Марсианский укроп и «атомный тормоз»: что остановит Илона Маска на пути к четвертой планете?

Чтобы надежно вернуться с Марса, надо добыть там топливо на обратную дорогу. А у нас пока ни базы, ни энергии для добычи топлива на месте. Как SpaceX будет выходить из этой непростой ситуации?.Источник изображения: Wikimedia Commons

Химические двигатели для полета на четвертую планету требуют — как бы неожиданно это ни прозвучало — доставки туда ядерного реактора. Причем такого, которого пока нет у США и который проще всего разработать «Росатому». Вряд ли Москва и Вашингтон в ближайшее время смогут договориться по этому поводу. Так что реальное освоение Марса будет напоминать «американские горки» — не только взлетами и падениями, но и полной непредсказуемостью всей его траектории. Naked Science попробовал разобраться в деталях этой истории.

Затраты энергии на путешествие в космосе часто обозначают через «дельта V» — изменение скоростей, нужное, чтобы попасть из точки «а» в точку «б». В случае Земли для выхода в космос необходима «дельта V» 9,3-10 километров в секунду, а чтобы добраться после этого до Марса — 4,1 километра в секунду. Реалистично рассуждая, «дельта V» тут более 14 километров в секунду. Это огромная разница с ~11 километрами в секунду, нужными для полета на Луну. И главное: чтобы вернуться с Красной планеты, эти 14+ километров в секунду придется приложить дважды.

Значит, полеты к Луне — или к карликовой планете Церера в Поясе астероидов, потому что энергетические затраты в этих случаях примерно равные — будут принципиально отличаться от высадки на Марс. До Луны или Цереры можно дотянуть со своим запасом топлива, взятым на Земле, и даже вернуться. «С Марса выдачи нет»: тот, кто туда сел, уже не сможет взлететь с запасом топлива, полученным еще на Земле. Слишком уж большая для посадки на него нужна «дельта V»: точных расчетов пока нет, но, судя по всему, она съест всё (или почти всё) топливо. Следовательно, горючее и окислитель придется (и Илон Маск первый признает это) добыть на Красной планете, а это займет время — и, получается, вынудит построить базу.

Схема необходимых изменений в скорости для достижения различных точек в ближнем космосе. LEO — низкая околоземная орбита  

Источник изображения: Wikimedia Commons

Но даже если бы с Марса на Землю можно было вернуться без дозаправки, строить базу покорителям Марса все равно пришлось бы: Красная планета попадает примерно на одну линию (проведенную от Солнца) с Землей только раз в два года. Полет туда займет четыре месяца даже у Starship, а менее энерговооруженные средства доставки потребуют полгода. Значит, когда земной корабль высадится на чужой планете, возвращаться обратно будет уже поздно: Земля «уплывет» так далеко, что придется ждать ее нового сближения с Марсом — не менее 22 месяцев. Итак, строительство базы кажется неизбежным. Но это сотни тонн конструкций, а земной корабль столько доставить просто не сможет. Что же делать?

А где у вас тут на Марсе стройматериалы продают?

Обычно считается, что размещать людей — видимо, астронавтов, ведь, скорее всего, первыми (да и вторыми) там побывают именно они — на четвертой планете придется в укрытых толстым слоем грунта убежищах. Причина — в радиации: по данным «Кьюриосити», ее уровень там 0,23 зиверта в год. На Земле она составляет всего 0,00032 зиверта в год — в 72 раза слабее. Кажется логичным, что от ионизирующей радиации надо защищаться, ведь она опасна, не правда ли?

Шон О’Киф, бывший глава NASA, так и говорит: «У нас нет достаточных средств радиационный защиты, чтобы защитить человеческую жизнь там. Вы даже туда не долетите из-за нее, не то что обратно не вернетесь».

Но, чтобы разместить базу в грунте, нужны готовые герметичные конструкции, которые можно будет этим самым местным грунтом засыпать. Прозвучавшее не раз предложение «напечатать» стенки из марсианского реголита на 3D-принтере — увы, больше похоже на фантазию, чем на реальный план. Даже металлические стенки могут слегка пропускать газы. Стенки из грунта, даже в случае его термической обработки, неизбежно будут слишком «текучими». А ведь кислород и азот на четвертой планете — страшный дефицит, рисковать их потерей никто не будет.

Оранжереи, жилые модули, поля солнечных батарей… Все это так романтично, но откуда на все это возьмутся материалы?

Источник изображения: SpaceX

Чтобы наладить производство топлива — метана и кислорода — в марсианских условиях, нужно как минимум полдюжины человек. Двое должны заниматься посменной работой по доставке водного льда снаружи. Ведь именно из водного льда, которого там очень много, придется брать кислород и водород — основу для дальнейшего получения метана. Еще двое должны следить за работой химической установки, перерабатывающей водное сырье на самой базе. Еще двоим надо подстраховывать первые две группы и обслуживать базу. Много людей при первой посадке иметь тоже нежелательно: им понадобится слишком много еды, скафандров и тому подобного.

База для полудюжины человек должна иметь размеры примерно как у Международной космической станции. Масса МКС — более 400 тонн. Марсианской базе сложнее будет получить электроэнергию: на орбите Красной планеты Солнце втрое тусклее, чем на околоземной. Средств получения энергии потребуется больше. Значит, масса местной базы может быть даже больше 400 тонн.

Но полезная нагрузка Starship — 100 тонн, от силы 150 тонн. Корабль не сможет доставить одновременно и герметичные модули для базы на шесть человек, и самих этих шестерых.

Быть может, базу нам заранее построят автоматы?

Здесь всплывает другое решение, которое часто описывали в научной фантастике, а теперь и в научпопе. Почему бы не послать на Марс с первым Starship роботов, которые как-то смогут построить базу из подручных материалов? В худшем случае просто опрокинув Starship условным домкратом в лежачее положение и обсыпав его грунтом для защиты от радиации?

Увы, эта идея основывается на систематически плохом информировании большинства землян о реальном уровне развития доступной им робототехники. Если мы будем принимать на веру то, что пишет пресса, то у нас уже есть роботы, активно исследующие другие планеты, — типа «Кьюриосити». На нашей планете активно ездят робоавтомобили, не нуждающиеся в водителе. А роботы в строительстве, промышленности и даже сборе яблок того и гляди оставят простых людей без работы.

Perseverance c тонну весом, почему бы таким как он не построить марсианскую базу еще до прибытия туда людей?

Источник изображения: Wikimedia Commons

Реальность заключается в том, что у наших роботов, во-первых, нет мозгов. От этого все, на что они способны, — выполнение заданных программистами алгоритмов, которые часто приводят к сбою в любой ситуации с непредсказуемо меняющимися факторами среды. Во-вторых, система передвижения наших роботов намного менее эффективна, чем у человека. Тот (если он тренирован) может без еды пробежать по бездорожью ногами 300 километров без остановки, а роботов, которые на такое способны, точно нет. Человек может карабкаться по горным склонам на километры, залезать на деревья и много чего еще. Роботов, которые в силах сотворить что-то подобное на нашем уровне, не существует. Степеней свободы у их манипуляторов намного меньше, чем у нас.

Да что там говорить: у нас до сих пор нет серийных роботов-пылесосов, которые могли бы подняться по лестнице. Не говоря уже о том, чтобы почистить себя сами. А если их не будет чистить хозяин, они быстро перестают работать. Еще хуже ситуация для роботов на других планетах. «Кьюриосити» в роботизированном режиме может проехать всего сотню метров, а потом останавливается и ждет ежесуточного набора команд с Земли.

Делает он это не потому, что операторам нечем больше заняться, а так как даже при столь архиконсервативном режиме работы земные марсоходы периодически въезжают в дюну, из которой не способны выбраться. Иногда это ведет не просто к потери времени, а к их гибели. Связанный с проектом «Кьюрисити» сотрудник Института космических исследований РАН Алексей Малахов говорит прямо: ожидать реально роботизированные (а не управляемые с Земли раз в сутки, в силу ограничений связи) марсоходы стоит не раньше, «чем подобные системы без каких бы то ни было ограничений приживутся на Земле». Иными словами, мы до всего этого просто не доживем.  

Вывод: о строительных работах на Марсе силами автоматов надо сразу забыть. Сеансов связи раз в сутки и 100 метров аккуратной езды со скоростью улитки — как у «Кьюриосити» — никак не хватит для бульдозерно-экскаваторных работ на чужой планете. Лучшая иллюстрация этого — то, что за полвека исследований Марса максимальная глубина, на которую наши роботы его вскопали, так и не превысила 45 сантиметров.

Конечно, обсыпать грунтом какие-то модули легко смогут люди. Из опыта лунных экспедиций известно, что человек даже в неудобном скафандре и с простейшим шанцевым инструментом в силах накопать радикально больше и быстрее, чем любой созданный нами космический автомат. Но все равно получается, что базу придется строить первой же экспедиции землян, а никак не эффективным роботам, существующим пока только на страницах фантастических книг. 

Если читатель задался вопросом, что же мешает использовать как базу беспилотный Starship, приземлившийся до пилотируемого, отметим: положить Starship на брюхо, чтобы обваловать его лежащим, теоретически можно. Однако обсыпать грунтом даже лежащий цилиндр высотой в девять метров и длиной в десятки метров для полудюжины человек сложная задача. Но на Марсе все же приличная сила тяжести, при этом корабль почти наверняка разгерметизируется от удара или длительной деформации на неровностях грунта.

Starship «станет моральной катастрофой», как пишет западная пресса?

У нас получается классическая дилемма «курица и яйца». Без базы нельзя вернуть людей с Марса на Землю, но базу до Красной планеты не на чем привезти: не хватит полезной нагрузки самого корабля. Как выйти из ситуации?

Самой простой — и единственно реальный — путь предлагает ключевой разработчик Starship, Илон Маск. Он считает, что радиационная защита для астронавтов на Марсе вообще не нужна. А раз так, то не нужна и база: достаточно жить на борту «примарсившегося» Starship. Благо герметичного объема там более тысячи кубометров, как раз как на МКС.

Его позиция — одна из причин, почему обычно политкорректная западная пресса называет его корабль «более моральной катастрофой, чем ярким шагом в освоении космоса». Астробиолог Саманта Рольф (Samantha Rolfe) из Хартфордширского университета Великобритания так и пишет: «Я не уверена, что честно или этично ожидать от астронавтов того, чтобы они подвергли себя воздействию опасных уровней радиации, которая может принести им серьезные проблемы со здоровьем — или, еще хуже, смерть».

Темная сторона силы проявляется у Starship не только в отсутствии выделенной защиты от космических лучей. Астробиолог Саманта Рольф ставит ему в вину и то, что при частых полетах система даст значительный объем выбросов углекислого газа. Мы даже не будем пытаться всерьез комментировать это, в силу очевидных логических проблем ее позиции

Источник изображения: Wikimedia Commons

Однако астробиолог, как и процитированный выше глава NASA, неправ, а Маск — прав. Радиационная защита первой экспедиции на Марс в самом деле не нужна. Чтобы понять почему, надо выяснить не то, во сколько раз радиация в марсианской экспедиции выше земной, а то, какой ее уровень действительно опасен для Homo sapiens.  

Итак: безопасный уровень радиации, по расчетам NASA и «Роскосмоса», равен 0,5 зиверта в год (а суммарный на всю карьеру астронавта — до 4,0 зиверта). Маск планирует доставить людей на Марс за четыре месяца, но мы будем консервативны и посчитаем, что у него не выйдет быстрее, чем за полгода. «Кьюриосити» летел туда без малейшей радиационной защиты именно полгода и насчитал по пути 0,33 зиверта. Еще год на Марсе — плюс 0,23 зиверта, с обратной дорогой выходит: 0,33+0,23+0,33=0,89 зиверта за два года, или заметно менее нормативных 0,5 зиверта в год.

Ограничения по радиационной угрозе за все время жизни астронавта. Легко видеть, что типичные дозы для экспедиции на Марс вполне умещаются в этих (и без того сверхосторожных) рамках 

Источник изображения: NASA

Мы должны сделать оговорку. Цифры и NASA и «Роскосмоса» — расчетные, основаны на довольно сомнительной линейной беспороговой гипотезе. В научной литературе о ней прямо пишут так: «преднамеренно сверхконсервативная основа для стандартов радиационной защиты». Сверхконсервативная она потому, что делает пока ничем не доказанное предположение, что дозы радиации, не вызывающие лучевой болезни и иных подлежащих обнаружению симптомов, все равно как-то наносят вред здоровью — например, повышают риск рака.

Но доказательств этим опасениям нам не найти: ряд работ прямо показывают, что это не так, а низкие дозы радиации, меньше определенного порога, вообще не демонстрируют никакого вредного воздействия на организм.

Поэтому в реальности порог в 0,5 зиверта в год — предельно консервативный. Достоверно известен случай, когда человек получал по три зиверта в год многие годы подряд, но никакого вреда для здоровья от этого так и не было.

Да, есть примеры научных работ, в выводах которых написано: «Космические лучи нарушают умственные способности грызунов». Но если внимательно прочитать сам текст работы, то выясняется: грызунов подвергали воздействию 0,3 грея в виде ядер атомов титана-48! Между тем лишь ничтожная часть космических лучей состоит из настолько тяжелых (и поэтому глубоко проникающих) атомов. Большинство ядер в космических лучах — ядра атомов водорода, гелия (в десятки раз легче ядер титана), от силы — углерода (кратно легче ядер титана). Легкие ядра атомов интенсивно тормозятся в покровных тканях живых существ и почти не достигают мозга. Иными словами, подобные работы не очень корректны: они подвергают грызунов совсем не такому облучению, как в космосе.

Чтобы понять, насколько это некорректно, стоит напомнить: ядра атомов таких элементов, как титан, пересчитывают в дозу в зивертах, умножая в 20 раз. Попросту говоря, биологический эквивалент 0,3 грей из статьи про «вред космических лучей для здоровья» — примерно шесть зиверт. То есть речь о дозе, равной семи экспедициям на Марс подряд. Только несчастным грызунам ее «вкатили» не за 14 лет, как реальным путешественникам на Марс, а за считаные минуты. Будто мыши попали под близкий ядерный удар. Шесть зиверт, полученных за минуты, для большинства из людей действительно закончатся летальным исходом.

На этом фоне намного честнее выглядит работа российских ученых в Neuroscience, где крыс линии Вистар подвергли 860-дневному облучению, имитирующему типовую двухлетнюю экспедицию на Марс. Что важно, животных «бомбили» не одними только ядрами атомов титана, которых в космосе ничтожно мало, а реалистичным набором космических лучей — тем, что встречается в природе, из куда более легких частиц.

Правда, с вредом от радиации там ясности так и не возникло, поскольку обнаружить его в эксперименте не удалось. Вместо этого радиационное воздействие улучшило когнитивные возможности крыс в сравнении с контрольной группой. Хотя механизм этого улучшения неизвестен, авторы честно отмечают, что позитивные воздействия подобных доз радиации — включая антидепрессантное — открыли задолго до них.

Почему же тогда многие специалисты по космосу утверждают, что полеты на Марс для человека из-за радиации недоступны? Возможно, свою роль играет то, что ни NASA, ни «Роскосмос» сами лететь к Марсу не планируют, а попытки показать, почему такие планы SpaceX «опасны», — довольно типичная тактика в условиях, когда надо как-то оправдывать свое бездействие перед правительством и налогоплательщиками.

Два года выживания вне Земли: чем дышать и что пить?

Хорошо, вопрос о том, строить ли базу на четвертой планете, решен. И без нее люди там вполне защищены по стандартам NASA, отчего обваловывать их жилища грунтом как минимум в первой экспедиции точно не надо. Значит ли это, что выжить будет просто?

Увы, нет. Причин — две. Во-первых, два года выживания в космосе без поставок с Земли объективно сложны. Да, экипажи МКС живут так уже два десятка лет. Но туда регулярно привозят воду и еду. А что делать марсианским колонистам?

Водяного льда на Красной планете даже у экватора как минимум сотни миллионов тонн, как установили российские ученые из Института космических исследований РАН. Все это нужно будет первой экспедиции туда, чтобы наработать метан и кислород для Starship.

Усилия на производство 1200 тонн топлива для Starship так велики, что даже «крошки» с топливного стола дадут достаточно воды и кислорода (второй — побочный продукт процесса получения горючего), чтобы участники экспедиции могли без проблем дышать пару лет. Ведь при дыхании мы потребляем всего килограмм кислорода в сутки, а воды выпиваем лишь пару литров.

Марсианская еда: советский опыт

Шесть человек за два года съедят примерно четыре тонны еды — столько ее можно закинуть в Starship без особых сложностей. Однако следует смотреть в будущее вперед: следующие экспедиции потребуют намного больше людей, а те — намного больше еды. Следовательно, лучше задуматься и о самообеспечении.

В 1972 году в Институте биофизики РАН (Красноярск) построили герметичное помещение на 315 кубометров (14х9 на 2,5 метра) со стенами из нержавеющей стали. Интересно, что это примерно треть внутреннего объема Starship — тоже, кстати, построенного из нержавейки. В помещение заселили троих условных «космонавтов», поставили четыре отсека с микроводорослями и оранжереями. Водоросли поглощали выдыхаемый людьми СО2 и выделяли кислород, а оранжереи поставляли карликовую пшеницу (чтобы занимала меньше места), сою, салат, чуфу (источник растительного масла), картошку, редис, морковку, свеклу, капусту, огурцы и прочие укроп с луком.

Фитотроны, где выращивались съедобные растения в ходе эксперимента БИОС-3

Источник изображения: Wikimedia Commons

Площадь под растения требовалась небольшая: оказалось, та же пшеница в оранжерее может давать до шести урожаев в год. Троим «бионавтам» доставалось по 300 граммов выращиваемых ими хлеба и 400 граммов овощей в сутки. 80% всего, что они ели, бралось именно из оранжерей, и только 20% животной пищи поступали с консервами. Эксперимент назывался «БИОС-3» и длился полгода (короткий популярный фильм о нем можно увидеть здесь). Его можно было продлить, но…

«Стало ясно, что продолжать его нет смысла: созданная в «БИОСе» замкнутая система жизнеобеспечения работает безукоризненно. Искусственно созданный конвейер по производству воды, кислорода и пищи сбоев не дает».

Двое из троих бионавтов БИОС-3. У одного в руках колосья пшеницы. Справа от кадра находится минимельница для помола зерна в муку. Хотя пшеница кажется не очень практичной для замкнутой экосистемы, на деле она показала отличную урожайность и высокое содержание белка

Источник изображения: Wikimedia Commons

Это проверенное решение намного лучше подхода печально известного американского эксперимента «Биосфера-2», когда под куполом пытались воспроизвести полноценную экосистему. Бактерии и тараканы там неуместно размножились, и вся эта биота начала активно конкурировать за кислород с человеком: дышать внутри стало затруднительно. Избежать такого исхода просто: экосистема «БИОС-3» была простой, поэтому надежно контролируемой. Неудивительно, что Илон Маск не просто так читал советские материалы по космической отрасли: не приходится сомневаться, что он в курсе результатов «БИОС-3». И наверняка использует их на Марсе.

Последний штрих: энергетическая ловушка

Итак, землянам на Марсе действительно понадобится база уже в первом полете. И ею, без вариантов, придется сделать сам корабль, который достигнет четвертой планеты. На нем придется построить фитотроны, как в «БИОС-3», а там будут колоситься пшеница и укроп. От углекислого газа избавит реактор Сабатье, а кислород станут получать из местной воды, которой там в избытке.

Американская «Биосфера-2» на фото выглядит намного лучше «БИОС-3», но для практического воспроизведения в космосе такой эксперимент рекомендовать, конечно, крайне опасно. Что уж: с ним и на Земле возникли слишком большие проблемы

Источник изображения: Wikimedia Commons

Тем не менее это не значит, что мы решили все проблемы и жизнь экипажа будет сказкой. Каждый день ему придется на транспортных платформах путешествовать за тонной-другой льда, вырубаемого из верхних слоев грунта, где он прикрыт лишь тонким слоем реголита. Эти куски придется растапливать в ваннах внутри Starship, а потом разлагать электролизом. Затем реактор Сабатье сделает из водорода, кислорода и углекислого газа местной атмосферы метан + кислород для двигателей Raptor.

И тут начинаются настоящие проблемы. Как показал бывший сотрудник NASA Роберт Зубрин в научной работе еще 2012 года, одна тонна метан-кислородного топлива процессом Сабатье получается при затрате 17 тысяч киловатт-часов. В эти 17 тысяч киловатт-часов на тонну топлива не входят энергозатраты на получение водорода и кислорода, без которого реакция Сабатье не пойдет. Килограмм водорода требует минимум 40 киловатт-часов, а для заправки Starship его нужны многие десятки тонн. Да и кислорода потребуется сильно больше 800 тонн. Чтобы успеть наработать 1200 тонн топлива за год, Starship понадобится, во-первых, более 20 миллионов киловатт-часов на реакцию Сабатье, а, во-вторых, около четырех миллионов киловатт-часов на добычу (и хранение при очень низких температурах) кислорода и водорода.

Наивные картины ветряков, помогающих решить проблему с энергией на Марсе игнорируют тот факт, что атмосфера здесь в 150 раз менее плотная, чем на Земле

Источник изображения: Wikimedia Commons

Кстати, вес нужного химического реактора по Зубрину — 50 килограммов на килограмм нарабатываемого топлива в сутки. Для наработки 1200 тонн топлива за год Starship потребуется установка, делающая не менее трех тонн топлива в сутки: то есть весом до 100-150 тонн. Допустим, оборудование для химического реактора Сабатье можно посадить при помощи беспилотного Starship заранее, где-то в районе высадки Starship пилотируемого. С трудом, но в его полезную нагрузку нужный химический реактор «влезет».

Но вот где взять примерно 25 миллионов киловатт-часов для наработки топлива? Самые совершенные фотоэлементы (на арсениде галлия) даже на экваторе Марса за года дадут около 500 киловатт-часов на квадратный метр. Понятно, что привезти с собой более 50 тысяч квадратных метров солнечных батарей — без которых 25 миллионов киловатт-часов не сделать — будет крайне сложно. Ведь они довольно много весят. А еще их надо как-то расставить на местности (плюс вес стоек и крепежа), соединить (плюс вес кабелей), убирать с них пыль (для чего отвлекать дополнительных людей, которых надо кормить, поить и так далее).

Значительно проще привезти на четвертую планету реактор с электрической мощностью в несколько мегаватт. Следовательно, придется отправить еще один пустой Starship (с атомным грузом). Зато реактора как раз хватит и на процесс Сабатье по наработке метана (если вести его круглые сутки), и на расщепление воды на водород и кислород, и на все остальные потребности экспедиции.

Но есть проблема: у SpaceX нет «атомных» лицензий, а в условиях США это значит, что работать над атомными реакторами не смогут. У NASA реакторов с электрической мощностью полтора мегаватта нет даже в проекте. Что-то отдаленно подобное есть в проектах у «Роскосмоса». Но состояние отношений между нашими двумя странами таково, что всерьез рассчитывать на российский реактор Вашингтону сложно.

Пока Маск уверенно говорит лишь о стыковках Starship с танкерами на той же платформе в околоземном пространстве. Но если SpaceX не обзаведется ядерным источником энергии, очень вероятно, что многочисленные стыковки с подобными танкерами потребуются и на орбите Марса: иначе садящемуся на Красную планету Starship не хватит топлива, чтобы вернуться на Землю. Скажем прямо: стыковки на марсианской орбите значительно повышают риски для всего путешествия

Источник изображения: Wikimedia Commons

Есть ли выход из этой ситуации? Пока только чисто теоретический. Можно попробовать отправить на орбиту Марса — а то и на его поверхность — дюжину Starship, каждый из которых доставит на поверхность чужой планеты по 100 тонн топлива. Но тогда для возврата людей туда придется безаварийно посадить больше десятка космических кораблей. Причем сажать их надо будет близко друг к другу, а это небезопасно. Сажать подальше нельзя: перекачка жидкого кислорода и метана на заметные расстояния на другой планете — сверхрискованное и материалоемкое занятие.

Даже если SpaceX справится с задачей, выйдет довольно дорого. Если хоть один из кораблей потерпит аварию, люди оттуда могут и не вернуться. Конечно, они могут еще много лет прожить на поверхности, питаясь растительной пищей из фитотронов и добывая местную воду. Но с точки зрения пиара такое решение точно не выглядит привлекательным. Полеты на Марс не могут быть дорогой в один конец.

Из всего этого следует довольно неожиданный вывод. Либо SpaceX придется создать свой атомный реактор многомегаваттной мощности, либо — учитывая степень неприязни между Россией и США — первая высадка на Красную планету превратится в какое-то совершенно невероятное приключение. Причем с непредсказуемым концом.