Космическое пространство стало естественным продолжением земной лаборатории. Исследования биологических, физических и инженерных аспектов полётов позволили понять, как живые системы адаптируются к невесомости, как устроена динамика планетных орбит и какие технологии могут однажды обеспечить выход за пределы Солнечной системы. Подборка объединяет пять материалов о том, как наука постепенно делает космос обитаемым. 1. Как работает гравитация и двигаются планеты Прежде чем погрузиться в исследование межзвёздных путешествий, предлагаем узнать больше о Системе, внутри которой мы живём. Солнечная система — это сложная сеть взаимосвязанных тел, но её удалось описать благодаря одной простой идее: масса Солнца настолько велика, что оно определяет движение всех планет, а взаимное влияние планет можно считать незначительным. Это позволило свести задачу к классической модели двух тел — центрального и обращающегося вокруг него. Иоганн Кеплер первым раскрыл истинную природу планетных орбит, задолго до появления теории тяготения Ньютона. В трудах 1609 и 1619 годов он сформулировал три закона, установив, что планеты движутся не по идеальным окружностям, как предполагали античные астрономы, а по эллипсам. Кеплер пришёл к этому выводу, анализируя наблюдения Тихо Браге за Марсом — планетой с наибольшим эксцентриситетом орбиты после Меркурия. «Два взаимодействующих тела влияют друг на друга: одно притягивает другое, а другое притягивает первое. Поэтому относительно центра масс, неподвижного в пространстве или движущегося с постоянной скоростью, оба тела перемещаются, и чем ближе их масса друг к другу, тем дальше они удаляются от центра масс, и тем сложнее, на первый взгляд, их движение». Система Земля–Луна вращается вокруг общего центра масс — барицентра, расположенного примерно в 4670 км от центра Земли, то есть на глубине около 73% её радиуса. Это означает, что Земля буквально «покачивается» вокруг этой точки, совершая полный оборот за 27,3 дня. Для наблюдателя с Марса Земля выглядела бы смещающейся на треть своего диаметра относительно идеальной орбиты. Приливы на Земле — одно из прямых проявлений гравитационного взаимодействия. Хотя сила притяжения Солнца в среднем в 173 раза превышает лунную, именно Луна создаёт более сильные приливы. Это связано с тем, что приливные силы зависят не от абсолютной величины гравитации, а от её изменения на разных участках тела и убывают пропорционально кубу расстояния. Диаметр Земли составляет около 1/60 расстояния до Луны, что создаёт заметный гравитационный градиент: ближняя сторона притягивается сильнее, чем центр, а дальняя — слабее. Так возникают два приливных «горба» — один обращён к Луне, другой в противоположную сторону. Средняя величина лунных приливных сил составляет около 1,1×10⁻⁶ Н/кг, а солнечных — примерно вдвое меньше. Когда Солнце, Луна и Земля выстраиваются в линию (во время новолуния или полнолуния), наблюдаются сизигийные приливы — наиболее мощные. Когда светила образуют прямой угол, возникают квадратурные приливы с минимальной амплитудой. Из-за эллиптичности орбиты расстояние до Луны меняется на десятки тысяч километров в течение месяца. В перигее приливы выше, в апогее — слабее. Со временем приливное трение замедляет вращение Земли и постепенно отдаляет Луну — примерно на 3,8 сантиметра в год. 2. Как организм приспосабливается к жизни вне Земли Долгое время человечество не знало, способны ли живые существа выжить за пределами земной атмосферы. Первые эксперименты с животными, а затем и с людьми доказали, что это возможно. Валерий Поляков установил непревзойдённый рекорд пребывания на орбите — 438 суток на станции «Мир». Однако длительные космические миссии продолжают раскрывать новые детали воздействия космоса на организм: исследование NASA 2018 года показало, что во время полёта происходят временные изменения в процессах синтеза белков, которые исчезают после возвращения на Землю. Космическое пространство пронизано потоками высокоэнергетичных частиц — ядер тяжёлых элементов, протонов, электронов и ядер гелия, движущихся с околосветовыми скоростями. Энергия космических лучей может достигать 3×10²⁰ эВ — более чем в десять миллионов раз выше, чем у частиц в Большом адронном коллайдере. Основным источником этого излучения считаются взрывы сверхновых, а солнечные протонные вспышки представляют отдельную угрозу, возникающую примерно раз в десятилетие. «Входящие в него частицы „выбивают“ электроны с орбит атомов, превращая их в ионы. Если человек попадает под ионизирующее излучение, это приводит к ухудшению работы всего организма: нарушается нормальное течение биохимических реакций, повреждаются клеточные структуры, ткани перестают работать должным образом». Микрогравитация запускает в организме каскад адаптационных реакций. Миллионы лет эволюции сформировали человека под действием силы тяжести, и её отсутствие становится серьёзным испытанием. В невесомости выключаются мышцы, поддерживающие осанку, — спина, пресс, бёдра, ягодицы и икры; мышечные волокна начинают атрофироваться, а потеря массы нижних конечностей может достигать четверти за шесть месяцев полёта. Кровь перераспределяется в сторону головы, изменяя работу сердца и сосудов; кальций и фосфор вымываются из костей, повышая их хрупкость. Современные корабли оснащены пассивными средствами экранирования, но космические лучи частично проникают сквозь обшивку. Поэтому экипаж использует индивидуальные средства защиты от радиации, а на станциях предусмотрены специальные укрытия на случай солнечных вспышек. Магнитное поле Земли частично защищает околоземные орбиты, и правильно рассчитанная траектория полёта позволяет дополнительно снизить дозу облучения. Для компенсации последствий невесомости применяется комплекс профилактических мер: космонавты ежедневно тренируются на беговой дорожке, используют вакуумные костюмы, создающие отток крови к ногам, и экзоскелеты с эластичным каркасом, имитирующие гравитационную нагрузку. В долгосрочной перспективе учёные рассматривают более радикальные решения — создание искусственной гравитации вращением модулей корабля (ещё идея Циолковского) и формирование электромагнитного поля, способного заменить защиту Земли. 3. «Второй дом» для человечества Среди всех планет Солнечной системы Марс остаётся наиболее реалистичным кандидатом для колонизации. Венера исключена из-за экстремальных условий: температура её поверхности превышает 450 °C, давление в девяносто раз выше земного, а атмосфера насыщена углекислым газом и облаками серной кислоты. Марс, напротив, относится к планетам земной группы — он имеет твёрдую поверхность, относительно невелик и расположен сравнительно близко к Земле. О возможности его освоения говорили ещё в 1960–1970-х годах Сергей Королёв и Вернер фон Браун. Интерес к Марсу давно выходит за пределы чисто научного. Он связан с поисками «запасной планеты» на случай глобальных катастроф — от падения астероида до климатического коллапса или ядерной войны. Кроме того, понимание эволюции Марса может пролить свет на будущее Земли: почему одна планета сохранила атмосферу и жизнь, а другая превратилась в холодную пустыню. Несмотря на вышеописанные плюсы, Марс встречает будущих колонизаторов суровыми условиями. Его атмосфера почти в сто раз разреженнее земной и состоит преимущественно из углекислого газа, поэтому не защищает поверхность от космического излучения. Потеря атмосферы связана с воздействием солнечного ветра: поток ионизированного газа нагревает верхние слои, и молекулы улетучиваются в космос. У планеты нет магнитного поля, которое могло бы предотвратить этот процесс. «Атмосфера Марса практически в 200 раз тоньше, чем земная, так что все излучение обрушивается на планету без преград. В 2001 году NASA отправило аппарат Mars Odyssey с инструментом Martian Radiation Experiment на борту, чтобы измерить уровень радиации на Марсе. Зонд работал 18 месяцев и обнаружил постоянную радиацию, уровень которой в 2,5 раза выше уровня радиации на МКС — 8 рад в год. На Земле жители получают в год дозу примерно в 0,62 рад». Главное препятствие марсианской программы — стоимость. Доставка экипажа из двух человек и их возвращение оцениваются примерно в 500 миллиардов долларов — более 15 годовых бюджетов NASA. По оценке Илона Маска, создание самодостаточного города с миллионом жителей стоило бы около 1000 триллионов долларов при нынешнем уровне технологий, хотя при значительном прогрессе ракетостроения эту сумму можно снизить до 1 триллиона. Более реалистичные расчёты говорят о необходимости не менее 3,9 триллиона долларов для создания устойчивой колонии. С точки зрения логистики перелёт на Марс займёт от пяти до семи месяцев: марсоход Curiosity добирался до планеты 254 суток — в тридцать раз дольше миссии «Аполлон-11». Для безопасности предполагается отправлять минимум два корабля — один с экипажем, второй с запасными частями. SpaceX планирует отправить первые пять беспилотных миссий Starship в 2026 году, а пилотируемый полет — не раньше конца десятилетия. Колонизация Марса обходится в десятки раз дороже освоения Луны из-за гравитации и затрат на топливо для посадки и взлёта. Поэтому Луна рассматривается как возможная промежуточная база: на её южном полюсе обнаружены запасы воды, из которой можно получать кислород и водород — эффективное топливо для дальних полётов. 4. Электроника в космосе Первый искусственный спутник Земли — «Спутник-1» — был примитивен по современным меркам: он не принимал команды с Земли и лишь измерял температуру и давление, передавая данные датчиками мощностью всего 1 Вт. Его сигнал мог поймать любой радиолюбитель. Ранние космические аппараты строились на электронных лампах — громоздких и ненадёжных устройствах, занимавших целые помещения. С середины 1970-х годов советская космонавтика перешла на интегральные схемы на основе транзисторов, что повысило производительность бортовой электроники в тысячу раз. Магнитное поле Земли улавливает заряженные частицы солнечного ветра, формируя радиационные пояса, открытые советскими исследователями в 1957 году при анализе данных со «Спутника-2». На низких орбитах, где работает Международная космическая станция, радиационный фон относительно невысок — там можно использовать обычные ноутбуки. Но на высоте около 20 000 км, где находятся спутники GPS и ГЛОНАСС, уровень излучения в десятки раз выше, и земная электроника быстро выходит из строя. «Наибольшая сложность для инженеров — защита устройств от радиации, уровень которой в космосе гораздо выше. Магнитное поле Земли защищает нас от солнечного ветра и других низкоэнергетических частиц, прежде всего протонов и электронов. В результате этого радиация не проникает на Землю, а накапливается вокруг нее». Одним из главных эффектов воздействия космического излучения являются одиночные сбои (Single Event Upset, SEU) — изменение состояния бита памяти под воздействием отдельной частицы. Впервые этот феномен зафиксировали в 1975 году, когда спутник Hughes потерял связь на 96 секунд из-за ионизации элемента памяти. Особенно уязвимы чипы, где информация хранится в виде электрического заряда — именно его и нарушает радиация. Самый известный космический процессор — RAD750, разработанный на базе PowerPC 750, стоявшего в компьютерах iMac конца 1990-х годов. Он используется в более чем 150 миссиях — от марсоходов Curiosity и Perseverance до телескопов Kepler и James Webb. При частоте до 250 МГц и производительности около 400 млн операций в секунду он скромен по земным меркам, но крайне надёжен. Стоимость такого процессора достигает сотен тысяч долларов, тогда как современные радиационно-стойкие микроконтроллеры стоят в десятки раз дешевле. Новый RAD510 обещает втрое большую производительность при меньшем энергопотреблении. Миниатюрные спутники формата CubeSat (куб со стороной 10 см) сделали космос доступнее. К осени 2024 года было запущено более 2500 таких аппаратов — их число растёт экспоненциально: вторая тысяча набралась всего за четыре года. В 2023 году на орбиту вывели 390 наноспутников — новый рекорд. Программа NASA ELaNa позволила университетам и даже школам создавать собственные аппараты, что радикально расширило круг участников космических исследований. Следующий этап развития — интеграция искусственного интеллекта. Сегодня марсоход Curiosity за шесть лет преодолел лишь 18 км, поскольку каждое его движение контролируется с Земли с минутной задержкой сигнала. Технологии автономной навигации, заимствованные из систем беспилотного транспорта, в ближайшие десятилетия позволят роверам самостоятельно передвигаться и принимать решения. Для этого потребуются новые радиационно-стойкие чипы — вероятно, на базе ПЛИС или ASIC, способные выполнять параллельные вычисления нейросетей. 5. Первые шаги за пределы Солнечной системы Межзвёздные путешествия уже начались — автоматические станции Pioneer 10 и 11, Voyager 1 и 2 покинули границы Солнечной системы и продолжают свой путь к звёздам. По состоянию на октябрь 2025 года Voyager 1 находится на расстоянии около 169 астрономических единицастрономических единиц от Земли, преодолев более 25 миллиардов километров. Однако даже такие рекорды подчеркивают масштаб космоса: Pioneer 10 достигнет Альдебарана лишь через два миллиона лет, а Voyager 1 приблизится к звезде Gliese 445 примерно через сорок тысяч лет. «Человек, даже профессионал в этой области, с трудом осознает огромность этого расстояния. Известный астрофизик Иосиф Шкловский писал: “Если бы астрономы-профессионалы постоянно и ощутимо представляли себе чудовищную величину космических расстояний и интервалов времени эволюции небесных светил, вряд ли они могли успешно развивать науку, которой посвятили свою жизнь”». Идея межзвёздного двигателя впервые появилась в научной фантастике: в 1959 году братья Стругацкие описали прямоточный фотонный корабль на аннигиляции, а год спустя физик Роберт Бассард предложил аналогичный проект — так называемый «двигатель Бассарда». Он предполагал использование магнитного поля огромного диаметра для сбора межзвёздного водорода и его сжатия до термоядерной реакции. Однако расчёты показали, что потери энергии при торможении протонов превышают выработку примерно в миллиард раз, делая концепцию нереализуемой. Первый серьёзный инженерный проект межзвёздного аппарата — Daedalus — был создан в 1970-х годах участниками Британского межпланетного общества. Тогда появилось и понятие «предвидимых технологий» — то есть таких, для которых известны физические принципы и возможные пути развития. К ним относят термоядерные реакторы, но не промышленное производство антивещества, поскольку сегодня удаётся получить лишь сотни атомов, а масштабировать процесс на десятки порядков пока невозможно. Наиболее перспективным направлением считается лазерный термоядерный двигатель, предложенный в 1972 году. Он способен обеспечить скорость истечения плазмы до 10 000 км/с — теоретически достаточную для межзвёздного полёта за время человеческой жизни. В 2022 году Национальный центр лазерного синтеза (NIF, США) впервые достиг положительного энергетического баланса: 2,05 МДж лазерной энергии дали 3,15 МДж термоядерной. К 2025 году рекорд составил уже 8,6 МДж при подводимой энергии 2,08 МДж. Российская установка УФЛ-2М, запущенная в Сарове в 2020 году, рассчитана на ещё большую мощность — до 2,8 МДж. Предполагается, что первый межзвёздный корабль будет представлять собой вращающуюся гантелеобразную конструкцию диаметром около километра с экипажем порядка 10 тысяч человек. Миллионы тонн топлива обеспечат не только движение, но и радиационную защиту. Для сравнения: крупнейшее земное судно Prelude FLNG имеет водоизмещение около 900 тысяч тонн — межзвёздный корабль будет тяжелее в десятки раз. Даже при самых оптимистичных оценках путь к центру Галактики займёт от 280 тысяч до 2,8 миллиона лет. Но колонизация может развиваться по «волновому» принципу: достаточно освоить несколько десятков планетных систем в радиусе 50 световых лет, чтобы дочерние цивилизации продолжили движение дальше. До того, как Солнце начнёт превращаться в красного гиганта — примерно через миллиард лет, — человечество теоретически успеет расселиться по всей Галактике.
Космическое пространство стало естественным продолжением земной лаборатории. Исследования биологических, физических и инженерных аспектов полётов позволили понять, как живые системы адаптируются к невесомости, как устроена динамика планетных орбит и какие технологии могут однажды обеспечить выход за пределы Солнечной системы. Подборка объединяет пять материалов о том, как наука постепенно делает космос обитаемым. 1. Как работает гравитация и двигаются планеты Прежде чем погрузиться в исследование межзвёздных путешествий, предлагаем узнать больше о Системе, внутри которой мы живём. Солнечная система — это сложная сеть взаимосвязанных тел, но её удалось описать благодаря одной простой идее: масса Солнца настолько велика, что оно определяет движение всех планет, а взаимное влияние планет можно считать незначительным. Это позволило свести задачу к классической модели двух тел — центрального и обращающегося вокруг него. Иоганн Кеплер первым раскрыл истинную природу планетных орбит, задолго