Реквием по мечте
Космические технологии, о которых можно надолго забыть
Мы живем в обществе, зависящем от науки и технологии, в котором почти никто не разбирается в науке и технологии.
Карл Саган
В августе прошлого года NASA закрыло институт передовых идей (NASA Institute for Advanced Concepts). Его проекты были рассчитаны на четыре десятилетия, однако не просуществовали и 20 лет. Американцы с подозрительной легкостью отказались от космоса, который они так яростно покоряли в середине прошлого века. Никаких других прорывов в этой области сегодня нет и не предвидится. Прошло почти 40 лет с тех пор, как люди высадились на Луне, но мы — вооруженные немыслимыми в те времена технологиями — до сих пор не показываем носа дальше орбиты Земли. Получается, что наши дети будут по-прежнему «слышать рокот космодрома» и читать в интернете о том, что допотопная химическая ракета вывела на орбиту еще один спутник связи?
Сослагательное наклонение — инструмент мечты. Но сегодня мы решили сделать исключение из этого правила и взглянуть на историю, сняв розовые очки оптимизма. Что бы сказали великие фантасты прошлого века о нынешних черепашьих темпах освоения космоса? Почему люди так упорно цепляются за маленькую голубую планету и от чего отказываются?
Мозги! Мозги!
Что общего между зомби и стратегами оборонных ведомств? Все они разыскивают мозги. Научная история 19 века создавалась гениальными одиночками — «безумными учеными», переписывавшими законы реальности в перерывах между ланчем и крикетом. Прогресс 20 века обеспечивался не мыслителями в высоких белых башнях, а сплоченными коллективами неглупых людей, подстегиваемых духом соревнования: от трансатлантических перелетов до космической гонки и конкурсов частных орбитальных кораблей.
Одним из проектов NIAC был марсианский скафандр с покрытием из престина (протеина), вырабатывающего электричество от движений человека.
Разработка и реализация комплекса сложнейших задач одиночкам уже не под силу. Качество зависит от количества. Миллиарды обезьян с печатными машинками якобы способны написать пьесу Шекспира, а если собрать в одном месте критическую массу многообещающих ученых, то проблески их таланта сложатся в сверхновую идею. Это быстро осознали в США, сконцентрировав передовой научный потенциал в Манхэттенском проекте, и в СССР, создавшем множество закрытых «почтовых ящиков».
В перспективе ученые хотели разработать самовосстанавливающееся белковое покрытие для марсианской базы, вырабатывающее электричество под действием ветра.
Подобные фабрики прогресса выдают на-гора готовые и просчитанные до мелочей проекты. При надлежащем бюджетном финансировании они приносят столь невероятные плоды, что авторы-фантасты рвут незаконченные рукописи на столах и волосы на головах.
Еще один проект — яйцевидные роботы весом 100 г, передвигающиеся прыжками высотой до 1,5 метра. С их помощью можно легко исследовать недоступные для марсоходов места — например, марсианские пещеры.
Но именно здесь скрывается главная опасность для коллективов «кузнецов будущего». До последней четверти 20 века перед ними ставились чрезвычайно амбициозные, но вполне реальные цели: первый полет человека в космос, экспедиция на Луну, постоянная орбитальная станция... Холодная война кончилась, идеология и престиж уступили место здравому прагматизму. России было не до звездных войн, а США, как ни странно, начали выставлять перед своими учеными задачи, явно позаимствованные из библиотечного каталога научной фантастики.
NASA решило сэкономить на NIAC 4 миллиона в год (из своего 17-миллиардного бюджета), так как агентство не успевает с программой Orion — заменой шаттлов.
Некоторые страны пытались вести параллельные разработки на бумаге, а американцы очертя голову вкладывали в них миллионы долларов. Это поначалу вызвало некоторый всплеск оптимизма — мол, не все еще потеряно и Солнечная система будет освоена с небольшим отставанием от графика. Однако идиллия вскоре закончилась. Ни один из проектов «послезавтрашнего дня» ни на йоту не приблизился к стадии реализации. Мы не увидим космический лифт, марсианского робота Entomopter, обитаемые пещеры на Марсе, магнитные паруса и многое другое. Подробности? Пожалуйста.
Вам на какой этаж?
В 1895 году Константин Циолковский, вдохновленный Эйфелевой башней, предложил построить башню «до небес» высотой 35790 километров. Она позволила бы людям путешествовать на орбиту с помощью обычного лифта.
Возведение здания столь колоссальной высоты и массы, конечно, нереально. Самое высокое здание планеты, строительство которого реально ведется, лишь немного превышает полкилометра, а наиболее дерзкий проект нашего времени — японский Икс-Сид — мог бы достигнуть высоты, обозначенной его порядковым номером (в метрах), если бы не был очередной концептуальной разработкой дизайнеров.
Художник ошибся: лифт нужно размещать на экваторе.
В 1959 году советский ученый Юрий Арцутанов предложил заменить башню тросом, приблизить спутник к Земле, а чтобы он не упал, сделать противовес за геостационарной орбитой. Толщина кабеля должна быть максимальной около станции (в месте наибольших нагрузок) и минимальной на Земле, чтобы уменьшить вес всей конструкции.
В 1966 году четыре американских инженера Айзакс, Вайн, Бахус и Брэднер подсчитали, что требуемая прочность троса для космического лифта вдвое превосходит прочность известных науке материалов.Это интересно
В Москве порядка 500 000 километров проводов, что по суммарной протяженности хватило бы на 13 космических лифтов.
Вес лучшего троса из нанотрубок составит как минимум 20 тонн. Грузоподъемность космических шаттлов составляет 30 тонн, однако последний шаттл будет списан уже в 2010 году.
Космические лифты удобно строить на других планетах. Марсианский будет почти вполовину короче, а лунный, наоборот, можно протянуть на расстояние от 50 до 100 тысяч километров.
Углеродная нанотрубка. В сто раз прочнее стали, в 10000 раз тоньше волоса.
Чуть позже свою лепту в эту идею внес Артур Кларк, протянувший космический лифт с вершины горы («Фонтаны рая»). Хайнлайн обратил внимание на уязвимость подобных сооружений перед террористами («Пятница»), а Ларри Нивен предложил использовать органический «кабель», выращивая его буквально до заоблачных высот («Радужный Марс»).
Космический лифт глазами советских футуристов («Техника молодежи», 1970).
Если за какую-то научную идею берутся фантасты — это верный знак, что ученые от нее уже отказались. С космическими лифтами случилось то же самое. Концепция стала считаться бесперспективной из-за отсутствия подходящих материалов для троса.
В конце 20 века заговорили об углеродных нанотрубках — самом прочном (на растяжение) материале в мире. Именно тогда NASA ухватилось за возможность применения нанотрубок в космическом лифте. Институт передовых идей подготовил все необходимые данные, включая проектировочную документацию, схему энергоснабжения, способы защиты от атмосферных явлений и колебаний троса....
Но ученые споткнулись на прежнем месте. Согласно расчетам, трос должен выдерживать механическое напряжение в 130 гигапаскалей. Между тем современные многослойные нанотрубки «держат» лишь около 63 гигапаскалей.Что дальше?
После отказа правительства США от разработки космического лифта эта инициатива оказалась целиком в частных руках. В апреле 2003 года была создана компания LiftPort (liftport.com). Два года спустя она объявила о строительстве завода по производству троса из углеродных нанотрубок, а в 2006 испытала 1,5-километровый трос на воздушных шарах, вдоль которого ездили небольшие автоматические лифты. Компания рассчитывает запустить полноценный лифт на орбиту к 2031 году.
Кое-кому эта затея может показаться столь же сомнительной, как и продажа участков на Луне. В этом случае следует обратить внимание на соревнования Elevator: 2010, спонсируемые тем же NASA. За разработку подходящего троса и способа передачи энергии лифту выплачивается по 500000 долларов соответственно.
Прекрасные новые миры
Планета 2M1207b рядом со своей звездой.
Миссия «Новые миры» была ориентирована, как следует из ее названия, на поиск планет в других звездных системах. Как ни странно, но наблюдать за звездами астрономам мешают... звезды. Планеты обычно располагаются близко к своим светилам, и отражаемый ими свет теряется в излучении звезд.
Предполагается, что около четверти наблюдаемых звезд могут иметь планетарные системы. Пока что удалось сфотографировать всего одну экзопланету 2M1207b (173 световых года от Земли) — да и то потому лишь, что она в 5 раз больше Юпитера и вращается вокруг тусклого коричневого карлика на большом расстоянии (примерно как от Плутона до Солнца).
Поиск планет через «зонтик» (рисунок с сайта NASA).
Астрономы уже давно научились выкручиваться из таких ситуаций, закрываясь от солнечного света «искусственной Луной». Институт передовых идей предлагал сделать то же самое — но в глобальном масштабе. На околоземной орбите планировалось раскрыть «зонтик» размером с футбольное поле с 10-метровым отверстием посередине. Это позволило бы отсеивать лучи звезд и наблюдать лишь свет их планет. Наблюдения можно будет производить обычными телескопами, однако их точность повысилась бы на несколько порядков. «Зонтик» мог бы функционировать несколько лет, дав возможность изучить порядка 75 звезд, удаленных от нас на расстояние до 100 световых лет.
Проект «Новые миры» позволял бы анализировать химический состав атмосфер других планет на предмет наличия жизни, а также делать детальные фотографии, на которых можно было бы даже различить океаны и материки.
Интерес к проекту был очень вялым. В 2013 планируется завершить эксплуатацию телескопа «Хаббл». Телескоп Джеймса Уэбба, идущий ему на смену (и существующий пока лишь на бумаге), будет «видеть» только в инфракрасном спектре. Остается предположить, что инопланетяне, контролирующие мировые правительства, очень не хотят быть обнаруженными.
Стрекоза и муравей
Ученые давно подумывают о том, чтобы запустить на Марс не колесного робота, а летающего. Проблема заключается в том, что плотность атмосферы Красной планеты составляет лишь 37% от земной. Для поддержания веса научного оборудования воздушные шары должны быть поистине гигантскими (как следствие — трудноуправляемыми), а минимальная скорость крылатых машин, необходимая для поддержания их в воздухе, составит 450 километров в час. В обоих случаях приземление и сбор образцов представляют серьезную проблему.
У Роберта Михельсона, создателя Entomopter, уколы — полный улет!
Это интересно
Испытания «стрекозы» проводились на миниатюрной модели. При взлетном весе в 50 г она брала на «борт» 10 г полезной нагрузки. На Марсе предполагалось использовать аппарат с размахом крыльев в 1 метр.
О судьбе Entomopter можно не беспокоиться. На Марс он уже не полетит, но имеет все шансы поступить на военную службу. За финансирование разработки аппарата взялось оборонное агентство DARPA.
Изготовление крыльев Entomopter с помощью лазерной стереолитографии.
Институт передовых идей предлагал использовать орнитоптер, а если точнее — четырехкрылый насекомоподобный аппарат Entomopter. Частота колебаний крыльев (60 герц, то есть 60 взмахов в секунду) удерживает его на лету даже в марсианской атмосфере.
Уникальность аппарата в том, что он приводится в движение искусственными мускулами, переводящими энергию химических реакций в движение напрямую (без сгорания реагентов). Им не требуется кислород, они могут работать в широком диапазоне температур и имеют солидный запас хода. Эффективность мускулов повышается многократным использованием всех побочных продуктов химических реакций.
Entomopter на Марсе.
Пылевые бури со скоростью ветра до 100 м/с бывают на Марсе лишь весной. Entomopter мог бы действовать в безветренный сезон в паре с марсоходами Spirit и Opportunity, восполняя их низкую мобильность.
Пещерные люди
Флаг Марса, одобренный Марсианским обществом (известные инженеры, фантасты и режиссеры). Красная полоса — Марс сейчас, зеленая — Марс после высадки растений, синяя — Марс с водой.
Кто-то может возразить, что никакого сворачивания космических программ не происходит. В 2004-м Джордж Буш объявил о том, что к 2010-му году взамен шаттлов полетят «Орионы» (в сентябре этого года должна быть испытана его спасательная капсула), к 2020 американцы вернутся на Луну, а впоследствии оставят след на Марсе. Неизвестно, как отнесутся к этим ковбойским планам следующие хозяева Белого дома, однако программа разработки жилища для марсианских колонистов уже свернута.
Идея была проста и элегантна. Вместо того чтобы тратить драгоценные ресурсы на возведение жилищ с защитой от негостеприимного климата Красной планеты, можно использовать уже готовые убежища, предоставленные самой природой, — пещеры. Помимо них, перспективными местами для размещения баз считаются неглубокие каньоны и лавовые трубки, недавно обнаруженные на поверхности.
Преимущества такого размещения огромны. Подземные пустоты защитят колонистов от пылевых бурь, радиации и микрометеоритов. Они облегчают доступ к воде (возможно, залегающей под землей в виде льда), полезным ископаемым и гипотетической жизни, обитающей в стабильном климате пещер.
Главным «строительным материалом» могли бы стать надувные модули — легкие и прочные. В минусы можно записать тот факт, что, согласно недавним исследованиям, марсианская вода может изредка таять и выходить на поверхность, в связи с чем существует угроза затопления подземных баз.
Зонд «Одиссей» не только обнаружил признаки залегания льда под почвой Марса. Он нашел 7 пещер на склоне вулкана Arsia Mons со средней глубиной около 70 метров. Суточные колебания температур в них на треть меньше, чем на поверхности планеты.
База в марсианской пещере.
Вход в марсианскую пещеру (снимок орбитальной камерой с разрешением порядка 800 мегапикселей).
Попутного ветра!
Магнитный парусник.
Путешествие к Марсу — одно из самых малозатратных в плане топлива по сравнению с экспедициями к другим планетам Солнечной системы (дешевле долететь лишь до Венеры). При ускорении обычными ракетными двигателями оно занимает 9 месяцев. Данный срок можно сократить еще на несколько месяцев за счет более длительного ускорения и мощного торможения, однако топливные затраты возрастают многократно.
Более эффективные средства доставки — например, атомные двига — позволили бы уменьшить путь к Красной планете до двух недель разгона и торможения, однако пока что это остается уделом космолетчиков из фантастических романов.
Солнечный парус — идея старая и обесцененная временем. Ни один из экспериментов по развертыванию космического паруса на орбите не принес удовлетворительных результатов — то ракета упадет, то парус раскроется лишь частично. Сложности с развертыванием парусов, их низкая прочность и уязвимость перед микрометеоритами заставили NASA исследовать другой «материал» для их изготовления — магнитные поля.
Технология магнитного паруса основана на свойствах магнитосферы Земли. Она, как и другие планеты Солнечной системы, имеет защиту от солнечной радиации — магнитное поле, имеющее форму пузыря. Без него космическая радиация и солнечные вспышки давно выжгли бы поверхность Земли дотла. Магнитный пузырь улавливает солнечный ветер и «надувается», однако наша планета слишком велика, чтобы эта тяга оказала на нее какое-либо влияние. Предполагается, что если создать мощное магнитное поле вокруг небольшого космического аппарата, то оно будет толкать его вперед не хуже «материального» солнечного паруса.
Солнечный ветер достигает 800 километров в секунду и может «раздувать» магнитный парус в десятки раз.
Строго говоря, магнитный парус — это петля вокруг корабля, изготовленная из сверхпроводника, по которому течет постоянный ток. Оборудование, необходимое для создания магнитного поля, сравнимо по весу с солнечным парусом и механизмом его развертывания. А площадь поперечного сечения магнитных полей стократ превышает площадь, охватываемую петлей, что делает магнитный парус значительно эффективнее солнечного.
Генератор плазменного паруса и его испытания в вакуумной камере.
Эффективность таких парусов обратно пропорциональная квадрату расстояния от Солнца. Ученые предлагали решить данную проблему с использованием электропроводящей плазмы, заключенной в магнитном поле. С удалением от Солнца такой «парус» раскрывался бы все шире и шире, сохраняя прежнюю тягу. На поддержание его работы потребуется в среднем около 1 киловатта на 1 ньютон тяги, что вполне под силу небольшому ядерному реактору. К тому же в подобной системе отсутствуют механические части (основной источник проблем при развертывании солнечных парусов), что делает ее более надежной.
Крупнейшая из известных — магнитосфера Юпитера. Если бы мы могли ее наблюдать, она была бы размером с Луну. Фактически, это самая крупная «вещь» в Солнечной системе.
Внешне это бы выглядело как консервная банка, открытая с двух сторон. Она испускает в космос газ (аргон или гелий), через который пропускается разряд и создается плазма. Процесс можно сравнить с выдуванием мыльных пузырей. Магнитное поле удерживало бы плазму, собирающую солнечный ветер. Подобная установка с успехом была испытана в вакуумной камере на Земле, однако дальше этого дело не пошло.
* * *
Какими бы фантастичными ни казались эти проекты, все они, по сути, — лотерейные билеты на другие планеты: даже если сработает один из них, это уже станет серьезным прорывом. Наука 21 века движется по рельсам информатики и генетики. Не то чтобы людям расхотелось летать в космос. Просто это стало невыгодно.
После развала СССР увлечение космонавтикой стало сходить на нет. Россия продолжает использовать старые наработки. С новациями дела идут туго, ведь даже система ГЛОНАСС реализуется с такой скоростью, которая на Западе считается хорошим поводом для отставки руководства проекта. США финансируют в основном не дела, а концепции. Сегодня значительная часть творческих усилий NASA идет на создание презентаций грядущих полетов на Луну и Марс. Неужели для освоения космоса обязательно нужна маленькая, не обязательно победоносная и желательно — холодная война?
Модуль «Ориона» и его посадка. На этом корабле NASA обещает вернуться на Луну и покорить Марс.
