Не нужен нам берег турецкий - и даже Луна не нужна!
На одном замечательном сайте, на котором я иногда черпаю вдохновение для написания своих статей о космосе, есть обсуждение вопроса планетарных баз.
Все возможные цели для постройки такого рода баз рассмотрены там максимально детально и сводятся к следующему списку возможных задач:
- исследовательская база - получение первичных знаний о планете или её спутнике для целей дальнейшей колонизации и использования;
- научная база - сооружение, призванное обеспечить мониторинг и исследование поверхности планеты, её недр, атмосферы и будущей биосферы и гидросферы на постоянной основе;
- топливная база - хранилище топлива и реактивной массы для нужд межпланетных путешествий;
- стартовый стол - космодром, основанный на не-ракетных принципах запуска полезной нагрузки;
- военная база - защитное сооружение для обороны поверхности планеты от нападения из космоса;
- ремонтная база - место для ремонта космических кораблей и планетных механизмов;
- сельскохозяйственная база - выращивание растений, животных и микроорганизмов для нужд населения колонии, получение кислорода для нужд людей;
- горнодобывающая база - разработка полезных ископаемых для нужд космоса и Земли;
- индустриальная база - фабрика по производству различной продукции из местных материалов;
- терраформирующий узел - сооружение, призванное изменить атмосферу, гидросферу и литосферу планеты в состояние, пригодное для проживания человека;
- торговый и транспортный узел - сооружение, осуществляющее временное складирование грузов и их перепродажу, занимающееся перевозкой и временным размещением пассажиров;
- пиратская гавань - нелегальное сооружение, сочетающее в себе топливную, военную и ремонтную базу с функциями торгового и транспортного узла, но управляемое вне рамок централизованного правительства с преступными целями;
- налоговая и оффшорная гавань - полулегальное сооружение, используемое легальными корпорациями для неафишируемой или запрещённой законодательством деятельности, для ухода от требованией налогов. разрешений и лицензий.
- Первичное научное изучение планеты (исследовательская и научная базы);
- Первичное освоение планеты централизованной, плановой экономикой и построение начальной инфраструктуры (топливная база, стартовый стол, военная база, ремонтная база);
- Создание производящей экономики (сельскохозяйственная, горнодобывающая и индустриальная базы);
- Создание вторичной экономики на первичном субстрате (транспортный, торговый и терраформирующий узел, пиратские, налоговые и оффшорные гавани).
Во-первых, конечно же, первый этап - первичное изучение планет Солнечной системы, их спутников, комет и астероидов, происходит на наших с вами глазах.
К настоящему времени автоматические исследовательские аппараты человечества уже побывали возле всех «настоящих» планет Солнечной системы, проведя, как минимум, детальное поверхностное картографирование их поверхности и изучение основных физических параметров их атмосферы и поверхности.
На поверхность Марса, Венеры, Луны и Титана были даже осуществлены множественные удачные мягкие посадки, которые позволили получить массу уникальных сведений прямо с поверхности этих небесных тел.
К сожалению, ни в случае со спутником Марса, Фобосом (аппарат «Фобос-Грунт»), ни в случае астероида (миссия робота «Минерва» на аппарате «Хаябуса») пока что достичь успешных мягких посадок так и не удалось.
С другой стороны, успешные миссии «Стардаста», основного модуля «Хаябусы» и «Розетты»-«Филы» к околосолнечным кометам и астероидам дают надежду на то, что исследование поверхности малых небесных тел будут продолжены и принесут новые научные результаты.
«Розетта» и посадочный модуль «Филы» возле кометы Чурюмова-Герасименко в представлении художника.
Уже тут мы видим существенное отличие исследовательских миссий к астероидам и кометам от миссий к крупным планетам Солнечной системы. Несмотря на «бесплатное» торможение об атмосферу Венеры, Земли или даже Марса, посадка на крупное небесное тело типа планеты или большого спутника - дело рискованное и затратное.
Посадочные аппараты бились, бьются - и будут биться о поверхности планет, не сумев погасить избыточную скорость приблежения к планете за счёт баллистического, парашютного или ракетного торможения в атмосфере крупного небесного тела.
А в этом случае это обычно - бесславная гибель, как это произошло в апреле 2004 года с межпланетным аппаратом «Генезис», который разбился при посадке на Землю после сбора образцов космической пыли.
Разбившийся «Генезис» в пустыне Юты.
Такая катастрофическая посадка «Генезиса» произошла по банальнейшей причине: по давней космической привычке (как и на нашем «Протоне») один важный акселерометр внутри аппарата, который должен был включить парашютную систему спускаемого модуля, оказался вставлен в схему «вверх ногами», в результате чего цепь, которая должна была выстрелить парашюты при падении ускорения с 30 g до допустимого для парашютной системы 3g - так и не сработала.
Что интересно, в миссии «Стардаста» за веществом кометы Вильда, которую «Локхид Мартин» успел запустить на два года раньше «Генезиса», этот акселерометр был вставлен правильно, что и спасло аппарат при посадке в январе 2006 года. Вероятность 50% сработала, как говорится, на «все сто».
С другой стороны, мягкие посадки на астероиды сопряжены с совершенно иными трудностями. Тут вероятнее не разбиться, а скорее - улететь обратно в космос, в силу очень слабого притяжения этих небесных тел. Обеспечить первую, а то и вторую космическую скорость на таких небесных телах проще простого: для многих небольших астероидов для этого вполне хватит теннисной ракетки и ваших собственных мускульных усилий.
Именно так был потерян посадочный модуль японского зонда «Хаябуса», крошечный робот «Минерва», который должен был автономно передавать изображения поверхности астероида Итокава. Судя повсему - робот просто не смог погасить остаточную скорость, приданную ему «Хаябусой» при посадке, отрикошетил от поверхности Итокавы - и снов аулетел в открытый космос.
Потерянная на Итокаве «Минерва»
Таким образом, уже на первых стадиях освоения космического пространства видна заметная разница между крупными планетами и кометами и астероидами: мы уже получили образцы вещества астероида (основная миссия зонда «Хаябуса») и кометы (миссия «Стардаст»), в то время, как анализ грунта Марса или Венеры доступен нам только на месте, с помощью автоматических аппаратов типа «Кьюриосити».
И тут уже никуда от такой ситуации не деться: чем больше небесное тело, тем выше его притяжение и тем мощнее и коварнее его атмосфера.
В целом же, если постараться весьма условно разделить небесные тела на категории с точки зрения создания на них космических баз, то мы логически поделим их на четыре класса:
- Малые небесные тела, с незначительным притяжением и отсутствием атмосферы, действия которых не влияют на траекторию полёта аппаратов - астероиды, кометы, астероидноподобные спутники планет;
- Средние небесные тела с существенным притяжением и незначительной атмосферой, влиянием которой можно пренебречь - спутники планет типа Луны и крупные астероиды типа Цереры или Весты;
- Крупные небесные тела, со значительным притяжением и плотной атмосферой - Земля, Титан, Марс;
- Крупные небесные тела, с мощным притяжением и сверхплотной атмосферой - планеты-гиганты и, отчасти, Венера.
Так, скорее всего, создание каких-либо наземных баз будует в обозримом будущем для случая Юпитера Сатурна или даже Венеры невозможно: у этих планет либо нет чёткой твёрдой поверхности, либо же давление и температура на ней совершенно непригодны для поживания на ней человека либо же для работы земных механизмов. Всё, что можно придумать, как вариант, для Венеры - это концепция «воздушного города», который предложили для исследования «утренней планеты» специалисты NASA:
Понятное дело, перейти к какой-то производящей экономике, используя высоты в 50-70 километров над поверхностью планеты, достаточно сложно, и, скорее всего, уделом баз на планетах-гигантах и Венере так и останется изучение атмосферы и поверхности этих небесных тел - как в познавательных целях, так и в попытке найти что-то уникальное, что позволит включить эти планеты в зону интересов человечества.
Из того, что найдено в атмосферах планет-гигантов, заслуживает упоминания только природный изотоп гелия (гелий-3,3He), который, в отличии от Луны, где он образуется в реголите под действием солнечного ветра, находился изначально, представляя собой первичный, небулярный гелий-3 из протопланетного облака.
Воздушные шары для сбора гелия-3 в атмосфере Урана. Проект «Икар».
Всё дело в том, что 3He, будучи идеальным топливом для термоядерных кораблей будущего, сам по себе крайне редок на Земле: достаточно слабое притяжение нашей планеты не может эффективно удерживать в нашей атмосфере такие лёгкие газы, как водород и гелий, в силу чего они быстро улетучиваются в межпланетное пространство. Водород частично задерживается в результате химических реакций, а вот инертный в химическом состоянии гелий быстро покидает атмосферу Земли. В результате на Земле почти весь изначальный гелий-3 уже исчез, поскольку, в отличии от «обычного» изотопа 4He он практически не образуется при альфа-распаде земного урана и тория, образуясь только из весьма редкого трития и реакций распада изотопов лития.
В результате на Земле гелия-3 всего лишь 4-5 атомов на миллион атомов обычного 4He, потребляет его всё человечество 8 килограмм в год, а грамм 3He стоит около 16 000 USD.
Соотношение же гелия-3 и гелия-4 в масштабах Вселенной существенно иное - в межзвёздном газе количество этих изотопов различается примерно на один порядок. В метеоритном веществе и в лунных породах содержание гелия-3 колеблется от 17 до 32% от всего количества изотопов гелия.
В предыдущей статье я уже писал о перспективах добычи гелия на Луне, но самые значительные количества гелия-3 содержаться в атмосферах планет-гигантов - вопрос сотоит лишь в том, как эффективно его оттуда добыть и привезти туда, где он будет нужен.
Именно оценкой такого рода начинаний и занят проект «Икар», в рамках которого энтузиасты просчитывали возможности добычи гелия-3 из атмосферы Урана (Уран, среди всех планет-гигантов, более всего подходит для добычи гелия-3, так как значительно меньше Юпитера и Сатурна по своей массе, а значит - в и по первой и второй космической скорости, и гораздо ближе Нептуна по времени полёта к нему).
Сравнительные размеры и масса различных концептов межпланетных и межзвёздных кораблей - от добытчика гелия-3 «Икара Следопыта» и до «Дедала», способного долететь до Альфа Центавра за 50 лет.
Согласно этим рассчётам, первый межпланетный корабль проекта, «Икар Следопыт» (Icarus Pathfinder), при сухой массе в 500 тонн смог бы на протяжении нескольких месяцев достигнуть с помощью термояденого двигателя на том же гелии-3 орбиты Урана, затратив на это всего 114 тонн реактивной массы - исключительно за счёт высокой энергетики сгорания 3He в своих двигателях.
К преимуществам термоядерной реакции на гелии-3 можно отнести то, что он реагирует практически исключительно с образованием только заряженных частиц (никаких противных нейтронов, которых в реакции D+D больше 80% по энергии!) что гораздо упрощает работу с продуктами сгорания - эти высокоэнергетические частицы можно напрямую «впрыскивать» прямо в объём холодного реактивного тела, которое при этом само становится низкотемпературной плазмой, которую затем уже можно легко направлять или разгонять с помощью обычного магнитного поля.
Учитывая, что эти 80% энергии, заключённой в нейтронах, ещё потом и надо как-то достать из тепловой формы - термоядерный двигатель на гелии-3 для условий космоса, где каждый потерянный процент КПД означает дополнительные сотни квадратных метров радиаторов, становится сущим спасением.
Столь же эффективен оказывается межпланетный корабль на гелии-3 и при обратном пути на Землю или в её окресности: при том, что «Икар» возможно будет нагрузить где-то 600 тоннами груза (того же жидкого гелия-3), который будет доставлен тем же самым «Икаром» на околоземную орбиту с затратой всего лишь 250 тонн реактивной массы.
Интересно, что если продолжить инерционно рост потребления энергии человечеством в будущее, то к 2100-му году нам потребуется в год тратить около 14 000 тонн смеси дейтерия и гелия-3, для того, чтобы закрыть потребности человечества в наиболее чистой термоядерной энергии, которую возможно получать в реакции D+3He, которая даёт не более 5% энергии в виде нейтронов, а более 95% - в виде заряженных частиц, которые легко превратить в электрический ток с помощью массы известных устройств, минуя опостылевшие термодинамические циклы, с массой побочных потерь.
Ну а миллиарды тонн гелия-3 в атмосфере только лиш одного Урана обеспечат человечество чистой энергией на тысячи лет вперёд.
Итак, уже даже самый «неудобный» класс небесных тел, чья поверхность принципиально малодостижима для человечества, оказывается громадной энергетической кладовой человечества, решая для него вопрос межпланетных перелётов.
А что же нам могут предложить классы I, II и III, которые более приспособлены для жизни людей на их поверхности?