Мысленный эксперимент: попытаемся представить, как изменится космонавтика и другие космические отрасли на основании технологий, которые сейчас имеют многообещающие проекты и хоть какие-нибудь прототипы. Вопросы стоимости, мотивации и политической обстановки рассматривать не будем. Предположим, что люди всей Земли по рублю на космос скинуться смогли.
Форм-факторы космических кораблей
Задача в проектировании кораблей на далекое будущее — создание многоразового монокорабля, маневрирующего в атмосфере. Все как в фантастике — взлетели с Земли на одном комфортном корабле, сели на нем же на Марс. В процессе ничего не сгорело в атмосфере, кроме топлива. Не нужны очень замороченные космодромы, и никаких падений на парашютах, тем более в океан. Сейчас эта задача разбита на две подзадачи.
Многоразовый крылатый корабль
Проект «Идущего к реке мечте» развивает идеи авиационно-космической системы «Спираль» и Boeing X-20 Dyna-Soar. Не самый приятный момент в жизни современного космонавта — это возвращение домой. Мало того, что тело, ослабленное микрогравитацией гораздо хуже переносит перегрузки —шарик с людьми падает то в тайгу (у нас), то в океан (в США), а это, знаете ли, не Самара. Вместо этого, корабль может раскрыть крылья и сесть как самолет в любом аэропорту — практически без перегрузок, без эвакуационных миссий, в тепле и сухости, сразу в руки врачей.
Dream Chaser — прототип, созданный для научных целей. Развитие похожей технологии для комфортного возвращения космонавтов с работы домой — дело ближайшего будущего.
Многоразовый монокорабль
Чтобы взлетать и садиться в одном и том же корабле, нужно в одном корпусе совместить, собственно, космический корабль и ракету-носитель. Такая комбинация должна легко заправляться, иметь эффективные двигатели и, самое главное, быть безопасной. Задача непростая. Однако сейчас существует перспективный прототип — SpaceX Starship. В будущем можно ожидать множество разных подобных решений. Почему бы не возить в космос людей и грузы полностью многоразовыми монокораблями? Мусора меньше, экономия всех видов ресурсов. Потребуются монокорабли всех классов — легкие, тяжелые, сверхтяжелые, и доставщики, и ремонтники, и автоматические, и пилотируемые. Буду рад увидеть решения этой задачи от разных стран со своими особенностями.
Перспективные двигатели
Химические двигатели достигли своего технологического предела. Существенно лучше их уже не сделать. Чтобы летать дальше, быстрее, на небольших кораблях с меньшей массой топлива — хотелось бы увидеть футуристичные, но реализуемые новые ракетные двигатели.
Термоядерный синтез
Почти идеальный термоядерный двигатель с магнитным удержанием плазмы — Direct Fusion Drive имеет прототип в лаборатории физики плазмы в Принстоне. Он в 20 раз эффективнее расходует топливо по сравнению с химическими двигателями, имеет большую тягу — миллионы ньютонов, вырабатывает электричество как в ракетах текущего поколения, не создает опасных отходов и взрываться там практически нечему — в нештатной ситуации плазма скорее погаснет. Физики из Принстона уверены, что полетят к Титану — спутнику Сатурна — на ракете с такими двигателями к 2046 году.
Впрочем, добиться управляемого термоядерного синтеза любой длительности пока не удалось, не особо решены вопросы охлаждения и испарения материалов под действием интенсивного излучения реактора. Кроме того, перспективная топливная пара — дейтерий + гелий-3 — не то, чтобы очень распространенные вещества на Земле. Производство их в промышленных масштабах — отдельная космическая подзадача на будущее.
Безэлектродный плазменный ракетный двигатель
А что, если не получится зажечь термоядерный синтез? Нагнетаем в плазму энергию, а дальше дело не идет. Ничего страшного, даже без синтеза из такой технологии получается электрический двигатель без электродов. У него существенно выше срок службы, потому что катод не испаряется, а анод не бомбардируется частицами. Такой двигатель дает тягу в сотни ньютонов, что в сотни раз выше чем у любых других электрических двигателей. Кроме того, есть возможность масштабировать его до размеров и тяги полноценной ракеты-носителя. Как в «Звездных войнах» на фиолетовых огоньках можно будет и взлетать с планет, и бороздить космос на крейсерской скорости. Но это в далеком, далеком будущем. А в ближайшие 30 лет безэлектродный плазменный ракетный двигатель может заменить другие электрические двигатели для малых космических аппаратов.
Прототип разрабатывает ОКБ «Факел» под научным руководством НИЦ «Курчатовский институт». Испытания идут успешно, принципиальных проблем у технологии нет, и однажды она увидит свет, правда, неизвестно когда. Надеюсь, вы не считаете российскую разработку какой-то исключительной. Космические технологии есть у многих стран: Индии, Эмиратов, Испании и т. д. Россия — не лучше и не хуже. Шансы занять рынок космической техники есть у всех.
Релятивистский ракетный двигатель
Физику не обманешь — чтобы двигаться вперед нужно отбросить излишки своей массы. Впрочем, есть вариант отбросить больше, чем было. Если вместо ракетного двигателя использовать ускоритель частиц, разогнать протоны до скоростей очень близких к скорости света, их относительная (релятивистская) масса возрастет. В итоге, реактивная струя будет отбрасывать тяжелые протоны, а у нас в баке будут хранится легкие. Помимо экономии топлива, эффективность работы реактивной струи зависит от скорости ее истечения. У ускорителя частиц эта скорость — максимальная. Эффективность ускорителя в качестве ракетного двигателя будет где-то в 500 раз выше, чем у химических ракет. Однако, эта идея только зарождается, и она тоже родом из России. На данный момент ни одна организация не взялась за создание именно двигателя из ускорителя, несмотря на то что самих линейных ускорителей у нас достаточно. В итоге, любой демонстратор такой технологии в ближайшие 30 лет — это уже победа.
Путешествия в глубокий космос
Космос — последний рубеж. Для современности, Солнечная система — непреодолимый блок-пост космонавтики, несмотря на то, что каждый год новостные агентства сообщают о выходе Вояжеров за пределы, плюс ультра! Но есть амбициозные проекты, способные в сроки сравнимые с продолжительностью жизни среднего человека добраться до ближайшей звезды. До результатов таких миссий мы скорее всего не доживем, зато можем оказаться свидетелями запуска.
Breakthrough Starshot
В 2015 году российский миллиардер Юрий Мильнер — сооснователь mail.ru под идейным вдохновением Стивена Хокинга создал проект автоматического полета к Проксиме Центавра. Рой аппаратов массой 1 г должен быть разогнан рентгеновским лазером до 20 % скорости света, 20 лет путешествовать и послать сигнал на Землю, который будет идти еще 4,5 года. В проект входят ученые и инженеры, в том числе Фримен Дайсон.
Существует обоснованное предположение о том, что на орбите Проксимы Центавра есть землеподобная планета в обитаемой зоне. Это большая удача, ведь Альфа и Прокима Центавра — ближайшие к нам звезды. Возможно, изучение такой планеты приоткроет для нас тайну происхождения жизни и познакомит с инопланетянами, или позволит поменять родную планету на другую в случае апокалипсиса.
Ни одна из подзадач проекта на сегодняшний день не решена. Это и создание эффективного и долговечного солнечного паруса, разгон космических аппаратов лазером, создание распределенных аппаратов, состоящих из тысячи отдельных элементов. Фримен Дайсон считает, что будущее космонавтики в руках небольших групп энтузиастов, и каждая из подзадач проекта Breakthrough Starshot может быть решена силами космических стартапов. Любой прототип распределенной лазерной парусной космонавтики — решительный шаг в далекий космос. Если вы планируете скромный, но амбициозный проект в космической сфере, рекомендую присмотреться к нуждам этого проекта.
Космическая астрономия
Можно назвать эффектом «Джеймса Уэбба» ситуацию, когда сверхдорогая и сложная технология дала физикам огромный скачок в изучении Вселенной. Очевидно, что космическая астрономия — источник бесценных знаний, и таких проектов должно быть больше.
Habitable Worlds Observatory
К 2040-м годам NASA планирует отправить в точку Лагранжа L2, где сейчас находится телескоп «Джеймса Уэбба», «Обсерваторию обитаемых миров». Новый супер-телескоп будет иметь скромное по сравнению с предшественником четырехметровое зеркало, однако оно будет монолитным, работать в оптическом диапазоне, будет закрыто трубой от паразитной засветки. Кроме того, HWO, скорее всего, будет иметь на борту внутренний экран, закрывающий яркое излучение звезд - коронограф, что позволит получать данные об экзопланетах - невероятно тусклых астрономических объектах.
LUVOIR
А что, если делать телескоп как «Джеймс Уэбб» с сегментированным зеркалом, только больше? Такая идея изначально была у инженеров NASA. LUVOIR (большой ультрафиолетовый, оптический и инфракрасный исследователь) — проект космического телескопа, работающего в широком диапазоне, отвергнутый NASA из-за слишком большого бюджета. Но в нашем мысленном эксперименте деньги есть. А еще, LUVOIR и HWO специализируются на разных задачах, что делает рациональным запуск проектов одновременно. Есть еще один очень похожий проект, ATLAST с 16,8-метровым сегментированным зеркалом.
Проекты монструозных телескопов в космосе недоступны не только для стартапов, но и производственным силам одного государства. Единственный адекватный вариант их строительства — международное сотрудничество. В такой ситуации страна, которая найдет бюджет для взноса в качестве участника, получит и мировое признание, и доступ к лучшему научному материалу в мире. Предполагаю, что в ближайшие 30 лет страны будут стоять в очереди, желая спонсировать подобные проекты.
Терраформирование
Очень хотелось бы уже отведать яблок, собранных с плодовых деревьев на Марсе. Одна беда — ничего там не растет, даже ГМО-картошка. Хотелось бы создать прямо на Марсе кислород, воду и парники, чтобы это исправить. Желательно, чтобы процесс был универсальным и подходил для любых планет и спутников с твердой поверхностью.
Кислород
С тех пор, как Perseverance приземлился на Марсе в 2021 году, на его борту работал небольшой прибор - MOXIE (Эксперимент по местному использованию ресурсов марсианского кислорода). Прибор производил 12 г кислорода в час из марсианской атмосферы. Результаты скромные, но вполне уверенные, чтобы считать технологию перспективной. Воздушная экосистема красной планеты - не за горами.
Вода
Предположительно, вода на Марсе была, но либо испарилась, либо вписалась в почву. Второй вариант дарит людям окно возможностей для строительства комфортной марсианской базы с комплексами СПА и бассейнами. Осталось только подтвердить это предположение измерением.
Марсоход Curiosity обнаружил воду в мелкозернистой почве на поверхности Марса в 2012 году. А вот Perseverance в 2022 году не нашел подтверждений того, что кратер, в котором он совершил посадку раньше, был дном водоема. Таким образом, вопрос марсианской воды не решен на данный момент. Учитывая, как активно красная планета исследуется сейчас, можно предположить оригинальные проекты по изучению и использованию гидросферы Марса в ближайшем будущем.
Стройка
В 2022 году британские ученые представили проект изготовления бетона из марсианского или лунного реголита, скрепленного картошкой, кровью девственниц астронавтов или калом. Материал StarCrete оказался прочнее земных марок бетона, однако, есть нюанс. Помимо прочной сыпучей основы, которой достаточно в грунте Марса и Луны, бетону или кирпичам потребуется некая клейковина. Что и где взять в качестве связующего материала - нерешенная задача, с возможностью задействовать фантазию на максимум. Оригинальная идея StarCrete требовала крови. Буквально. Колонизаторам предлагалось постоянно сдавать кровь на производство бетонных блоков. Альтернативным решением могли стать другие отходы космических организмов. Сейчас идея заключается в использовании картофельного крахмала. Соответсвенно, картошку нужно будет для начала посадить, вырастить и всегда выбирать - что вам сегодня хочется больше - есть или строить?
Решение задачи космических строительных материалов может быть не очень сложным для успешного исполнения в ближайшем будущем и даст огромный скачек для архитектурного творчества роверов-планетоходов. Вместо прогулок и созерцаний пустынных пейзажей роботы будут строить города и дороги.
Лунная база
Человечество уже переживало лунную гонку 60 лет назад. Сейчас люди на Луне смогут не только попрыгать в скафандрах, но и остаться погостить. Концепт лунной базы проекта «Артемида» предполагает жилой модуль, где 4 человека смогут находиться до 45 дней. Сейчас в концепцию не заложено никаких нестандартных технологий. То есть, база на Луне — это то же самое, что и МКС, но дальше. Как было бы здорово путешествовать на Луну в комфортабельном монокорабле за считанные часы на термоядерных ракетных двигателях и заселиться в футуристический город, построенный роботами. Однако гораздо более реалистично использовать в незнакомом месте хорошо знакомые технологии.
Что лучше - космическая станция или база на Луне?
Срок эксплуатации МКС подходит к концу к 2030 году. Роскосмос и NASA приняли решение о строительстве своих национальных космических станций им на замену. У США хватает ресурсов и на новую станцию и на космическую миссию «Артемида». А вот Роскосмос вложит все ресурсы в станцию РОСС. Околоземная станция - метод сохранения уже отработанных технологий, а лунная миссия - шаг вперед. Некоторые эксперты считают, что российская лунная программа была бы перспективнее станции. Развиваете — перспективнее сохранения.
Добыча космических ресурсов
Сейчас ученые могут получить материал астероидов, правда, в крошечных масштабах. Будет ли стоимость, например, драгметаллов, добытых из астероидов, выше стоимости доставки их на Землю? Есть ли что-то полезное на Луне? Получится ли добыть гелий-3 из лунного грунта, и будет ли так хорошо развит термоядерный синтез, чтобы окупить эту проблемную операцию? Сейчас эти вопросы проработаны на уровне теории. Например, факультет космических исследований МГУ написал книгу на эту тему. Можно ожидать эксперименты по добыче космических ресурсов в ближайшие 30 лет. Есть идея ронять астероиды на Луну, там же проводить их разработку, а на Землю отправлять уже очищенные драгметаллы в слитках. Эта идея сочетается со всеми предыдущими: возможно, получится окупить затраты на Лунную экспансию за счет добычи платины или осмия, но не в обозримом будущем.
А вот в области космической юриспруденции можно совершить перспективные открытия уже сейчас. На данный момент для всех стран, подписавших «Договор о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела», выше линии Кармана начинается коммунизм: никто не может присвоить себе астероид или участок спутника. Однако, кусочки общего небесного тела, попадая на Землю, становятся доступны для продажи, а значит, обретают и владельца. Есть ли в этом юридическая проблема? Может быть, стоит пересмотреть «Договор о космосе», добавив стимулы и ограничения для коммерческого освоения космических ресурсов? Ответы на эти вопросы могут показать космонавтику с новой стороны.
Анализ данных нейросетями
Современная космонавтика - крупный сектор бизнеса, большую часть которого занимают связь, геолокация и разведка. Данных о Земле и о небе накоплено гораздо больше, чем их получается обработать. Многие архивы данных находятся в открытом доступе, например, на сайте проекта по поиску экзопланет транзитным методом. Можно не ждать 30 лет, а за неделю командой из двух школьников — фаната астрономии и фаната программирования, обучить нейросеть поиску новых космических объектов или… других интересных вещей. Думаю, технологии имитации ручной обработки данных совершат серьезные открытия в астрономии или геодезии уже в ближайшие пару лет.
О чем мы не сказали
Впереди нас ждет очень много технологий, связанных с космосом: 40-километровые гравитационные обсерватории, ионные паруса, полеты за счет спама ядерными бомбами и сверхсветовое движение. Обо всем этом мы любим говорить на живых выступлениях. Однако, под правила этой статьи данные технологии не подошли: они либо уже испытаны и забыты, либо до них еще очень далеко. В итоге предложенный футуризм скромен, строг, но справедлив. Чего и вам желаю.
Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал