Когда вы представляете себе проблемы, связанные с высадкой людей на Марс, вы, вероятно, думаете о больших проблемах: проектирование ракеты, которая доставит астронавтов через Солнечную систему, создание среды обитания, обеспечивающей их безопасность, и обеспечение того, чтобы у них была вода для питья и еда.
Это, безусловно, серьезные проблемы. Но самая серьезная проблема для исследования Марса человеком на самом деле может возникнуть в виде чего-то крошечного: пыли. Марс-одно из самых пыльных мест в нашей Солнечной системе, подверженное эпическим пылевым бурям, которые охватывают всю планету и могут длиться неделями. И эта пыль может вызвать проблемы во всем, начиная со здоровья астронавта и заканчивая посадкой транспортного средства на поверхность планеты и работой систем жизнеобеспечения.
Чтобы узнать больше о больших проблемах, вызванных этими крошечными частицами, мы поговорили с двумя экспертами по марсианской погоде и исследованию Марса человеком.
В чем проблема с небольшим количеством пыли?
Если вам кажется странным, что что-то такое маленькое, как пыль, может стать серьезной проблемой в освоении космоса, подумайте о множестве различных способов, которыми это, по-видимому, незначительное неудобство влияло на миссии в прошлом. Лунная пыль оказалась серьезной проблемой в миссиях "Аполлон", так как лунная пыль чрезвычайно острая и абразивная. Он прилипал ко всему из-за статического электричества и был настолько едким, что проедал скафандры и контейнеры.
“Эта пыль нанесла ущерб астронавтам, их оборудованию и системам”,-сказал Джоэл С. Левайн, профессор-исследователь в области прикладных наук в колледже Уильяма и Мэри, который был сопредседателем Научной аналитической группы НАСА по исследованию Марса человеком, в интервью Digital Trends. Даже когда астронавты попытались смахнуть пыль, они все равно отнесли ее обратно в лунный модуль, а затем в командный модуль. “В командном модуле было так много лунной пыли, что это фактически повлияло на несколько систем”, - сказал он. “Пыль все засорила”.
Проблема в том, что частицы пыли настолько малы, что они могут попасть во все – в любую крошечную дырочку, трещину или стык. Поскольку на Луне нет атмосферы, там нет эрозии, поэтому каждая частица похожа на крошечный осколок стекла. И пыль может изнашиваться или даже разрушать компоненты, такие как подшипники или уплотнения.
Пыль воздействовала и на самих астронавтов, вызывая раздражение дыхательных путей и глаз. Это вызвало такие проблемы, что в своих отчетах многие астронавты "Аполлона" назвали пыль значительным препятствием для будущих миссий на Луну. В настоящее время НАСА рассматривает лунную пыль как серьезную проблему для предстоящей миссии Artemis на Луну.
Токсичная угроза
Пыль на Марсе отличается от пыли на Луне. Марсианская пыль не такая острая, как лунная, — вместо этого она опасна для людей по-другому.
Первая проблема заключается в том, насколько малы частицы марсианской пыли. “Чем меньше он, тем больше вреда он может причинить", - объяснил Левайн. Крошечные частицы могут проникать в скафандры, шлемы или места обитания и вдыхаться астронавтами, вызывая медицинские проблемы, подобные заболеванию черных легких, которым обычно страдают шахтеры, вдохнувшие угольную пыль.
Вторая проблема заключается в том, токсична ли марсианская пыль для людей. Мы знаем, что марсианская почва содержит химические вещества, называемые перхлоратами, которые в небольших количествах встречаются здесь, на Земле, и которые, как известно, являются канцерогенными, вызывая проблемы со щитовидной железой и легкими. В атмосфере также присутствуют следы токсичных газовых металлов, а также химически активных газов, таких как перекись водорода и озон.
Это означает, что поверхность Марса очень химически активна, и в настоящее время у нас просто недостаточно данных, чтобы знать, насколько это может быть опасно для посетителей.
“Мы на самом деле не знаем состава пыли в атмосфере Марса”, - сказал Левайн. “Но перхлораты и следовые газовые металлы, например, хром, могут быть токсичными. На Земле их очень мало, и мы не знаем, какова их концентрация в земной коре атмосферы Марса".
И в отличие от лунных миссий, где астронавты проводили на поверхности несколько часов за раз, астронавты на Марсе проведут недели или месяцы, подвергаясь воздействию этой среды.
Вот почему такие агентства, как НАСА, готовятся защитить астронавтов от этого риска, разработав скафандры следующего поколения с улучшенным контролем пыли, чтобы уберечь исследователей от этих опасных частиц. Но для этого им нужно больше знать о потенциальных опасностях, от которых они защищают астронавтов. А для этого нам нужно будет доставить образец марсианской пыли на Землю для изучения.
Приземление в пыль
Однако угроза для астронавтов-это только одна часть проблемы пыли, как объяснил цифровым тенденциям Хосе Антонио Родригес-Манфреди, доктор технических наук в Испанском центре астробиологии (Centro de Astrobiología).
Понимание того, как пыль влияет на атмосферу, будет особенно важно для высадки будущих человеческих миссий на Марс. Это связано с тем, что количество пыли в атмосфере меняется в течение года и в зависимости от местоположения, и это может существенно повлиять на температуру и плотность воздуха на планете, а это влияет на работу парашютов и аэробных тормозов.
“Даже если знаний о пыли было достаточно для проектирования текущих миссий, таких как Настойчивость, этого недостаточно для будущего”.
Мы знаем, как высаживать марсоходы на поверхность Марса, хотя этот процесс, безусловно, нелегкий. Однако нынешние системы посадки будут недостаточно чувствительны для высадки людей. Это связано с тем, что современные системы посадки, такие как те, которые используются для миссий НАСА Curiosity или Perseverance rover, предназначены для обеспечения значительного запаса гибкости. Двигатели, используемые в системе входа, спуска и посадки, специально разработаны, чтобы быть больше и мощнее, чем в среднем необходимо, чтобы они могли справляться с изменениями температуры и плотности воздуха.
Но это превышение размеров имеет свои издержки с точки зрения веса и топлива. И что еще более важно, с ровером существует более приемлемая степень риска, чем с человеческой жизнью. “Если что-то случилось с Любопытством или Настойчивостью, это большая сумма денег”, - сказал Родригес-Манфреди. “Важная сумма денег, но это всего лишь деньги. В будущем, в человеческих миссиях, риск будет не только для денег, но и для жизни”. Поэтому необходимо как можно больше снизить риск. И для этого важно понимать, что такое пыль.
“Даже если знаний о пыли было достаточно для разработки текущих миссий, таких как Perseverance, этого недостаточно для будущего”,-сказал Родригес-Манфреди.
Воздействующие технологии на поверхности
Пыль также влияет на то, как работает технология, когда она оказывается на поверхности. Когда дело дойдет до марсохода Perseverance, который в настоящее время находится на пути к красной планете и должен приземлиться там в феврале 2021 года, он проведет эксперименты, чтобы выяснить, сможем ли мы производить материалы, необходимые для поддержания жизни на планете.
Одним из таких экспериментов является MOXIE, или Эксперимент по использованию ресурсов кислорода на Марсе на месте, который представляет собой небольшую демонстрационную версию кислородной машины. МОКСИ поглощает углекислый газ, которого в изобилии много в атмосфере Марса, и производит кислород. Идея состоит в том, чтобы проверить, работает ли эта технология так же хорошо на практике, как и в теории, и, если да, то в будущем построить гигантскую версию, которая могла бы обеспечить астронавтов кислородом, необходимым им для дыхания и топлива.
Проблема в том, что по мере того, как МОКСИ всасывает углекислый газ из атмосферы, он будет всасывать и пыль. Инженеры могут установить фильтры, чтобы удалить как можно больше пыли, но чтобы быть наиболее эффективными, они должны знать, какой тип пыли они будут фильтровать.
“Пыль имеет решающее значение для миссии”,-сказал Родригес-Манфреди. “Производительность MOXIE в конечном итоге будет зависеть от того, как фильтры, установленные на входах, могут быть заблокированы пылью. Знание размера пыли, ее обилия, даже если она сферическая, трубчатая или другой формы, повлияет на производительность этого фильтра”.
Когда дело доходит до машины, которая позволит астронавтам дышать, здесь нет места для ошибок. Безопасность любого человеческого экипажа должна быть главным приоритетом, и это означает, что мы делаем все возможное, чтобы понять, что может пойти не так с основными технологиями.
Почему на Марсе так пыльно?
Чтобы понять, как бороться с пылью, мы должны понять, откуда она берется. И чтобы понять это, нам нужно знать все о марсианской погоде.
Как и на Земле, на Марсе есть ветры, штормы, региональные и сезонные изменения погоды. Но в отличие от Земли, Марс имеет чрезвычайно тонкую атмосферу (около 1% плотности атмосферы Земли) и меньший размер и меньшую гравитацию (около 40% гравитации Земли). На Марсе также нет тектоники плит, и считается, что его внутренняя часть неактивна. Все эти факторы влияют на марсианскую погоду.
Более низкая гравитация означает, что газы в атмосфере легче уносятся в космос, поэтому со временем Марс теряет свою атмосферу. И атмосфера, в которой он находится, на 95% состоит из углекислого газа, который действует как парниковый газ. Это означает, что атмосфера сильно меняется из — за колебаний температуры и давления, а это означает, что крошечные частицы пыли разлетаются по всей планете.
Это приводит к сильным ветровым бурям со скоростью до 90 миль в час, которые поднимают пыль в атмосферу. Это может произойти одновременно по всему Марсу, окутав всю планету эпической глобальной пыльной бурей.
Марсианская пыльная буря-это не то, что ты думаешь
Когда вы представляете марсианскую пылевую бурю, вы можете представить себе огромные порывы ветра, которые переворачивают оборудование и волочат антенны по поверхности планеты, как пыльная буря, изображенная в начале фильма "Марсианин". Но это не совсем так, Родригес,-сказал Манфреди.
Бывают сильные порывы ветра, но они не стали бы опрокидывать оборудование и перетаскивать его повсюду. “Даже если у нас будут сильные ветры, у нас никогда не возникнет таких проблем с погодными условиями из-за плотности”, - объяснил он. Разреженная атмосфера означает, что если бы вы находились на планете при таком сильном ветре, это было бы похоже только на легкий бриз.
Но даже этого легкого ветерка достаточно, чтобы поднять частицы пыли, потому что они такие маленькие, и швырнуть их в глобальную пыльную бурю, которая покрывает все вокруг слоем пыли. Это явление в высшей степени необычно, и мы только начинаем понимать механизмы, с помощью которых оно действует. “Мы не знаем, как на такой планете, как Марс, ветры, которые у нас там есть, способны поднимать всю пыль одновременно”, - сказал он.
Чтобы понять, как формируются эти глобальные пыльные бури, нам нужно больше данных.
Узнаем о марсианской погоде
С этой целью компания Perseverance использует прибор под названием MEDA, или Анализатор динамики окружающей среды Марса. Родригес-Манфреди является главным исследователем MEDA, которая будет собирать данные о марсианской погоде. Он будет собирать данные об основных показаниях погоды, таких как температура, скорость и направление ветра, давление и влажность. И, что еще более важно, вместе с другими датчиками на планете, такими как датчики марсохода Curiosity и посадочного модуля Insight, он сформирует сеть метеостанций, которые помогут нам понять метеорологическую систему планеты.
Это поможет в решении масштабной задачи, которая заключается в прогнозировании погоды. Погодные системы сложны и хаотичны, когда небольшое изменение одного фактора в одном регионе может оказать большое влияние на погоду в другом регионе через несколько дней. Данные из этих точек на поверхности могут быть объединены с показаниями, полученными с орбиты, чтобы составить общую картину того, чего ожидать от марсианской погоды.
Однако есть еще одна ключевая функция MEDA, и она заключается в изучении самой пыли. На MEDA есть много различных датчиков, которые помогут предоставить информацию об этих частицах пыли. “Таким образом, в дополнение к общей экологической величине, MEDA сосредоточится на характеристике пыли”,-сказал Родригес-Манфреди.
Имея данные о количестве пыли в воздухе в разное время суток, а также данные о форме и размере частиц пыли, будущие инженеры могут построить системы, которые будут более устойчивы к непрекращающемуся потоку пыли, с которым они столкнутся.
Война на истощение
Угроза пыли при исследовании Марса заключается не в драматической пылевой буре, уносящей вещи, а в том, что крошечные частицы постепенно проникают в скафандры и места обитания и наносят долгосрочный ущерб астронавтам и оборудованию.
Чтобы выиграть войну против этих крошечных захватчиков, нам нужны данные: данные о частицах пыли и о том, как на них влияет сложная система марсианской погоды. Именно это знание защитит будущих исследователей, когда они в конечном итоге отправятся за пределы Земли и впервые ступят на другую планету.
