Билет на Марс: когда мы сможем путешествовать в космосе
Еще Циолковский говорил: «Земля — колыбель разума. Но нельзя же вечно жить в колыбели». На данный момент человечество как вид представляет собой ребенка, который только-только научился ходить, но уже делает свои первые шаги в космическом пространстве.
Исследование других планет способно значительно расширить возможности человека. Кто знает, возможно, именно на одной из близлежащих планет находится важный ископаемый ресурс, который изменит нашу жизнь? С другой стороны, масштабные космические миссии требуют создания новых технологий. Нужны материалы прочнее и легче, более эффективная энергетика, топливо помощнее, новые системы жизнеобеспечения. Позже эти технологии придут и в нашу повседневную жизнь, и в другие сферы науки.
Например, американская лунная программа «Аполлон» позволила учёным открыть материалы, которые используются в кардиостимуляторах, огнеупорных элементах одежды, дыхательных масках и т.д. Многие технологии пришли и в повседневную жизнь — беспроводные пылесосы, стельки для обуви, тефлон, сублимированная еда и многое другое.
Плюс ко всему — нам не помешает запасная планета.
Какие проблемы нужно решить человеку, чтобы полететь на Марс?
Прежде всего, это проблемы технологий. Первая проблема — энергетика.Чтобы долететь до Марса, космический корабль нужно разогнать до скорости около 16.2 км/с (около 60 тыс км/ч). Но как достичь такой скорости?
Для того, чтобы разогнать космический аппарат и вывести его на орбиту, ученые используют принцип реактивного движения. По сути, этот принцип ощущал каждый, когда играл с воздушными шариками. После того, как мы надули шарик, в нем находится воздух под давлением. Если мы его отпустим, то воздух полетит в одну сторону, а сам шарик — в другую. Это и есть принцип реактивного движения: частички тела летят в одну сторону, а тело — в другую.
Ракеты летают именно на таком принципе. Из-за особого строения сопла двигателя возникают огромные скорости исходящего топлива, что, в свою очередь, и разгоняет ракету до таких огромных скоростей.
Именно так и летают сейчас ракеты, которые отправляют корабли на МКС на высоту 400 км от Земли (для этого корабль разгоняют до скорости примерно 8 км/с).
К слову, ракета-носитель Союз весит примерно 300 тонн, из них около 270 тонн — топливо. Да, космонавты летают на огромной бочке с топливом.
Разогнать корабль до скорости 60 тыс км/ч и отправить его в путешествие на Марс на 55 млн км нелегко, для этого нужна огромная ракета. Такие сверхтяжелые ракеты уже разрабатываются — например, «Енисей» от Роскосмоса, «Чанчжэн-9» Китайского космического агентства, SLS от NASA и Starship компании SpaceX. Быстрее всего, кстати, продвигаются работы у SpaceX. Уже в 2024 году Маск обещает осуществить беспилотный полёт на Марс.
Космический корабль. Пилотируемый полёт на Марс по оптимальной траектории только в одну сторону составит около полугода. Для такого длительного полёта нужен большой корабль, в котором люди смогут комфортно жить, тренироваться, работать и отдыхать. А ракета внушительных размеров требует еще большей энергетики и топлива.
Решением тут может быть модульность — МКС ведь тоже создавалась по частям из относительно небольших блоков, а сейчас — это грандиозное сооружение в космосе, соизмеримое с размером футбольного поля. Возможно, и будущие космические корабли будут создавать по частям на орбите Земли из небольших блоков на небольших ракетах, а потом уже их начнут отправлять на другие планеты.
Полёты на другие планеты Солнечной системы довольно длительны. Полёт на Марс в одну сторону составит около полугода, поэтому важный момент в таком путешествии — обеспеченность ресурсами. Если экспедиция состоит из 7 космонавтов, и каждый из них требует по 1 тонне еды и воды в год, то только 7 тонн будут весить продукты (корабль Союз, на котором космонавты летают на МКС, весит около 7 тонн, а для отправки на МКС используется ракета массой около 300 тонн).
Возможно, часть продуктов отправят попутным рейсом, чтобы не хранить все на корабле, и часть ресурсов будет ждать на Марсе. Здесь может спасти та же модульность.
Радиация. На Земле нас спасает от радиации сильное магнитное поле. Такого магнитного поля ни во время полёта, ни на Марсе нет (на Марсе магнитное поле гораздо слабее земного). Кстати, на Марсе от радиации может спасти марсианский грунт — согласно исследованиям Института медико-биологических проблем Российской академии наук, слой марсианского грунта глубиной несколько метров снизит уровень радиации до допустимого.
Перегрузки. Область моей научной работы — исследование схем возвращения с других планет. И здесь, оказывается, тоже есть проблемы. Для возвращения на Землю космическому кораблю нужно существенного снизить скорость. Это можно сделать с помощью ракетных двигателей — однако такой вариант сложный и дорогой (нужно тащить кучу топлива на Марс, чтобы использовать его на обратном пути). Для снижения скорости можно использовать естественный физический процесс — торможение об атмосферу. Однако тут появляется еще одна нетривиальная проблема: из-за больших скоростей входа возникают существенные перегрузки (больше 25–30 единиц, которые могут быть смертельны для человека).
Решить этот вопрос может эффект рикошетирования об атмосферу. Космический аппарат при определенных условиях будет отскакивать от атмосферы, как камешек, когда мы кидаем «блинчики» по воде, и постепенно снижать свою скорость на каждом погружении. Подробнее об этом эффекте рассказано в видео.
Все эти технические проблемы решаемы, если ими серьезно и целенаправленно заниматься, если будут вложены деньги на развитие существующих технологий.
Но есть и проблемы биологические –сможет ли человеческий организм выдержать сложную и длительную миссию? На МКС такие длительные годовые полеты уже бывали. Для такой миссии космонавты долго тренировались до полета, а после — проходили процесс реабилитации. Биологические проблемы решаются постоянными тренировками своего организма в процессе полёта и развитием систем жизнеобеспечения кораблей и станций.
Сложность представляет также жизнь в замкнутом пространстве на станции. Что-то похожее мы все ощутили во время карантина на дистанционке.
В отличие от полётов на околоземной орбите вблизи Земли, решения на другой планете придётся принимать самостоятельно из-за задержки связи с Землей. Как мы знаем, радиосигнал в вакууме перемещается со скоростью света, а скорость света ограничена. Из-за этого сигнал не может пролететь расстояние от Земли до Марса, например, быстрее примерно 15 минут в одну сторону.
Поэтому при общении с Землей от момента выдачи сообщения до получения ответа будет проходить примерно полчаса. При нештатных ситуациях столько ждать не получится, и эта задержка сигнала — большая проблема, потому что даже при работе на Международной космической станции практически без задержки связи огромное количество людей поддерживает и сопровождает работу космонавтов.
Но самая главная опасность — неизведанность. Любая космическая миссия крайне сложная и наукоёмкая. Предусмотреть всё практически невозможно, поэтому даже на МКС, которой уже около 30 лет, возникают непредвиденные ситуации. Другие планеты мы знаем еще хуже. Их исследуют с помощью роботов — по сути, высокотехнологичных машинок на пульте управления: какие-то общие знания о планетах мы имеем, но для фундаментальных исследований этого недостаточно (разве можем мы с помощью машинки на пульте управления полностью исследовать новый материк?). В таких условиях космонавтам придется самим принимать решения в непредвиденных ситуациях, не всегда будет хватать средств и оборудования.
Когда же мы все-таки сможем полететь на Марс?
Ряд проблем уже решаются — строятся новые корабли и ракеты. Илон Маск обещает завершить разработки к 2024 году, сейчас продолжаются исследования способов защиты от радиации в полете и на Марсе, я изучаю возможные способы посадки. Также проводятся эксперименты, моделирующие межпланетные полёты для исследования биологических проблем. Работа ведется. И хочется верить, что хотя бы через 15–20 лет, профессиональные космонавты все-таки побывают на Марсе.
С учетом «бума» полёта космических туристов в этом году, можно рассчитывать, что как только полёты профессиональных космонавтов на Марс станут регулярными, сфера космического туризма тоже предоставит услуги полётов на другие планеты, ведь спрос уже велик. Надеюсь, что уже через 30–45 лет полёты на другие планеты станут доступны для каждого из нас, и мы будем летать в отпуск не на море, а на Марс!
Еще больше о космосе я пишу в своем Telegram-канале Procosmos. Если остались вопросы по этой статье — можно написать мне в бот канала, а я постараюсь на них ответить.
