Пыльные бури, большие расстояния и низкие температуры делают жизнь на Марсе невероятно сложной. Как мы это сделаем?
Могут ли люди жить на Марсе? Ответ поразительно прост. Могут ли люди жить в Антарктиде, где температура регулярно опускается ниже -50ºC (-60ºF) и шесть месяцев в году темно? Могут ли люди жить под океаном, где давление быстро возрастает с глубиной до сокрушительного уровня? Могут ли люди жить в космосе, где вообще нет воздуха?
По мере того как границы нашей изобретательности, материаловедения и химии расширялись, мы перешли от способности переносить лишь узкий диапазон условий к расширению нашего присутствия практически во всех частях земного шара, а теперь и за его пределами. Даже в самой враждебной среде, с которой мы когда–либо сталкивались, - космическом вакууме – уже более двух десятилетий существует непрерывная человеческая популяция.
Так почему бы не Марс? Если мы можем жить в Антарктиде, если мы можем жить в космосе, то, конечно, это просто вопрос логистики. Если мы сможем разместить достаточно материальных средств на поверхности Красной планеты, тогда, возможно, мы сможем выжить – и даже процветать – там.
Но это ‘если’ делает ужасно много работы. Когда мы отправились на Луну, астронавтам пришлось нести все необходимое для своего визита в своих крошечных, хрупких посадочных аппаратах. Миссии "Аполлон" провели на поверхности всего от одного до трех дней, а на то, чтобы добраться до самой Луны, ушло всего три дня. Когда астронавт, направляющийся на Марс, проведет месяцы в космосе, просто добираясь до места посадки, провести на планете всего пару дней будет недостаточно. Любая миссия, даже начальная, обязательно будет рассчитана на месяцы, и это значительно усложняет логистику.
Марс - особенно трудная планета для посадки. Он находится слишком далеко от Земли, чтобы управлять любым спуском дистанционно – в среднем радиосигналу требуется 12 минут, чтобы преодолеть расстояние, – поэтому все должно быть запрограммировано заранее. Единственная ошибка либо в компьютере, либо в его входных данных приведет к появлению нового и дорогостоящего кратера, которых было много. И как только команда на посадку будет отдана, никто из Центра управления полетами ничего не сможет сделать, чтобы вмешаться – промежуток времени, который проходит между этим приказом и безопасной посадкой, известен как "семь минут ужаса’.
Разреженная марсианская атмосфера также усложняет посадку. Он достаточно толстый, чтобы любой космический корабль, сходящий с орбиты, нуждался в теплозащитном экране, чтобы предотвратить его сгорание, но даже последнее поколение огромных сверхзвуковых парашютов с трудом обеспечивает значительную поддержку в разреженном воздухе на пути вниз. Необходимо учитывать то, что осталось от орбитальной скорости, иначе наши посадочные аппараты разобьются о замерзшую поверхность Марса.
Огромная серебристая ракета со всем, что нужно астронавтам для их многомесячного пребывания, просто непрактична
Использовались различные методы, но наиболее последовательно успешным был "небесный кран", одноразовый каркас, оснащенный ретро-ракетами, которые горят до тех пор, пока он не зависнет в нескольких ярдах над поверхностью. Затем он плавно опускает спускаемый аппарат лебедкой, отсоединяет соединительные кабели и улетает на безопасное расстояние, прежде чем закончится топливо.
Как и ожидалось, эти расчеты очень точно оценены. На каждый фунт посадочного модуля – аккумуляторы, солнечные батареи, научные эксперименты – требуется несколько килограммов топлива в "небесном кране". И каждый килограмм топлива в "небесном кране" требует еще нескольких килограммов топлива для ракеты, которая доставит его на орбиту Марса. Мы бы отправили на Марс более крупные и совершенные посадочные аппараты, если бы могли, но ракетостроение находится на самом пределе наших возможностей, чтобы спустить марсоход размером с малолитражку на землю. Это имеет огромное значение для проведения успешной миссии с экипажем на Марс.
Хотя мы можем мечтать об огромной серебристой ракете, медленно опускающейся к пыльной красной поверхности, содержащей все, что нужно астронавтам для их многомесячного пребывания, мы должны понимать, что это просто непрактично. Эта ракета и еще более крупный космический корабль, необходимый для ее доставки туда, находятся за пределами наших прогнозируемых возможностей запуска на десятилетия, если не столетия вперед. Планирование успешной миссии на Марс – для постоянного присутствия на Марсе – требует от нас работать умнее и использовать все преимущества, которые мы можем. Это включает в себя те, которые мы можем найти на самом Марсе.
Марс - это планета, полная полезных ресурсов и специфических опасностей. С другой стороны, если мы правильно выберем место посадки, нам не нужно будет брать воду. Вода тяжелая, и мы ничего не можем сделать, чтобы сделать ее легче. Это занимает много места, и мы ничего не можем сделать, чтобы уменьшить его. И даже при наличии самых лучших установок для переработки отходов астронавтам все равно потребуется определенное количество запасной воды. Тем не менее, на Марсе есть много мест, где вода в виде льда является лишь частью из почвы. Воткните лопату в землю, и половина того, что будет собрано, - это водяной лед. И мы можем использовать эту воду для самых разных целей, а не только для питья. Мы можем использовать его для химии.
Мы можем расщепить его с помощью электролиза на составляющие его газы. Мы можем дышать кислородом, что избавляет нас от необходимости вдыхать перегретый воздух. И если мы рекомбинируем его с водородом, то получим взрывоопасную смесь, которую можно было бы использовать в качестве элементарного ракетного топлива. Если мы продвинемся еще на один этап, мы сможем извлекать углерод из атмосферы Марса с углекислым газом и синтезировать углеводороды для лучшего сжигания.
Этот углекислый газ также жизненно важен для роста растений. Добавьте воду и питательную среду, и внезапно добавление в наши сублимированные пакеты продуктов питания становится не просто возможностью, а целью миссии. Люди потребляют много калорий, но мы также едим глазами. Гарнир к салату - это не только питание, но и повышение морального духа.
А еще есть вещество самого Марса. Мы можем использовать его в качестве строительного материала: делать из него кирпичи или просто нагромождать его поверх наших существующих конструкций. И нам действительно нужно это сделать, потому что жизнь на поверхности Марса не так проста.
Красная пыль превратилась в наночастицы и представляет серьезную опасность как для нас, так и для наших машин.
Самое главное - это температура. Марс находится в среднем на 80 миллионовкилометров (50 миллионов миль) дальше от Солнца, и его атмосфера слишком разрежена, чтобы выдерживать экстремальные суточные колебания. Дневные температуры в разгар лета могут достигать 21ºC (70ºF), но в тот же день, незадолго до рассвета, будет зафиксировано -90ºC (-130ºF). Температура может упасть настолько, что приведет к замораживанию углекислого газа из атмосферы. Дополнительная изоляция, обеспечиваемая несколькими футами марсианского грунта, станет приятным бонусом.
Более того, это поможет справиться с долгосрочной угрозой: радиацией. Солнце постоянно испускает заряженные частицы, а также высокоэнергетический свет в виде гамма- и рентгеновских лучей. На Земле и, в меньшей степени, на Луне мы защищены большим магнитным полем Земли, которое распространяется в космос и отклоняет солнечный ветер вокруг нас. У Марса нет такого магнитного поля, и хотя условия на поверхности не являются остро опасными для жизни, каждый день, который астронавты проводят на поверхности Марса, они накапливаются радиационный ущерб в 10-20 раз быстрее, чем на Земле, – не считая случайных солнечных вспышек, которые втискивают десятилетнее облучение в одно событие.
Захоронение базы астронавтов под землей ’ одно из относительно простых решений этой радиационной проблемы. Как и строительство внутри пещеры – вулканические районы Марса являются местами лавовых труб, которые сейчас образуют огромные туннели, доступ к которым возможен через частичные обрушения крыш.
Почва сама по себе токсична, богата перхлоратами. Хотя они являются потенциальным источником кислорода, перхлораты растворимы в воде: загрязненную почву нельзя использовать в качестве питательной среды.
Затем появляется пыль. Красная пыль образовалась в результате сотен миллионов лет непрерывного измельчения вулканического пепла, став настолько мелкой, что даже слабые марсианские ветры могут переносить и удерживать ее в воздухе неделями. Пыль превратилась в наночастицы – в среднем 3 мкм (одна 10000-я доля дюйма) – и представляет серьезную опасность как для нас, так и для наших машин. Было бы практически невозможно исключить пыль из жилых помещений: астронавты вносили бы ее из поездок на улицу, даже при тщательных мерах – мытье, чистка пылесосом, антистатические экраны и фильтрация воздуха - она стала бы частью воздуха, которым они дышали, и пищи, которую они ели. Помимо ранее упомянутых перхлоратов, существуют и другие соединения, вызывающие рак, а также вред, который мелкозернистый каменный порошок может нанести, в частности, легким и глазам.
Мы уже потеряли один марсоход из-за пыли, которая покрыла его солнечные панели. Чем сложнее оборудование, которое мы используем, тем более уверенными мы должны быть в наших уплотнениях и поверхностях. Техническое обслуживание вместе с запасными частями для поддержания этого режима должно было бы строго соблюдаться.
Так как же мы могли бы это сделать? У нас есть параметры, установленные количеством команды, которую мы отправляем, тем, как долго они планируют первоначально остаться, и что они намерены делать, когда доберутся туда. Мы должны спланировать, как приютить, напоить и накормить их, а затем вернуть домой – и, если мы планируем что-то иное, кроме одноразового визита, нам нужно следить за долгосрочной игрой: какую инфраструктуру мы можем построить, которая будет полезна в будущем?
Разбиение проблемы на управляемые укусы, безусловно, является наиболее осуществимым способом. То, что мы узнаем из таких дополнительных усилий – и то, что мы уже узнали, – может быть использовано для руководства нами, когда мы будем работать над различными элементами, необходимыми для успешного и устойчивого выполнения миссии на Марс.
Мы должны уделять приоритетное внимание безопасной посадке, не обременяя спуск весом пищи, топлива, воздуха и воды
Первым этапом будет увеличение наших возможностей на низкой околоземной орбите. Для многомесячного путешествия на Марс потребуется самый большой космический корабль, который мы когда-либо строили, и почти наверняка что-то такое, что невозможно поднять в воздух за один запуск. Его нужно будет построить в космосе, используя методы, аналогичные Международной космической станции. Топливо вместе со всем необходимым для поддержания жизни в течение долгого путешествия нужно будет доставлять с Земли – дважды по мере того, как оно будет возвращаться. Спускаемый аппарат будет отдельной частью корабля, в то время как основная часть останется на орбите Марса.
Второй этап состоял бы в том, чтобы заранее отправить припасы в назначенный район высадки. Если мы сможем, мы должны послать роботизированные, самомонтирующиеся модули. Это гарантировало бы, что для вновь прибывших астронавтов будет безопасное место, и позволило бы нам определить приоритетность безопасной посадки, не обременяя фазу спуска дополнительным весом пищи, топлива, воздуха и воды. И таким образом, нам не пришлось бы отправлять астронавтов в долгое и трудное путешествие на Марс, пока мы не убедимся, что там достаточно оборудования для их поддержания. Если бы одна ракета сбилась с пути – статистически вероятно, что будет потеряно больше одной, – мы бы просто послали другую.
Одним из элементов комплекта, который мы отправим вперед, будет подъемный модуль, пустой корабль, способный не только приземлиться на Марсе, но и заправиться топливом из марсианской атмосферы, готовый к возвращению на корабль-пересадку на орбите.
Чтобы было ясно, ничто из этого не является безрисковым. Как известно, в 1969 году перед посадкой "Аполлона-11" президенту США Ричарду Никсону была произнесена альтернативная речь, в которой описывался сценарий неудачи. Несмотря на то, что наша тщательная подготовка повысила вероятность успеха, все еще существуют ситуации, из которых практически невозможно выйти. Основная причина этого заключается в том, сколько времени нам потребуется, чтобы отреагировать на непредвиденное.
Цепочки поставок являются одним из наиболее недооцененных и неправильно понимаемых факторов, лежащих в основе современной экономики. Мы очень привыкли к тому, что можем заказать что угодно из любого места, и это становится доступным в течение нескольких дней, если не часов. Производители закупают товары у своих поставщиков точно в срок, а розничные торговцы обещают практически немедленную доставку. За этими витринами скрывается фантастически сложная сеть коммуникаций, транспорта, управления запасами и персоналом. Мы замечаем это только тогда, когда это терпит неудачу.
Почти везде на Земле есть связь. Жизненно важные лекарства, микрочипы, детали двигателей и даже живые органы для донорства беспрепятственно перемещаются между странами и континентами. Но есть места, где это не так, и они дают нам первое представление о том, с какими проблемами может столкнуться любой марсианский колонист.
Антарктида, несмотря на наши технологии, остается одно из самых изолированных и негостеприимных мест на планете. Почти все, что необходимо – за исключением воздуха и воды, – приходится перевозить или перевозить самолетом на большие расстояния и не без риска. Сильное волнение, толстый лед, шторм, резкое похолодание: все это приводит к тому, что продукты питания и топливо застревают в доке или на взлетно-посадочной полосе. Антарктические базы не управляют цепочкой поставок точно в срок, потому что, когда эта цепочка поставок неизбежно прерывается, люди могут погибнуть. Планирование этих перерывов означает необходимость брать и хранить гораздо больше, чем обычно требуется. Те из нас, кто не является охотниками, будут озадачены количеством продуктов, необходимых для того, чтобы прокормить одного человека в течение пары месяцев: зимнее население базы Амундсен-Скотт, прямо на Южном полюсе, составляет 50.
Еда, конечно, всегда может быть нормирована. Отопление может быть сведено к одному или двум сильно изолированным модулям. Здесь есть резервные генераторы, врач на месте и современный комплекс спутниковой связи. Ученых поддерживает целая команда электриков, сантехников и техников, которые круглосуточно работают над поддержанием инфраструктуры базы, выявляя проблемы до того, как они станут критическими, и предоставляя обходные решения благодаря своему опыту.
Риск смерти – от голода, холода, удушья, несчастного случая, болезни, заболевания – должен быть принят
Ни один из них не остановил возникновение проблем. Примечательно, что если базовый врач заболевает и ему требуется операция, как это уже случалось дважды, врач в конечном итоге оперирует сам. В обоих случаях медицинская эвакуация была невозможна из-за плохих погодных условий и больших расстояний. Некоторые постоянные базы по-прежнему настаивают на том, чтобы персоналу удаляли аппендикс до прибытия.
А теперь представьте, что это происходит на Марсе. Полностью функционирующая база, расположенная в наиболее выгодном месте и имеющая многократно избыточную инфраструктуру, поддерживаемую сменами высококвалифицированных и подготовленных инженеров, все еще находится в гораздо более опасном положении, чем любая антарктическая база сегодня. Срочная доставка медикаментов в Антарктиду по воздуху с Южного острова Новой Зеландии трудна, но возможна: время в пути, когда все будет на месте, составляет несколько часов. Между тем, если окно запуска будет благоприятным, расстояние от Земли до Марса составит девять месяцев. Новые поколения космических двигателей неизбежно сократят это, но ничего нельзя сделать, чтобы стереть огромные расстояния между двумя планетами. В лучшем случае, 56 миллионов километров (около35 миллионов миль). В худшем случае, когда Земля находится по одну сторону от Солнца, а Марс - по другую, 400 миллионов километров (около250 миллионов миль).
Без сомнения, это была бы самая длинная цепочка поставок в истории, в конце которой были бы самые суровые условия, с которыми мы когда-либо сталкивались. Даже в эпоху парусного спорта путешествие из Англии в Австралию было более быстрым.
Если вы врач в первой миссии на Марс, вы должны решать не то, какие лекарства, бинты и хирургическое оборудование вы принимаете, а то, что вы не принимаете. Без чего вы можете обойтись? Как пространство, так и вес ограничены. Если вы инженер: как вы собираетесь выбирать между этой важной запасной частью и той важной запасной частью? Конечно, вы могли бы попросить планировщиков миссий прислать один – или два – из всего. Но, учитывая все, что было раньше, насколько это осуществимо? В какой-то момент "достаточно" будет уже слишком. Риск смерти – от голода, от холода, от удушья, от несчастного случая, от болезни, от болезни – должен быть принят.
Как и у всех первопроходцев, самое тяжелое бремя ляжет на тех, кто пойдет первым. Они будут самыми неудобными, самыми ненадежными, самыми уязвимыми. Тем, кто последует за ним впоследствии, будет если и нелегко, то уж точно легче. Инфраструктура начальной базы предназначена для расширения до тех пор, пока Земля верит в проект. Ибо совершенно очевидно, что Марс будет полностью зависеть от Земли в течение десятилетий. Но как, однако, колония на Марсе будет расти к независимости? Можем ли мы видеть так далеко вперед?
Производство здесь является ключевой технологией: не только обычные, но жизненно важные поставки запасных частей, но и химикатов, необходимых для жизни. Специально разработанные лекарства, пищевые добавки и питательные вещества растений обеспечат колонистам определенную степень безопасности; 3D-принтеры с обширной библиотекой моделей могут начать работать с физическими, в то время как биологические компоненты могут быть созданы с помощью автоматических синтезирующих машин.
Еще одним краеугольным камнем более независимого Марса были бы сами колонисты – и, в частности, их образование. Необходимость часто является матерью изобретательности, но Марс был бы очень суровым надсмотрщиком. Марсианский колонист должен был бы посвятить значительную часть своего времени обучению. Уровень технологий, необходимый для поддержания рабочей колонии, будет высоким, а количество персонала ограничено доступной пищей и воздухом. Поскольку каждый является экспертом в двух или трех отдельных областях знаний, трагическая случайность для одного не обязательно должна обернуться кризисом для всех.
Крайне неустойчивый характер жизни на Марсе неизбежно приведет к появлению новых социальных нравов и кодексов поведения. Далекие от того, чтобы быть закоренелыми индивидуалистами, марсиане будут полагаться друг на друга в самой своей жизни в высшей степени взаимозависимым образом – и они отразят это как в своих отношениях, так и в своих законах.
Насколько сильно колонисты расходятся с материнской планетой, еще предстоит выяснить. Но независимый Марс не был бы точной копией любого земного общества. Это было бы поразительно и глубоко чуждо.