Коли ми полетимо на Марс і Венеру? Колонізація Сонячної системи

У липні 1969 року навряд чи хтось міг засумніватися в тому, що маленький крок Ніла Армстронга на місячний грунт – став величезним стрибком для всього людства. Найсміливішим письменникам почали маритися скляні куполи місячних міст і новий Дикий Захід в поясі астероїдів – з ордами старателів, які видобувають мінерали. Автори менш романтичні, взявши за основу реальний досвід колонізації Антарктиди, описували мережу дослідних баз в місячних кратерах і ржавих пустелях Марса.

Аналогія з Антарктидою дійсно здавалася переконливою. Але щось пішло не так.

База на Місяці

Порівнювати Антарктиду з Місяцем – пропаща справа. І зовсім не тому, що Місяць дуже далеко і там абсолютно немає повітря. Пов’язані з цим труднощі вважалися переборними ще півстоліття тому. Просто велика частина досліджень біля Південного полюса має прикладне, а в деяких випадках навіть стратегічне значення. Місяць же поки представляє чисто академічний інтерес. І він настільки малий, що в середині 70-х років минулого століття в її дослідженнях настала тривала перерва. Розглядаючи в понад-чіткі телескопи поверхню найближчого до нас небесного тіла, астрономи не знаходили там анічогісінько цікавого.

Не менш важлива і різниця в характері наукової роботи. В Антарктиці досліджують в першу чергу процеси, що протікають в льодовому панцирі, атмосфері і магнітосфері. Вивчення процесу передбачає регулярні вимірювання, а для цього потрібні постійні бази. На Місяці ж взагалі нічого не відбувається. Шар реголіту росте надто повільно, щоб спостерігати його в реальному часі.

Проте в історії освоєння Місяця і Антарктиди є явні паралелі. Після «престижного» етапу, коли Південний полюс розглядався тільки як точка, в яку за всяку ціну необхідно встромити прапор, до Антарктикинадовго втратили інтерес. Потім настала фаза перших наукових експедицій, які вчинили несподівані і гучні відкриття: виявилося, що під льодом по звивистих тунелях течуть річки, а в глибині континенту є таємничі кам’яні оазиси …

І Місяць, зігравши роль призу в змаганні великих держав, пережила десятиліття забуття. Але вже в XXI столітті, коли за першим, вкрай поверховим етапом вивчення постало наступне, більш продуманий, вражаючі відкриття не змусили себе чекати. Виявилося, що на супутнику Землі в недоступних сонячним променях приполярних кратерах є вода! Така вода – крім того, що вона має величезну історичну цінність, – може багато розповісти про склад первинних океанів нашої планети.

Полярні кратери, температура в яких завжди залишається близькою до абсолютного нуля, можуть виявитися ще й ідеальним місцем для розміщення інфрачервоного телескопа, здатного «бачити» дуже холодні і майже не освітлені космічні тіла на межі Сонячної системи. Ось і відповідь на питання, навіщо нам потрібна база на Місяці!

Технології не стоять на місці, і якщо в 1960-х для відправки астронавтів на Місяць була потрібна ракета масою майже 3000 тонн, то тепер можна обійтися ракетами в півтора рази легше. Сьогодні можливий більш швидкий, дешевий і безпечний «прямий» переліт – без поділу і подальшого стикування на місячній орбіті посадкового і повертається модулів, як робилося в рамках програми «Аполлон». І важких ракет знадобиться зовсім небагато: база не повинна бути більш масштабним спорудою, ніж давно і плідно працює на орбіті МКС. Затівати на Місяці капітальне будівництво недоцільно. Пристрій форпосту буде модульним, як у орбітальній станції, – з тією лише різницею, що стикувати модулі необхідності немає.

Якщо обмежитися відпрацьованими в 1980-х роках 2000-тонними РН, то після посадки на Місяць кожен модуль буде мати масу близько 20 тонн. Шоста її частина припаде на опори, двигуни і спустошені під час гальмування паливні баки. Тому 17 тонн корисного навантаження – цілком вистачить на двомісний корабель з достатнім для повернення на Землю запасом пального. У тісних пілотованих модулях персонал буде прибувати на Місяць і залишати її. А жити і працювати космонавти зможуть у відносно комфортних житлових модулях, за обсягом (80-100 кубометрів) можна порівняти з першими радянськими орбітальними станціями «Салют».

Крім одного-двох житлових модулів, базі знадобиться ще й модуль енергетичний – з ядерним реактором. Сонячні батареї марні на дні полярного кратера. Садити цей модуль, звичайно ж, краще подалі від інших і за який-небудь природною перешкодою.

Можливо, потрібен буде спеціальний інтеграційний модуль з котушками проводів, за якими електроенергія передаватиметься від реактора до інших модулів бази, в число яких неодмінно увійдуть інфрачервоний телескоп і бурова установка. Адже лід повинен залягати під шаром реголіту завтовшки від одного до восьми метрів. Будуть потрібні ще вантажні модулі для доставки припасів і техніки і як мінімум один міжпланетний рефрижератор для відправки видобутого льоду на Землю.

Ціною чотирьох-шести пусків важких РН в рік діяльність бази можна буде підтримувати кілька років. Потім в реакторі вигорить уран, телескоп застаріє, а механізм бурової установки безнадійно заклинить зім’ятим тюбиком з-під борщу. Звичайно, можна доставити з Землі іншу … тільки навіщо? Первісна програма досліджень напевно буде виконана, а якщо з’являться нові ідеї, то і базу розумніше створити нову – там, де нерозкритих поки таємниць більше, а сміття, відповідно, менше.

Людина на Марсі

Зараз, коли можливості автоматики стрімко ростуть, майбутнє пілотованої космонавтики викликає питання. Проте в доступній для огляду перспективі польоти з екіпажем залишаться економічно виправданими. На орбіті космонавти виконують функції наладчиків, ремонтників та лаборантів. Регулярне технічне обслуговування приладів, можливість настройки, усунення неполадок і багаторазового використання одного пристрою в різних схемах дозволяють зробити експлуатацію обладнання більш ефективною.

Друга причина відправляти людину в космос пов’язана зі швидкістю зв’язку. Затримка сигналу між Землею і Місяцем – менше двох секунд. Але і це дуже ускладнювало управління місяцеходами. До Марса ж навіть в момент максимального зближення світло йде три хвилини. Крім того, потужність передавача міжпланетної станції не може бути велика. Хто приходить із космічного відстані сигнал слабкий і тоне в шумах. Його відновлення і розшифровка вимагають колосальних обчислювальних потужностей і займають багато часу. А що знаходиться поблизу оператор зможе за допомогою дрона обстежити велику територію і отсматрівать приходить з камер автомата «картинку» в реальному часі. Фокусуючи апаратуру на цікавих деталях, людина збере в 10 або навіть в 100 разів більше інформації, ніж робот.

Пілотована експедиція на Марс має сенс. Але спершу потрібно створити електроядерний (плазмовий) двигун, розробки якого зараз ведуться в РФ і США.

При наявності реактора потужністю 4 мегават можна доставити на Марс трьох осіб за 140 діб на кораблі масою близько 150 тонн. На припаси і корисне навантаження доведеться 20-25 тонн, а на гелій, який буде служити робочим тілом двигуна, всього 40 тонн. Витрачаючи по 140 кілограмів газу в день, плазмолёт зможе рухатися з крихітним, але постійним прискоренням. Причому збільшувати швидкість, скорочуючи загальну масу корабля або підвищуючи потужність двигуна, сенсу немає. Оптимальна з точки зору небесної механіки тривалість місії – 14 місяців – залишиться колишньою.

Корабель масою 150 тонн, в принципі, можна повністю підготувати до польоту на Землі і вивести на орбіту вже з екіпажем на борту. Але це навряд чи виправдано, так як розрахований на 10 або 20 років експлуатації (реактор буде потрібно періодично обслуговувати) апарат повинен бути пристосований саме до заправки і навантаження в космосі.

Через сильнішу гравітацію і наявності атмосфери злетіти з Марса значно складніше, ніж з Місяця. Але якщо місячний пілотований модуль попрямує відразу на Землю, то марсіанському досить вийти на низьку орбіту, де його підбере корабель. З урахуванням цього можна створити посадочний модуль масою не більше 25 тонн – а значить, доставка людини на Марс цілком здійсненна. Хоча програму досліджень доведеться скоротити до мінімуму: посадка, проголошення історичних реплік, установка прапора, фотосесія, збір камінчиків на пам’ять і поспішний відліт. Навряд чи варто будувати електроядерний крейсер тільки для цього.

Як мінімум перша експедиція повинна полетіти нема на Марс, а до Марса. Корисне навантаження при цьому складе касета з орбітальними апаратами. Супутники займуться розвідкою, визначаючи точки, куди варто висадити марсоходи і куди потім відправляться мініатюрні човники – для підйому на орбіту капсул із зібраними зразками грунту.

Оскільки екіпаж з трьох чоловік не зможе ефективно керувати великою кількістю дронів, після першої експедиції в навколомарсіанському просторі залишиться декілька невикористаних апаратів. Задіяти їх, нехай і з куди меншим ефектом, можна буде і з Землі. Якщо стратегічною метою залишиться саме висадка людини, в наступних місіях корисне навантаження складе спочатку житловий модуль, потім вантажний – з припасами та обладнанням. І тільки в останню чергу на орбіту Марса буде доставлений посадковий апарат.

Попередня розвідка дронами, керованими з орбіти, і створення тимчасової бази як мінімум з двох службових модулів дозволять провести висадку там, де знайдеться щось цікаве і вимагає особливої ​​акуратності при вивченні. Виконувати тонкі маніпуляції киркою і лопатою, занадто відповідальні для того, щоб доручити їх роботам, космонавти зможуть протягом декількох тижнів.

Термоядерна епоха

Головним недоліком плазмового двигуна, мабуть, виявиться його марність для чого-небудь, крім досліджень Марса. Можна ще злітати до Венери, навіть до Меркурія, якщо кондиціонери дозволять, але Юпітер вже занадто далеко. Експедиція триватиме близько чотирьох років і зажадає величезних витрат.

На земній орбіті до кораблю доведеться стикувати додаткові баки з гелієм і ядерні прискорювачі для розгону. Та й самих кораблів знадобиться мінімум два: перший доставить екіпаж на місце, другий, заздалегідь відправлений до краю гравітаційної ями Юпітера, евакуює експедицію. А якщо ставити перед місією серйозні дослідницькі цілі – вивчення атмосфери Юпітера з низької орбіти і отримання зразків льоду з Європи і Ганімеди, – потрібно ще й третій корабель: транспортер автоматичних станцій.

Передумови для детального дослідження, а потім і колонізації всієї Сонячної системи з’являться лише після розробки термоядерного двигуна. Його поява очікується лише через 50-100 років: поки що є цілий ряд нерозв’язних перешкод до створення цього пристрою. Але коли їх подолають, обладнаний ТЯД космоліт вже буде повністю відповідати очікуванням нинішніх фантастів. Виключаючи хіба що гіперпросторові стрибки і наявність штучної гравітації на борту. Маса корабля, у всякому разі, стане цілком фантастичною – від 1000 тонн без вантажу. Збирати його доведеться вже на орбіті.

Динамічні характеристики, незважаючи на відносно повільний розгін теж виявляться цілком гідними. З корисним навантаженням 2000 тонн термоядерний корабель досягне орбіти Місяця за дві доби, Марса за 40-90 діб (в залежності від взаємного розташування з Землею), Юпітера за 120, Сатурна за 180, а Нептуна – за 380 діб. Причому майже все навантаження дійсно буде корисною: навіть на рейс до Нептуну і назад потрібно витратити не більше 150 тонн літію і 25 тонн водню. Якщо ж прийняти на борт замість вантажу 1500 тонн гелію для розгону на холодній тязі, політ до найдальшої з планет Сонячної системи триватиме лише 100 днів.

Чи не буде відповідати фантастичним очікуванням тільки зовнішній вигляд корабля. «Хребтом» його стане 100-метрова труба двигуна. Все інше – вантаж, населені відсіки, кабіна управління – буде являти собою набір з десятків 30-50-тонних модулів, що кріпляться до стикувальних вузлів. Максимальні габарити і маса модулів будуть залежати від місткості повітряно космічних літаків, що доставляють вантажі на орбіту. Призначення ж модуля може виявитися будь-яким – від бака з гелієм до капітанської рубки корабля або купейного вагона.

У термоядерну епоху тури на Місяць будуть здійснюватися масово, прогресивним контейнерним способом. Герметичний модуль з туристами, внутрішня поверхня якого є суцільний екран зовнішнього огляду, запечатується в космопорту, після чого транспортером доставляється на борт орбітального літака з прямоструминними двигунами.

На орбіті маніпулятор витягує модуль з вантажного відсіку шатла і стикується до місячного лайнера. Потім – політ на термоядерній тязі до орбіти Місяця і доставка модуля ядерним буксиром до поверхні, де електричний крокохід, піднявши пасажирський контейнер і включивши електронного гіда, проведе екскурсію до місця посадки Армстронга … Якщо прогулянка в скафандрах не включена в програму і нікому в салоні не буде потрібно термінова операція, то туристичний модуль можна взагалі не роздруковувати до повернення на Землю.

* * *

Поява термоядерного двигуна відкриє нову епоху, коли немислиме стане реальним. Протягом 20-30 років поблизу Землі буде ніде просунутись від космольотів, що заполонили паркувальні і навантажувальні орбіти. Адже на доставку однієї тонни вантажу з кільця астероїдів до поверхні Землі доведеться витратити лише 20 кілограмів літію-6. А він коштує недорого. Спалений човниковими літаками водень взагалі нічого не буде коштувати, так як енергія для його отримання електролізом води буде здобута ціною невиразно малих витрат того ж літію.

Коли витрати на будівництво космофлота і створення баз, які видобувають і дослідницьких (адже позаземні скарби насамперед потрібно знайти), перетворяться в прибуткове вкладення коштів, планети Сонячної системи відразу стануть набагато ближче.