к 2023 году мощность установок во всем мире превысит 1 ТВт, а к 2050 году достигнет 30–100 ТВт. Так почему человечество до сих пор не перешло на солнечную энергетику?

Начнём с того, что, для того чтобы вытеснить ископаемое топливо, солнечная энергетика должна работать максимально стабильно и надёжно как на экваторе, так и на полюсах, независимо от погоды. С одной стороны, производители закладывают срок службы панелей в диапазоне 25–35 лет. Собственно, скажем, в США менее 1 % панелей выходят из строя в течение первых пяти лет работы. Получается, нет проблем?

Не совсем так. Например, во время шторма в Техасе в 2019 году град диаметром до 7 см разрушил модули солнечных панелей, питавших около 20 000 домов, из-за чего страховые убытки превысили 75 млн долларов.

Теперь представьте, что энергетический сектор перешёл в основном на солнечную энергетику – количество страховых случаев возрастёт многократно, что приведёт к потере доходов и, как следствие, к энергетическому кризису.

Тем не менее есть и положительные примеры. Скажем, когда всё в том же Техасе из-за сильнейших заморозков 10 млн человек лишились электричества и тепла, а общий ущерб составил около 130 млрд долларов, производство именно солнечной энергии практически не пострадало. Тем не менее на него сегодня приходится около 2 % всей энергии в штате.

Так может всё-таки в космос?

Солнечные электростанции на Земле имеют серьёзные недостатки по довольно банальной причине – из-за физики. Мало того что половину времени на планете ночь, так ещё и существенную часть дневного времени суток небо затянуто облаками, что в итоге приводит к тому, что за год солнечная электростанция в умеренном климате вырабатывает в 8 раз меньше энергии, чем, скажем, атомная той же мощности.

Климат на планете равномерным не будет (во всяком случае, не в обозримом будущем), а потенциал солнечной энергетики мало кто оспаривает. Как и сказано выше, концепция солнечных электростанций в космосе появилась ещё до наступления эры космонавтики. В 1941 году Айзек Азимов опубликовал рассказ «Логика» (Reason), в котором без особых подробностей описал солнечную электростанцию, генерирующую с помощью фотоэлементов электроэнергию, которая, преобразовываясь в микроволны, отправляется на Землю, где расположено поле принимающих антенн (ректенн).

Интересно, что у Азимова на тот момент даже высшего образования не было, да и рассказ был совсем не про энергетику, но вскользь упомянутая технология с тех пор напрочь укоренилась сначала в умах фантастов, а затем и учёных по всему миру.

В 2008 году Япония стала первой страной, принявший специальный закон, в рамках которого национальной целью стало строительство космической солнечной электростанции. Многие страны уже включились в эту гонку, ведь энергетические проблемы, так или иначе, существуют, и решать их надо. Ну а тот, кто сделает это раньше остальных, скажем прямо, соберёт все сливки.

О том, что тепловая энергетика непосредственно приводит к смертям тысяч людей, уже сказано. Атомная довольно сильно себя дискредитировала из-за нескольких очень серьёзных аварий. И только солнечная в глазах общественности является наиболее перспективной, несмотря на то что данные, имеющиеся сегодня, говорят, что она, даже при очень серьёзных допущениях, не скоро сможет покрыть всё возрастающую потребность человечества в электричестве.

Самый очевидный выход – отправить солнечную электростанцию в космос

Все «земные ограничения» в космосе снимаются: облаков нет, а на геостационарной орбите станция всегда будет на Солнце (если быть точным, то кроме небольшого числа коротких затмений по 72 минуты, близ равноденствия, когда Земля будет располагаться между станцией и Солнцем) и над одной и той же точкой планеты.

При среднем КПД солнечных батарей 40 %, который имеют фотоэлементы на арсениде галлия, с одного их квадратного метра станция будет вырабатывать 4 400 кВт/ч в год. Человечество за год потребляет около 25 трлн кВт/ч. Несложными расчётами получаем, что нам необходимо 6 млрд м^2 солнечных панелей.

Если вы подумали, что на этом можно заканчивать разговор, то ошиблись, ведь речь идет о 6 000 м^2, площади почти четырёх Санкт-Петербургов; вы такую станцию, расположенную на геостационарной орбите, даже не заметите невооружённым глазом. И, повторюсь, речь о том, что одна такая станция (или, скажем пять с требуемой общей площадью панелей) позволит отказаться от всех остальных источников энергии на Земле.

Даже если учесть, что арсенид галлия слишком дорог, а КПД кремниевых солнечных батарей не превышает 25 %, то с ними станция вырастет менее чем в два раза – до 10 000 км^2.

Малозаметные минусы космической солнечной энергетики

Самый очевидный минус – это устройство солнечных панелей для космоса. Вообще, панель можно сделать максимально тонкой, вплоть до 100 нм, но это ведь не всё. Чтобы создать работающее устройство, необходимы подложка, которая обеспечит механическую прочность, проводник для отвода тока, стеклянное покрытие, которое будет снижать её износ, и, когда мы говорим об использовании в космосе, металлическая поверхность сзади, без которой не получится отводить тепло в виде инфракрасного излучения, без чего батарея будет перегреваться и очень быстро приходить в негодность. А ещё не стоит забывать о передающей энергию аппаратуре.

Как итог, каждый солнечный киловатт в открытом космосе на сегодня не может быть легче 10 кг. Дороговато выходит, если говорить о современных способах доставки грузов на орбиту, тем более когда мы говорим о геостационарной. Но не надо забывать о том, что космические технологии развиваются в достаточно широком спектре.

Вполне вероятно, что на момент выхода книги прототип системы Starship/Super Heavy от Space X совершил несколько суборбитальных полётов. Несмотря на это, уверен, скептики никуда не делись, но отрицать выгоды этой концепции по меньшей мере глупо. Даже по консервативным оценкам, стоимость доставки полезной нагрузки на орбиту с помощью этой полностью многоразовой системы упадёт всего до 100 американских долларов. Для сравнения: по некоторым оценкам, пуск Falcon 9, способной вывести на орбиту до 15,6 т полезной нагрузки, стоит 55–65 млн долларов, а коммерческий пуск российской ракеты-носителя «Союз 2.1» с блоком «Фрегат» оценён в 48,5 млн долларов, при том что доставить на низкую околоземную орбиту она может не более 9,2 т. Таким образом, в первом случае доставка килограмма груза обходится более чем в 3 000 долларов, а во втором – более 5 000. Эта система произведёт настоящую революцию в космонавтике, но вернёмся к космической солнечной электростанции.

Так или иначе, имеются расчёты (требующие проверки, само собой), согласно которым, чтобы электричество с орбиты могло конкурировать по цене с электричеством от наземных источников, нужно выводить грузы на геостационарную орбиту не дороже 200 долларов за килограмм. Но говорить о стоимости какой-либо услуги до её появления достаточно бесполезно, поэтому данный вопрос есть смысл оставить до начала регулярной эксплуатации системы Starship/Super Heavy, прототипы которой, повторюсь, надеюсь, уже совершили пару-тройку полётов.

Основная-то проблема всё-таки заключается в том, чтобы доставлять энергию из космоса на Землю. Помните, что нам сильно не нравятся потери при передаче электричества по высоковольтным линиям? Лазеры в оптическом диапазоне неспособны даже облака пробить, поэтому основным способом такой доставки считаются микроволны. Они действительно способны достаточно легко проникать сквозь атмосферу, достигая приёмных ректенн. Правда, повышение влажности в атмосфере будет приводить к поглощению части микроволн, то есть передачи энергии будет необходимо соотносить с прогнозом погоды. Когда тот или иной регион будут накрывать ураганы или снегопады, он будет рисковать оставаться вообще без энергии, если непогода затянется.

Даже если мы придумаем какие-то микроволны, расширяющие наши знания о физике этого явления, на этом проблемы не заканчиваются. Сегодня самые совершенные средства отправки микроволн способны создать луч чуть более 0,8 °. Если попытаться передать энергию с геостационарной орбиты в 36 000 км над Землёй, это пятно на поверхности планеты будет иметь диаметр около 10 км. Не то чтобы очень уж впечатляюще, но сеть приёмников таких размеров потребуется ставить у каждого мало-мальски крупного города или предприятия.

При понижении орбиты до солнечно-синхронной, находясь на которой станция останется круглосуточно освещённой Солнцем, но будет проходить над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время, то есть передавать энергию можно будет раз в сутки.

А если непогода в момент возможности передачи энергии? Можно «сливать» накопленную энергию на какой-либо другой приёмник. Но эта система потребует чёткой координации и дублирования.

Имеются расчёты, согласно которым при нынешнем уровне развития технологий 1 кВт энергии, полученной с орбитальной электростанции, обойдётся землянам примерно в 200 долларов, что вполне приемлемая цена для мегаполиса, но для небольших населённых пунктов это дороговато. К тому же, если не строить у них приёмники, которые могут больше самих этих населённых пунктов, микроволны будут просто греть почву, а это потери, которые приведут к удорожанию электроэнергии для конечного потребителя.

Так запускать или не запускать солнечные электростанции в космос?

Да, проблем, требующих решения, ещё немало, но среди них нет откровенно нерешаемых, так что вопрос только в том, чтобы продолжать изыскания. Тем не менее начать ведь можно и без передачи энергии на Землю, ведь наша задача – закрепиться в космосе.

Если получаемую энергию пока сложно доставить до потребителей на поверхности планеты, есть смысл отправить потребителей в космос. Сразу же можно отказаться от микроволн, идеально подходящих для передачи на Землю, в пользу лазеров, расходимость пучка которых и на миллионы километров минимальна.

Причём осваивать эти технологии можно постепенно, и уже известен первый шаг. Поначалу не будет смысла передавать энергию на какой-то достаточно компактный объект, к примеру околоземную станцию. Проблема в том, что в космосе серьёзной проблемой является теплоотвод, из-за чего на станцию, которую мы захотим снабжать энергией от космической СЭС, придётся снабжать дополнительными радиаторами, что увеличит её массу и, соответственно, расход топлива на поддержание орбиты. Гораздо проще снабдить её солнечными панелями. Какой-нибудь ровер, скажем, на поверхности Луны вообще, вероятнее всего, просто перегреется при попытке «докинуть» ему энергии.

А вот осваивать пустоту эти станции вполне могут помочь. Серьёзной проблемой при исследовании космического пространства является скорость перемещения, из-за чего даже наиболее удалённые части Солнечной системы остаются практически недостижимыми. Так, расстояние до Сатурна составляет около 10 млрд км, а до ближайшей звёздной системы вообще 40 трлн км. На скорости 20 км/с до системы Сатурна аппарат будет лететь 15 лет.

Учёные об этом задумались тоже задолго до начала эры космонавтики. Только представьте, ещё в 1899 году физик Пётр Лебедев экспериментально показал, что свет способен оказывать физическое давление на другие тела, а в 1925 году Фридрих Цандер предложил использовать этот физический факт для перемещения в космическом пространстве кораблей.

Поскольку лазеры в то время не были известны, идея получила название «солнечный парус», ведь корабль, согласно представлению учёных, должен был разворачивать что-то вроде паруса по направлению от источника излучения – Солнца.

Важным является тот факт, что, если расположить корабль с установленным на нём источником излучения позади того, который требуется разогнать, первый не будет испытывать «отдачи». Именно поэтому с изобретением лазера об этой идее заговорили вновь. В одном из научно-исследовательских институтов NASA ещё в конце 1990-х годов подсчитали, что одним из наилучших применений лазерной передачи энергии в космосе является лазерный парус, который должен быть невероятно тонким. Правда, по-прежнему никуда не делась проблема перегрева, но и тут нашлось решение, отвечающее сегодняшним направлениям исследований.

Команда специалистов под руководством Филиппа Лубина из Калифорнийского технологического института решила, что надо не пытаться подогнать новую технологию под существующие космические аппараты, а переосмыслить понимание существующих космических аппаратов.

Лубин акцентировал внимание на том, что исследовательский зонд – это не самое сложное устройство, состоящее из оптических, ИК-сенсоров и системы связи, а сегодня очевиден тренд на миниатюризацию этих приборов. Как итог, аппарат для достаточно объёмного исследования всё той же системы Проксима Центавра может представлять собой пластину из кремния с нанесённой по периметру микросхемой и антенной для связи с родной планетой. В итоге мы получим полноценный исследовательский зонд массой не более 1 г. Лубин дал название этой концепции – Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN).

Рассеивание лазерного пучка будет заметно снижаться за счёт использования группы лазеров, работающих по принципу фазированной антенной решетки. Правда, мощности по-прежнему потребуется немало, из-за чего и стоимость проекта будет соответствующей. Если солнечная орбитальная электростанция будет излучать с общей мощностью лазерных передатчиков 1 ГВт, то до Проксимы Центавра наш зонд доберётся за 193 года, а если увеличить мощность до 100 ГВт – всего за 21 год. Вы только вдумайтесь, всего через 21 год после запуска мы сможем буквально прикоснуться к соседней звёздной системе!

Здесь проблемой остаётся то, что до сих пор не получилось создать демонстратор, масса которого была бы 1 г и способный выдержать несколько десятилетий в открытом космосе под действием космических лучей. Для этого приходится значительно увеличивать массу, дублируя множество функций. Тем не менее сделать стограммовый зонд можно уже сегодня.

Атом, атом и ещё раз атом

Если эта книга оказалась в руках фаната «мирного атома» и он до сих пор не бросил её читать, то самое время обсудить, не лучше ли забросить в космос атомную электростанцию и использовать для тех же целей?

Предвижу аргументы: из модульного атомного реактора можно получить лазерные комплексы и на 100 ГВт, тогда как солнечные батареи при настолько больших мощностях систем будут намного более материалоёмкими.

Не могу не согласиться, ведь немного выше я уже писал, что киловатт мощностей солнечных батарей сейчас имеет массу никак не меньше 6–7 кг, то есть десять мегаватт такой мощности будут весить не меньше 70 т. Атомный реактор совершенно точно будет иметь бóльшую удельную отдачу… на Земле.

Напомню, что в космосе очень сложно рассеивать избыточное тепло от источника энергии. Для 10МВт-ного атомного реактора понадобятся радиаторы площадью не менее 1 000 м^2, которые, в свою очередь, потребуется укрыть защитным экраном от солнечных лучей, которые будут мешать нормальному охлаждению. Так значительно увеличивается масса конструкции и ухудшается отказоустойчивость всей системы, ведь даже одна вышедшая из строя пластина может привести к остановке реактора, чтобы активная зона не перегрелась.

Более того, чтобы радиатор отводил тепло от реактора, придётся держать нагретыми внешние стенки последнего, что, по сути, сделает весь реактор радиатором охлаждения. При этом лазерные установки тоже нуждаются в системе охлаждения, а их радиаторы будут находиться рядом с компактными и докрасна раскалёнными радиаторами питающих их реакторов. Мягко говоря, нестабильная система. Тут можно поступить, как с изотопными источниками энергии космических аппаратов, – разместить реактор, скажем, на километровой штанге, прокинуть по ней кабель (который, к слову, тоже потребуется охлаждать), но так мы только усложним систему и сделаем её дороже.

Солнечная же электростанция представляет собой модульную конструкцию, которая в сумме даёт те самые 10 МВт. Не развернулась или вышла из строя одна – просто отправляем новую на замену. Радиаторы охлаждения уже интегрированы в каждую солнечную батарею, так как обратная сторона каждого фотоэлемента активно излучает в ИК-диапазоне, охлаждая устройство.

Подводя промежуточный итог, можно сказать, что для орбитальных солнечных электростанций вполне вырисовывается неплохое будущее. Дело за развитием соответствующих технологий. Есть смысл кратко пройтись ещё по паре интересных технологий ближайшего будущего, которые определённо смогут найти своё место в деле освоения человеком космического пространства.

Энергия из дождя и воздуха

Не так давно был обнаружен микроорганизм, принадлежащий к семейству Geobacter. Он обладает способностью создавать проводящие электричество белковые нанопровода толщиной всего 7 микрометров (Yang Tan, 2016). Устройство, получившее название Air-gen, состоит из тонких плёнок, сотканных из этих нанопроводов и расположенных между двумя электродами, подвешенными в воздухе. Плёнка адсорбирует пары воды, которая присутствует в атмосфере. Благодаря градиенту влажности, создаваемому диффузией протонов в нанопроводах, между электродами генерируется ток. Буквально из воздуха и 24 часа в сутки!

Та самая анаэробная бактерия – Geobacter

Air-gen вырабатывает постоянное напряжение около 0,5 В с плотностью тока около 17 мА на 1 см^2. Конечно, это совсем немного, но речь идёт об очень маленьком устройстве, способном вырабатывать ток даже в пустыне.

Одно из направлений, которое хотят развивать учёные, – создание систем для электропитания домов с помощью такой нанопроволоки. Для этого предполагается встраивать её в краску для стен.

У биопроволоки есть целый ряд особенностей. Её проводимость в 2 000 раз превышает естественную. При этом она вдвое тоньше – 1,2–2,5 нм (то есть в 60 000 раз тоньше человеческого волоса). Это позволяет плотнее упаковать в оборудовании наибольшее число данных биопроводов. Помимо прочего, бионити не содержат токсичных веществ и обладают высокой прочностью. Так, на разработку способа их разрушения у учёных ушло несколько месяцев.

А вот специалисты из Гонконга смогли усовершенствовать капельный электрогенератор, повысив и его КПД, и удельную мощность в тысячу раз. Они применили политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон) в качестве плёнки на электроде из оксида индия и олова, отвечающем за генерацию, хранение и индукцию заряда, что позволило обойти проблему низкой плотности получаемого заряда.

Четыре ряда по 100 светодиодных лампочек, зажигаемых падением всего одной капли воды с высоты 15 см

Это изобретение позволяет получать из падающей всего с 15-сантиметровой высоты одной капли воды напряжение свыше 140 В. А энергии этого падения, по заявлению учёных, хватает для питания 100 небольших светодиодных ламп (Kong, 2020).

В итоге мгновенная удельная мощность генератора достигает 50,1 В/м^2, что в тысячи раз больше, чем у аналогов. Она повышается за счёт преобразования кинетической энергии самой воды, которая в данном случае и бесплатная, и возобновляемая.

Природа, как обычно, сама подсказывает нам наилучшие решения по использованию её ресурсов – нужно лишь внимательнее смотреть. Если только что описанные технологии сегодня находятся в откровенно зачаточном состоянии и непонятно, что с ними будет дальше, то наиболее очевидный источник энергии при освоении космоса – это ядерная реакция.

Уже сертифицирован проект первого малого ядерного реактора

Опять же многие наверняка подумали про токамаки. Да, это направление более или менее развивается. Однако слишком непонятно, когда ждать в нём прорыва и ждать ли вообще. А вот небольшие модульные реакторы с момента их появления преподносят как средство избежать многих проблем, из-за которых строительство крупных атомных станций было чрезвычайно дорогостоящим.

Одно из основных преимуществ мини-реакторов – их размеры. Такие реакторы можно будет собирать на центральном заводе и отправлять в место эксплуатации, вместо того чтобы создавать их на месте.

Кроме того, мини-реакторы структурированы таким образом, чтобы обеспечить пассивную безопасность, когда от оператора не потребуется никаких действий для остановки реактора в случае возникновения проблем.

Процесс сертификации реактора компании NuScale начался ещё в 2016 году. Спустя четыре года Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) одобрила его конструкцию в ходе оценки безопасности. В конце того же 2020 года компания NuScale опубликовала результаты исследования по оценке экономической эффективности одного модуля их ядерного мини-реактора. Согласно этим результатам, модуль способен генерировать 250 МВт тепла или 77 МВт электричества и почти 50 т водородного топлива в день.

© NuScale

В итоге NRC опубликовала на своем сайте документ, предписывающий выдать компании NuScale окончательное разрешение на производство модульных реакторов нового типа на территории США. Это уже седьмой тип реакторов, получивших такое одобрение.

Большинство малых модульных реакторов, в отличие от стандартных, используют в качестве топлива расплавы солей урана. У NuScale более консервативный подход: топливные стержни, кипящая вода, вращающая турбину генератора, и конвекционное охлаждение от внешнего источника воды. В случае неполадок стержни останавливают цепную реакцию деления с помощью резервного двигателя. А клапаны безопасно выводят воду через внешнюю оболочку, направляя жидкость в охлаждающий бассейн.

В NuScale разработали две версии модульного мини-реактора: на 50 и 60 МВт энергии соответственно. При этом каждый из реакторов располагается в стальном корпусе 23 м длиной/высотой и 4,5 м шириной.

Первые шаги по созданию портативного ядерного генератора для Земли и космоса

Сегодня, когда смотришь на очередной интересный стартап, перестаёт удивлять тот факт, что его основал один из бывших сотрудников SpaceX. Ведь компания собрала лучших специалистов для решения своих максимально амбициозных задач.

Так и в этот раз. Даг Бернауэр (Doug Bernauer), бывший инженер SpaceX, который в компании работал над проектом, основной задачей которого была разработка источника энергии, способного обеспечить ей наземные объекты, корабли для перелётов между Землёй и Марсом и, собственно, марсианскую колонию, решил создать собственную компанию по разработке генератора на основе ядерного реактора, размером со стандартный контейнер.

Прямо сейчас компания Radiant Nuclear, получив первое финансирование в размере 10 млн долларов, разрабатывает первый в мире портативный ядерный источник энергии с нулевым уровнем выбросов.

Согласно видеопрезентации реактор Kaleidos мощностью 1 МВт может покрыть потребности в электричестве тысячи домов на срок до 8 лет. Такой реактор позволит осваивать труднодоступные регионы, а также обеспечивать энергией те, которые сейчас в ней остро нуждаются. Опять же, как сказано в презентации, эта установка значительно безопаснее существующих атомных реакторов с водяным охлаждением.

В качестве одного из ноу-хау для охлаждения установки будут использовать гелий. В компании планируют создать в этом году первый гелиевый компрессор, задача которого – обеспечить постоянный приток гелия в реактор и отток из него (а также в другое оборудование) для охлаждения.

Гелий был выбран потому, что, будучи инертным газом, он индифферентен к радиоактивности. Поэтому идеально подходит для охлаждения такого реактора. В компании рассчитывают выйти на испытания полностью собранной установки уже через пять лет.

Всё хорошо, но, как всегда, есть пара вопросов

Во-первых, идея с гелием в качестве теплоносителя действительно интересная. Но он очень летучий и далеко не дешёвый. В обычных реакторах используют цикл от перегретого пара до воды, что тоже довольно эффективно. Так неужели в реакторе Kaleidos собираются сжижать гелий на другом конце цикла? Или же будут использовать гелий под высоким давлением?

В презентации ничего не сказано об экранировании, системах безопасности и топливе. А ведь ещё нужно электричество получать. То есть потребуются гелиевая турбина и генератор.

Заключение

Надо быть откровенными: мы не приспособлены ни для космоса, ни для других планет. Несмотря на это, дорога в космос очень маленькими шагами прокладывалась учёными, энтузиастами и, конечно же, писателями-фантастами уже не одну сотню лет.

Сегодня программы по освоению космоса требуют всё больше ресурсов, что стало не под силу отдельным странам, именно поэтому космосу суждено объединить человечество.

На сегодня мы уж смогли добиться того, о чём наши предки даже не мечтали: мы побывали на Луне, прикоснулись к различным космическим объектам, включая само светило, отправили автоматы на Марс, Венеру, к дальним планетам и даже за пределы Солнечной системы.

Вряд ли кто-то сможет объяснить, почему нас так тянет в космос, но мы поставили чёткую задачу сделать космос частью своего дома. Мы целенаправленно идём к тому, чтобы ближний космос уже в ближайшие десятилетия стал для нас обыденностью, а человечество в итоге стало мультипланетарным видом. Мы стремимся разгадать тайны Вселенной и покорить себе пространство-время.

Однажды за пределами Земли родится первый человек, который станет началом внеземной цивилизации, прародиной которой будет Земля, но которая, несмотря на это, будет развиваться за её пределами, став неспособной находиться на ней без специальных средств. В итоге это будут наши потомки, но со своими, кардинально отличающимися от наших генетикой, психологией, обществом и культурой.

Это всё возможное будущее, которое нам не суждено застать. Нам же сегодня необходимо понять, как человек будет вести себя во время межпланетного перелёта к Марсу, возможно, в один конец. Нам надо работать над созданием новых средств передвижения в космосе, пусть даже выглядящих фантастическими. Но, что важнее, следует задуматься над тем, что человек понесёт в новые миры.

Мы часто философствуем над тем, какими могут оказаться разумные существа из других миров и, как правило, исходим из того, что они агрессивны, судя по всему, представляя себя на их месте. Да даже назовите хотя бы один фантастический рассказ, в котором, распространяясь по Солнечной системе, человечество не устраивало бы войны внутри своего же вида. Война землян с марсианами, бывшими колонистами с Земли, – это классика научной фантастики.

Будем честны, бессмысленно пытаться осваивать Солнечную систему, перенося наше откровенно незрелое мировоззрение и отношение к жизни на другие планеты.

Но мы продолжаем двигаться вперёд. Медленно, с огромными трудностями, но вперёд. Вопросов по каждому из описанных в книге направлений ещё очень много, и, надеюсь, в скором времени на каждый будет дан ответ, благодаря чему человек смело устремится туда, где ещё не ступала его нога, неся только свет добра, любви и стремления к познанию, ведь, кажется, благодаря развитию науки и технологий в будущем нас действительно ждут существенное продление жизни, колонизация новых миров и познание бескрайней Вселенной.

Ссылки

A. P. Drozdov, M. I. (17 08 2015 г.). Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system. Nature.

A. P. Drozdov, P. P. (22 05 2019 г.). Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures. Nature.

Adrien Bouskela, A. K. (03 06 2022 г.). Mars Exploration Using Sailplanes. MDPI.

Alis J. Deason, A. F.-K. (17 06 2020 г.). The Edge of the Galaxy. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Aysgarth, J. (24 07 2017 г.). О расширении вселенной | Telegraph. Россия.

Bartley P. Griffith, M. C. (07 07 2022 г.). Genetically Modified Porcine-to-Human Cardiac Xenotransplantation. The New England Journal of Medicine.

Dickinson, R. M. (01 09 1975 г.). Evaluation Of A Microwave High-Power Reception-Conversion Array For Wireless Power Transmission. Получено из NTRS – NASA Technical Reports Server: https://ntrs.nasa.gov/citations/19760004119 Dirk Schulze-Makuch, D. H. (5 07 2004 г.). A sulfur-based survival strategy for putative phototrophic life in the venusian atmosphere. Pubmed.

Elinore Roebber, R. B. (07 05 2020 г.). Milky Way Satellites Shining Bright in Gravitational Waves. The Astrophysical Journal Letters.

Elliot Snider, N. D.-G. (14 10 2020 г.). Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature.

Estia J. Eichten, K. D. (14 03 1983 г.). New Tests for Quark and Lepton Substructure. Physical Review Letters.

Fabio Caiazzo, A. A. (11 2013 г.). Air pollution and early deaths in the United States. Atmospheric Environment, стр. 198–208.

Farnes, J. S. (20 10 2018 г.). A unifying theory of dark energy and dark matter: Negative masses and matter creation within a modified ΛCDM framework⋆, ⋆⋆. Astronomy & Astrophysics (A&A).

G. Voisin, I. C. (28 04 2020 г.). An improved test of the strong equivalence principle with the pulsar in a triple star system. Astronomy & Astrophysics (A&A).

Harrison, E. R. (30 02 1977 г.). The dark night sky paradox. American Journal of Physics.

James B. Garvin, S. A. (24 05 2022 г.). Revealing the Mysteries of Venus: The DAVINCI Mission. The Planetary Science Journal.

Jane S. Greaves, A. M.-S.-M.-W. (14 09 2020 г.). Phosphine gas in the cloud decks of Venus. Nature Astronomy.

Jimin Guo, J. O. (14 07 2020 г.). Biomimetic Rebuilding of Multifunctional Red Blood Cells: Modular Design Using Functional Components. American Chemical Society.

Jiyoon Lee, C. C. (03 06 2020 г.). Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells. Nature.

Jose Luis Blázquez-Salcedo, C. K. (09 03 2021 г.). Traversable Wormholes in Einstein-Dirac-Maxwell Theory. Physical Review Letters.

Kong, C. U. (05 02 2020 г.). New droplet-based electricity generator: A drop of water generates 140V power, lighting up 100 LED bulbs. ScienceDaily.

KonradSzocik. (06 2018 г.). Biological and social challenges of human reproduction in a long-term Mars base. Futures, стр. 56–62.

Kragh, H. (04 05 2010 г.). When is a prediction anthropic? Fred Hoyle and the 7.65 MeV carbon resonance.

Leilei Gu, S. P. (20 05 2020 г.). A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina. Nature.

Lena Neufeld, E. Y. (18 08 2021 г.). Microengineered perfusable 3D-bioprinted glioblastoma model for in vivo mimicry of tumor microenvironment. Science Advances.

LucasLombriser. (10 04 2020 г.). Consistency of the local Hubble constant with the cosmic microwave background. Physics Letters B.

Mary T. Joy, E. B.-S. (21 02 2019 г.). CCR5 Is a Therapeutic Target for Recovery after Stroke and Traumatic Brain Injury. Cell.

Maximiliano Isi, W. M. (01 07 2021 г.). Testing the Black-Hole Area Law with GW150914. PHYSICAL REVIEW LETTERS.

Michael T. Busha, M. A. (2010). The Impact Of Inhomogeneous Reionization On The Satellite Galaxy Population Of The Milky Way. The Astrophysical Journal.

NASA. (27 07 2022 г.). NASA Will Inspire World When It Returns Mars Samples to Earth in 2033. Получено из https://www.nasa.gov/press-release/nasa-will-inspire-world-when-it-returns-mars-samples-to-earth-in-2033 NASA. (12 05 2022 г.). Scientists Grow Plants in Lunar Soil. Получено из https://www.nasa.gov/feature/biological-physical/scientists-grow-plants-in-soil-from-the-moon

NASA. (28 06 2022 г.). Swarm of Tiny Swimming Robots Could Look for Life on Distant Worlds. Получено из The Jet Propulsion Laboratory: https://www.jpl.nasa.gov/news/swarm-of-tiny-swimming-robots-could-look-for-life-on-distant-worlds

NASA. (б.д.). LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Получено из https://lisa.nasa.gov/

NASA.JPL. (б.д.). Where is Voyager now? Получено из Voyager – Mission Status: https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/

Pablo Bueno, P. A. (26 01 2018 г.). Echoes of Kerr-like wormholes. Physical Review D.

Pau Figueras, M. K. (18 02 2016 г.). End Point of Black Ring Instabilities and the Weak Cosmic Censorship Conjecture. Physical Review Letters.

PAUL ROBIN, N. K. (06 08 2021 г.). Modeling of emergent memory and voltage spiking in ionic transport through angstrom-scale slits. Science.

Prof Qi Zhao, P. e. (07 2021 г.). Global, regional, and national burden of mortality associated with non-optimal ambient temperatures from 2000 to 2019: a three-stage modelling study. The Lancet.

Regaladoarchive, A. (2018). EXCLUSIVE: Chinese scientists are creating CRISPR babies. MIT technologyreview.

RelativitySpace. (07 2022 г.). Relativity and Impulse Space Announce the First Commercial Mission to Mars. Получено из YouTube: https://youtu.be/ognWNFPWM0Y

SAGAN, H. M. (16 09 1967 г.). Life in the Clouds of Venus? Nature.

Sean Jordan, O. S. (14 06 2022 г.). Proposed energy-metabolisms cannot explain the atmospheric chemistry of Venus. Nature Communications.

TAU scientists print first ever 3D heart using patient’s own cells. (16 04 2019 г.). Получено из Tel Aviv University: https://english.tau.ac.il/news/printed_heart

Tobias Hirsch, T. R. (08 11 2017 г.). Regeneration of the entire human epidermis using transgenic stem cells. Nature.

V. Venkatraman Krishnan, M. B. (31 01 2020 г.). Lense – Thirring frame dragging induced by a fast-rotating white dwarf in a binary pulsar system. Science.

Verscharen, D. (04 12 2019 г.). A step closer to the Sun’s secrets. Nature.

Yang Tan, R. Y. (13 07 2016 г.). Synthetic Biological Protein Nanowires with High Conductivity. Wiley Online Library.

Yehuda Hoffman, D. P. (30 01 2017 г.). The dipole repeller. Nature Astronomy.

Yijung Kang, Y.-W. L.-L. (20 01 2020 г.). Early-type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology. The Astrophysical Journal.

Yixing Du, X. X. (01 01 2016 г.). Air particulate matter and cardiovascular disease: the epidemiological, biomedical and clinical evidence. The Journal of Thoracic Disease.

Линде, А. Д. (1990). Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М.: «Наука».

Мазур, В. А. (2010). Инфляционная космология и гипотеза случайного самозарождения жизни. Доклады Академии наук. С. 183–187.

Мигдал, А. Б. (1986). Как устроена пустота?

ООН. (б.д.). Цели устойчивого развития мира. Получено из https://www.un.org/sustainabledevelopment/ru/sustainable-development-goals/

Попов, С. (2016). «Популярная механика» № 5.

Трефил, Д. (2007). 200 законов мироздания. М.: Гелиос.

Тьюринг, И. А. (б.д.). Получено из https://www.turing.ac.uk/research/impact-stories/supercharging-sustainable-development

Content

Денис Юшин
Космос для не космонавтов

Раздел 1 Куда и почему расширяется Вселенная?

Пустота, изменившая понимание Вселенной

Ещё несколько слов о пустоте

Откуда в абсолютной пустоте могут появляться частицы?

Как родилась Вселенная? Самые интересные факты о большом взрыве

Так почему ночное небо не залито сплошным светом?

Белый шум

Насколько точно настроена Вселенная и подходит ли она для нас?

Силы, создающие звёзды

А как на самом деле?

Углерод

Как была решена проблема?

Но и тут есть простое объяснение

Что мы имеем в итоге?

Наш мозг не готов осознать вероятность существования инопланетной жизни

А теперь пройдёмся по нашему стремлению быть уникальными

Куда и почему расширяется Вселенная?

Что было до и будет после?

Непостоянная постоянная

Почему это так важно?

Тёмная ли энергия?

Как, куда и почему всё движется?

Что произойдёт, когда всё разлетится?

Раздел 2 Теория относительности и физика Вселенной

Величайшая ошибка Эйнштейна как начало новой физики

Величайшая ошибка Альберта Эйнштейна

Вернуть космологическую постоянную!

Отрицательные массы

О теории относительности «на пальцах»

Специальная теория относительности (СТО)

Кстати, о законах Ньютона

Общая теория относительности

Первое подтверждение общей теории относительности

Краеугольный камень общей теории относительности и теории гравитации

Как были получены данные?

Одно из последних доказательств теории относительности

Верна ли общая теория относительности Эйнштейна?

Чёрные дыры

Раздел 3 Шёпот Вселенной (гравитационные волны)

Как мы её исследуем?

Об отсутствии дополнительных измерений во Вселенной. Эйнштейн по-прежнему прав

О величии открытия гравитационных волн и применении полученных знаний

Так что же такое гравитационные волны?

Как работает ЛИГО?

Как нам использовать полученные знания?

Что принесло открытие гравитационных волн?

Что даст это открытие в будущем?

Гравитационные волны помогут сформировать карту ближайшей Вселенной и обнаружить тёмную материю

Так для чего всё это нужно?

Кому полезно открытие гравитационных волн, кроме физиков?

Суть гравитационных волн простыми словами

Чем они могут быть полезны?

А каково их практическое применение?

А что, если пофантазировать?

Сможет ли LIGO обнаружить кротовые норы?

Раздел 4 Чёрные дыры

Что такое чёрная дыра?

Как увидеть чёрную дыру?

Фотографии чёрных дыр и очередное подтверждение ОТО

Что мы видим и является ли это изображение фотографией?

Почему снимки мутные?

Подтверждена ли общая теория относительности?

Подтверждение теории относительности предсказанием Стивена Хокинга о чёрных дырах

Могут ли чёрные дыры перенести нас в другие миры?

Когда чёрная дыра становится червоточиной?

Возможно ли существование проходимых червоточин?

Раздел 5 Изучение и освоение космоса человеком

Для чего тратить средства на изучение космоса?

Откуда взялись деньги на космос?

Каковы результаты?

А теперь давайте немного пофантазируем

Как к этому прийти?

Нужна ли пилотируемая космонавтика и как сделать новый рывок в освоении космоса?

Является ли необходимым присутствие человека в космическом пространстве?

Приносит ли пилотируемая космонавтика пользу с научной точки зрения?

Чем можно мотивировать полёты к Луне, Марсу, астероидам и ещё дальше?

Какие достижения в космонавтике появились за последние несколько лет?

Насколько изучена Солнечная система: как человечество продвигалось в космос и когда освоит новые миры?

Когда началась космонавтика?

Возвращаемся к космонавтике

Первые полёты к другим телам и планетам тоже не предполагали посадку

Наконец-то наступила эра полётов человека в космическое пространство

Полёты к Луне

После Луны – эпоха многоразовых космических аппаратов

Луна достигнута. дальше – Марс!

Марс сегодня

В чём разница между коптером, который сейчас на Марсе, и этим планером?

Ну а дрон, доказавший свою эффективность, уже получил развитие

Частные компании тоже хотят на Марс

Венера

Исследования продолжаются

NASA хочет повторить достижение СССР спустя 49 лет

Что собираются сделать американцы?

Юпитер

Что будет дальше?

Сатурн

Плутон

Меркурий

Астероиды и кометы

За пределами Солнечной системы

Насколько близко можно подлететь к Солнцу?

Колонизация Марса. Получится ли долететь до него… живым?

Начнём с очевидного – с радиации

Одиночество

Потеря мышечной массы

Нехватка кислорода

Клаустрофобия

Враждебные формы жизни

Смогут ли колонисты размножаться на Марсе?

Что делается уже сегодня для выживания человека на Марсе?

Утилизация отходов жизнедеятельности

Сколько крыс в одном человеке?

Растения в космосе растут

Раздел 6 Технологии, порождённые освоением человеком космоса, и будущее, к которому мы идём

Почему сегодня мы не можем колонизировать другие планеты и какие технологии необходимо для этого развивать?

Почему сегодня мы вряд ли можем колонизировать другие планеты?

Чем грозит применение старых подходов при колонизации планет?

Энергетика

Универсальность

Генная инженерия

Человек искусственный: начало

Синтетические эритроциты и нейроны

Далеко ли до синтетического интеллекта?

3D-бипринтинг. Биочернила: уже не фантастика

Что есть сегодня?

Медицина будущего уже сегодня

Инженерия, робототехника и искусственный интеллект

Робот-хирург будущего готовится к отправке в космос, но изменит жизнь и на Земле

Без роботов в космосе делать нечего

Решение уже есть

Не только для космоса

Робонавты – следующий шаг в освоении космоса

Так ли всё хорошо?

О, дивный новый мир: ИИ дадут возможность решать за нас, на что расходовать средства, чтобы побороть голод и бедность

Робот-судья

Управляемая эволюция

Что такое ген?

Что такое генная терапия и как она работает?

О роли вирусов в генной терапии

Какие вирусы чаще всего используют для генной терапии

CRISPR/CAS9 – революция в генной инженерии

Чем CRISPR/CAS9 отличается от предыдущих методов генной инженерии?

Как всегда, природа сама всё «придумала»

Персонализация медицины

Этические проблемы

Как генетическая инженерия поможет осваивать другие планеты?

Формирование животных химер для трансплантации органов

ГМ-дети уже живут среди нас

Редактирование генома для улучшения физических характеристик

Подводя итоги

Раздел 7 Покоряя пустоту

Энергетика будущего

Начнём с положительных сторон термояда

Но какие проблемы у термоядерных реакторов всё же есть?

Космические холод, давление и плазма: прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости

Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?

Эффект Мейснера

К чему всё идёт?

Возможна ли сверхпроводимость без охлаждения?

Зачем создавать термоядерный реактор, если у нас уже есть один работающий?

Когда в космос?

Не отстаёт и Китай

В России тоже появилось своё видение этих технологий

Так может всё-таки в космос?

Самый очевидный выход – отправить солнечную электростанцию в космос

Малозаметные минусы космической солнечной энергетики

Так запускать или не запускать солнечные электростанции в космос?

Атом, атом и ещё раз атом

Энергия из дождя и воздуха

Уже сертифицирован проект первого малого ядерного реактора

Первые шаги по созданию портативного ядерного генератора для Земли и космоса

Всё хорошо, но, как всегда, есть пара вопросов

Заключение

Ссылки