Парадигма полета на Марс



В настоящий момент Марс находится в центре научных исследований с точки зрения колонизации. Условия и наличие воды на поверхности делают Марс самой «гостеприимной» из всех планет Солнечной системы. Из-за усиленного темпа развития технологий необходимость заботы о будущем человечества на Земле увеличилась, поэтому колонизация космоса стала основной задачей современной науки [1].

В процессе изучения поверхности Марса с помощью автоматических зондов были выявлены следующие сходства условий на поверхности с Землей:

1. Количество суши на Марсе занимает 28,4 % от всей поверхности, что немного меньше, чем это же соотношение для поверхности Земли (29,2 %);
2. Марс имеет наклон оси в 25,19°, похожий на земной 23.44°. В результате, у Марса есть сезоны подобно Земле, хотя они длятся почти вдвое дольше, поскольку марсианский год составляет порядка 1,88 земных лет;
3. Последние наблюдения НАСА подтверждают наличие водяного льда на поверхности Марса.

Помимо относительного сходства условия Марса и Земли обладают существенными различиями:

1. В ходе моделирования марсианской биосферы на данный момент установлено, что, кроме некоторых экстримофильных микроорганизмов, растения и животные не смогут выжить в условиях окружающей среды на Марсе;
2. На поверхности Марса сила тяжести на составляет 38 % от земной, что может вызвать ухудшения здоровья у космонавтов;
3. На Марсе гораздо холоднее, чем на Земле: средняя поверхностная температура составляет от -87 до -5 °C.

Цели колонизации Марса: создание постоянной базы для научных исследований самого Марса и его спутников, промышленная добыча ценных полезных ископаемых и решение демографических проблем Земли. Основной задачей является создание «Колыбели Человечества» на случай глобального катаклизма на Земле. Но для достижения поставленных целей необходимо преодолеть множество ограничивающих факторов [2].

Главной сложностью в осуществлении полета на Марс является разработка соответствующего поставленной задаче летательного аппарата. Летательные устройства, отправляемые в космос, работают на топливе, запасов которого будет недостаточно для преодоления столь большого расстояния между планетами. Наиболее выгодным, с точки зрения экономии горючего, будет перелет по полуэллипсу, касательному к орбитам Земли и Марса. В этом случае ракете нужно сообщить начальную скорость 11,59 км/сек. Перелет займет 259 суток, или восемь с половиной месяцев. Более быстрым и затратным с точки зрения топлива является перелет с Земли на Марс по параболической траектории. Если сообщить ракете начальную скорость 16,7 км/сек, она достигнет поверхности Марса за 70 суток. Дальнейшее увеличение начальной скорости приведет к соответствующему сокращению времени полета и повышению объемов топлива. Посадка на поверхность Марса представит серьезные трудности, так как скорость к моменту встречи с планетой достигнет 20,9 км/сек и ее торможение потребует значительного расхода горючего.

Данную проблему можно решить путем использования ядерной энергии [3]. Современной разработкой является ядерная энергетическая установка мегаваттного класса. Она основана на комбинации ядерного реактора и ионных двигателей. Особенность разработки заключается в использовании специального теплоносителя — гелий-ксеноновой смеси, высокотемпературного газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах, труб, изготовленных из молибденового сплава, урана более высокого обогащения и температурой в реакторе до 1500 К. Ядерный реактор способен долго снабжать установку энергией, имея при этом габаритные размеры значительно меньшие по сравнению с размерами эквивалентных баков жидкого ракетного топлива, которые используются на сегодняшний день.

Достоинства ядерной энергетической установки:

1.Возможность долететь до Марса за 1,5 месяца и вернуться обратно, в то время как полёт с использованием современных двигателей может занять полтора года без возможности вернуться;

2.Способность маневрировать и ускоряться, в отличие от прочих установок, способных лишь разогнать, а дальше двигаться по заданной траектории;

3.Сокращение издержек на обслуживание благодаря высокому ресурсу (возможность 10-летней эксплуатации);

4.Увеличение выводимой на орбиту массы ввиду отсутствия больших топливных баков.

Недостатки ядерной энергетической установки:

1.Риск радиоактивного заражения в случае нештатной ситуации;

2.Высокая стоимость конструкции.

Данная двигательная установка способна полностью удовлетворить требования, поставленные инженерами и учеными для достижения заданной цели, но ее стоимость приблизительно оценивается в 17 млрд рублей. Кроме того, загадочный космос полон различных опасностей. Из-за этого существует необходимость в отправке сразу нескольких космонавтов, что также увеличивает стоимость экспедиции. Отсюда вытекает следующий ограничивающий фактор — крайне высокая стоимость доставки колонистов и грузов на Марс.

Для эффективного решения расчетных и проектировочных задач данный финансово-емкий и технологически-объемный проект необходимо реализовывать на базе международного сотрудничества. В 2011 году НАСА выражало заинтересованность в совместной работе над проектом на ранних этапах его развития. Предполагалось, что главным технологическим вкладом России в экспедицию к Марсу должны стать ядерный двигатель, а также методы защиты экипажа. В марте 2016 года руководитель НАСА Чарльз Болден выступил с заявлением о том, что НАСА рассматривают свою программу пилотируемого полета на Марс, как международный проект с участием множества стран, России в том числе. По его мнению, политические разногласия не должны стоять на пути освоения космоса.

Важно помнить, что ни один микроорганизм не должен попасть на Марс. Поэтому специалисты, взаимодействующие с космической техникой и устройствами, имеют защитную униформу. Она необходима для защиты от микробов, которые способны жить в космических условиях. Примером таких микроорганизмов является deinococcus radiodurans, для которого 5000 Грей гамма-излучения не представляет опасности (смерть человека наступает при излучении 5 Грей). Deinococcus не приносит вреда человеку, однако вполне вероятно, что она может стать губительной для инопланетной жизни. Как отметили эксперты, впредь все корабли, которые будут отправляться на Марс, будут создаваться в особых тепловых условиях, которые позволят избежать переноса земных микроорганизмов на осваиваемые планеты.

Также опасность для колонистов представляют астероиды и метеориты. Помимо этого, в пространстве между Марсом и Землей присутствует космический мусор, который движется со скоростью, в 50 раз превышающую скорость пули. Чтобы противостоять столкновениям, необходимо оснастить корабль прочной броней, однако это значительно увеличит вес конструкции. В связи с этой проблемой ведутся разработки альтернативных способов защиты летательного аппарата при столкновении с высокоскоростными телами. Иллюстрирующим примером является герметизация корпуса специальным застывающим в вакууме веществом, находящимся в составе корпуса летательного аппарата, которое позволяет сохранить герметичность конструкции в течение всей экспедиции. Также ведутся исследования в области создания средств разрушения космического мусора на безопасном расстоянии от космического корабля.

Немаловажным ограничивающим фактором является отсутствие необходимой экипировки для космонавтов. Недостатком современных скафандров является их громоздкость. Для того чтобы чувствовать себя комфортно на Марсе, человеку необходим более облегающий скафандр, вес которого составил бы около двух килограммов. Для решения поставленной задачи немецкие инженеры разработали плотно прилегающий к телу костюм Skinsuit («Вторая кожа»), который сшит из двунаправленной эластичной ткани из полиуретанового волокна. Костюм плотно сдавливает тело от плеч до стоп, имитируя обычное давление. Также совсем недавно сотрудник Массачусетского института Дэва Ньюмен представила новый скафандр Biosuit («Биокостюм»), который предоставляет астронавтам большую мобильность и предупреждает травмы. Biosuit представляет собой плотно стянутую ткань из полимеров и активных материалов — сплава никеля и титана, поэтому самостоятельно оказывает давление на ткань человека, предотвращая её расширение и оставаясь при этом упругим и эластичным. Также, поскольку этот костюм разделен на автономные секции, в случае прокола одной части у космонавта будет время наложить «повязку».

Марсианские патогены представляют значительную угрозу для колонистов. Любой патоген Марса способен убить все живое на нашей планете. Космонавтов, собирающихся в путешествие на Марс, необходимо по возвращении на Землю поместить в долгосрочный карантин. Но также существует вероятность, что марсианские микробы могут попасть на Землю с поверхности корабля, оборудования или скафандров. Более того, астронавты могут привезти их в собственных телах. Изучением данной проблемы серьезно занялись инженеры НАСА. BILI (Bio-Indicator Lidar Instrument) — новая система сканирования, предназначенная для обнаружения патогенных микробов здесь, на Земле, но ученые полагают, что она сможет сыграть значительную роль и при исследовании Марса на предмет наличия на его поверхности следов биологической жизни. Два ультрафиолетовых лазера BILI способны обнаружить молекулы биологических маркеров в марсианской пыли. Преимущество этого устройства заключается в том, что оно может сравнительно быстро просканировать довольно большую площадь планеты.

Важную роль в полете на Марс играет человеческий фактор. Наблюдение за здоровьем после полета в космос показало, что у работников Международной космической станции понизилось содержание гемоглобина и кровяное давление. Из-за невесомости ослабели мышцы и кости, за месяц полета терялось до 2 % костной массы. Уже через неделю пребывания в невесомости объём сердца уменьшается на четверть, с чем и связано ослабленное кровообращение [4]. Для устранения негативных последствий невесомости учеными предлагается использование космонавтами на борту экзоскелетов. Экзоскелет — устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей. Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. Разработкой российского экзоскелета занимается команда учёных из проекта ExoAtlet, первого российского медицинского экзоскелета для реабилитации, социальной адаптации и интеграции людей с нарушением локомоторных функций нижних конечностей. В настоящее время создано несколько действующих прототипов изделия.

Также межпланетный перелет представляет собой серьезнейшую психологическую нагрузки для космонавта. Экипаж будет находиться за десятки миллионов миль от дома и участвовать в миссии, которая продлится около года. Члены экипажа будут испытывать сильное чувства изоляции [5]. Для обеспечения комфортной психологической обстановки на борту разрабатываются компьютерные программы для оказания помощи экипажам в личных и межличностных проблемах при отсутствии непосредственного общения со специалистами на Земле.

Нельзя упускать из внимания и радиационную опасность. Галактика пронизана быстро движущимися частицами, способными разрушать ДНК и другие молекулы. На поверхности Земли человека защищает от космической радиации масса воздуха. Космонавты на низких околоэкваториальных орбитах защищены магнитным полем Земли. Но здоровью тех, кто надолго отправится в путешествие к другим планетам, грозит серьезная опасность. Космические лучи могут стать причиной катаракты, повреждений мозга, влияют на когнитивные процессы, состояние сердечно-сосудистой и репродуктивной систем, вызывают рак. На сегодняшний день существует три метода защиты от космической радиации [6]:

1. Защита космического летательного аппарата от излучения веществом. Толстый слой вещества вокруг космонавтов поглощает падающую радиацию и вторичные частицы. Сферическая водяная оболочка толщиной 5 м создает такую же защиту, как атмосфера Земли на высоте. К достоинствам метода можно отнести простоту реализации и гарантию надежности, к недостаткам — большую массу слоя вещества, утяжеляющего конструкцию.
2. Магнитная защита космического летательного аппарата от излучения. Электромагнит отталкивает падающие частицы обратно в космос. Чтобы отразить основной поток космических лучей с энергиями до 2 ГэВ, требуется магнитное поле в 600 тыс. раз сильнее земного на экваторе. К достоинствам метода можно отнести малую массу защитной конструкции, к недостаткам — невозможность защиты от излучения вдоль оси корабля.
3. Электростатическая защита космического летательного аппарата от излучения. Выбрасывая в пространство пучок электронов, корабль приобретает положительный заряд, который отталкивает космические лучи. Чтобы отклонить частицы с энергиями до 2 ГэВ, корабль должен быть заряжен до 2 ГВ. К достоинствам метода можно отнести полную защиту корабля по всем направлениям, к недостаткам — возникновение опасного притока отрицательно заряженных частиц, необходимость электрического поля гигантского напряжения.

Разреженная атмосфера Марса слабо защищает от космических лучей. Перспектива постоянного поселения зависит от того, смогут ли биомедики разработать лекарство от радиации. В 2003 г. НАСА учредило Национальную лабораторию космической радиации для изучения молекулярных механизмов повреждения клеток, надеясь создать лекарство для их лечения и восстановления. Лаборатория тщательно исследует разрушение ДНК радиацией и типы ран, не поддающихся лечению.

Подводя итоги изучения всех сложностей полета на Марс, можно сделать вывод о том, что, несмотря на трудности, человечество мчится вперед в своих открытиях, и инженерная мысль не стоит на месте. Как мы помним, ученые не были против экспедиций на Луну: 40 лет назад эти полеты действительно принесли пользу науке и при этом не повредили природу Луны. Однако сегодня, когда речь заходит о Марсе, мнение ученых совсем иное. Марс — уникальный заповедник, возможное пристанище (или хранилище останков) внеземной жизни. Разумеется, рано или поздно пилотируемая экспедиция на Марс состоится. Быть может — всего одна, но она поднимет всю человеческую цивилизацию на новую, более высокую ступень развития, позволит решить многие проблемы, над которыми бьются специалисты сегодня. Безусловно радиационная опасность приглушает блеск идеи космических путешествий. И все равно люди будут стремиться к Марсу, мечтая о колонизации Вселенной.

Литература:

1. Сурдин В. Нужно ли человеку лететь на Марс? //Наука и жизнь. — 2006. — №. 4. — С. 32–33;
2. Комаров И. С. Проблемы колонизации Марса //Новая наука: Современное состояние и пути развития. — 2016. — №. 4–3. — С. 91–92;
3. Легостаев В. П., Лопота В. А., Синявский В. В. Перспективы и эффективность применения космических ядерно-энергетических установок и ядерных электроракетных двигательных установок //Космическая техника и технологии. — 2013. — №. 1. — С. 6–17;
4. Паркер Ю. Как защитить космических путешественников //М:«В мире науки. — 2006. — №. 6;
5. Степанова С. И. и др. Полет на Марс: прогностический анализ сопутствующих психологических проблем //Авиакосмическая и экологическая медицина. — 2003. — Т. 37. — №. 5. — С. 46–50;
6. Пат. 2069898 Российская Федерация, МПК G21C11/02, Радиационная защита космической ядерной энергетической установки / Еремин А. Г., Коробков Л. С.; заявитель и патентообладатель: Государственное предприятие «Красная Звезда». — 93016636/25; заявл. 31.03.1993, опубл. 27.11.1996.