Астрофизик Франсис Рокар: Марс - это новый фронтир
courrierinternational.
com
Это довольно любопытное интервью известного французского астрофизика Франсиса Рокара (нам он более известен как куратор миссии Rosetta в ESA и подобных проектов) примерно месячной давности. Насколько я мог заметить, в нашей прессе оно осталось незамеченным и широко не обсуждалось.
Зачем людям лететь на Марс? Каков наилучший план полёта? Как скоро мы сможем это осуществить? На эти и многие другие вопросы отвечает Франсис Рокар, отвечающий за программы разведки Солнечной системы и их техническую поддержку в Национальном центре космических исследований (CNES).
NASA, Илон Маск и Джефф Безос уже несколько лет говорят о пилотируемых полетах на Марс. Каков научный интерес в обитаемой экспедиции на Марс? Какова экономическая составляющая?
Давайте сразу уточним: интерес к обитаемой экспедиции на Марсе не является строго научным. Это не проблема Трампа, американского Конгресса или NASA. Наука не является движущей силой подобной миссии, ни с точки зрения исследований и разработок (НИОКР), ни с точки зрения национальной безопасности. Это даже не "план Б", на тот случай, если бы Земля стала непригодной для жизни и мы искали бы убежища на другой планете. Наконец, дело даже не в том, что роботы работают не так хорошо, как люди. Фактически, это «новый фронтир» (выражение, использованное президентом Кеннеди в его инаугурационной речи в 1960 году, чтобы проиллюстрировать те великие задачи, что он ставит перед Америкой). Американцы хотят отправить людей на Марс, чтобы продемонстрировать, что они знают, как это сделать - и что они являются лидерами в этой области. И если они этого не сделают, то так или иначе китайцы сделают это за них - и это неприемлемо для американцев.
У китайцев также есть собственные космические амбиции. Смогут ли они догнать США?
Они были вынуждены начинать издалека, но быстро учатся и вкладывают много средств. По разным оценкам, в Китае так же много людей работает в сфере космоса, как и в Соединенных Штатах - что-то порядка 200000 человек. Это немало. Бюджеты довольно непрозрачны, но Китай продвигается очень быстро и очень агрессивно. Китайская космическая программа напоминает то, что сделали американцы в 1960-х годах, до Аполлона. Китайская цель на данный момент - отправить тайконавта на Луну в 2036 году. Сегодня горизонт планирования для китайцев - это Луна. А для американцев это Марс.
А что Европа? Есть ли у нас какие-либо проекты, государственные либо частные, которые могут конкурировать с проектами Соединенных Штатов?
Смотрите: Соединенные Штаты тратят 9 миллиардов долларов в год на пилотируемые полёты, в то время как Европа тратит всего 600 миллионов евро - что в 15 раз меньше. Европейцы реалистичны, у них нет стремления конкурировать с Соединенными Штатами. У них есть сугубо нишевая стратегия: она включает в себя сотрудничество с американцами, чтобы присутствовать на МКС. Европейцы также будут присутствовать и на лунной станции (LOP-G), что является первым этапом американской программы. Мы спокойно смотрим в будущее.
Вы говорите о НАСА и правительстве США, но ведь есть и частные компании, которые проявили марсианские амбиции.
Это в основном Илон Маск (SpaceX) и совсем чуть-чуть Джефф Безос - но Джефф Безос более разумен. То что делает Илон Маск - это полное безумие. В краткосрочной перспективе это всё чрезвычайно серьезно: например, он продемонстрировал всему миру, что возможно повторно использовать ступени ракет, что является настоящей революцией в настоящее время в космической отрасли. Однако его долгосрочный подход чрезвычайно сомнителен этически, поскольку он хочет колонизировать Марс. Марс для него является "планом Б". И я считаю это чрезвычайно сомнительным. Это не американский подход, и это, конечно, не подход CNES. То, что он громко заявляет на публичных конференциях, этот его BFR, его Raptor - это всё научная фантастика, так скажем. И Маска беспокоит только одно: транспорт. Фактически, он предлагает тот же подход, что и с Falcon 9. Позвольте мне объяснить: SpaceX, с его Falcon 9, продали идею дешевой пусковой установки. NASA "заплатило за превью" и выдало финансирование SpaceX в размере до 500 миллионов долларов. Они увидели, что в SpaceX настроены серьёзно, что всё идет хорошо. И в итоге NASA выиграло 7 миллиардов долларов.
Это реальность SpaceX, это сработало беспроигрышно! NASA понимало преимущества наличия дешевой ракеты и финансировало её создание, дав толчок всей системе. Илон Маск хочет сделать то же самое для человечества на Марсе. Он хочет, чтобы NASA профинансировало его BFR, его огромную многоразовую ракету - но в этом нет смысла.
Я не слишком верю в BFR, поскольку NASA уже вложила миллиарды долларов в Space Launch System (SLS). NASA совершенно не заинтересовано в том, чтобы "стрелять себе в ногу", финансируя BFR. И SpaceX самостоятельно не сможет финансировать BFR и Raptor... В долгосрочной перспективе подход Илона Маска построен на блефе.
Каковы различные траектории полёта на Марс с Земли и обратно? Почему их так мало?
Это всё давно посчитано. В 1925 году немецкий инженер Вальтер Гоман сделал детальные расчёты и показал, что существуют такие траектории, что минимизируют энергию, необходимую для достижения конкретных планет. В истории космоса всего было около 200 планетарных миссий - и практически все эти миссии использовали т.н. "гомановские траектории". На практике для Марса существуют две подходящие траектории, потому что планета находится не точно в плоскости земной орбиты:
тип 1 - порядка 7 месяцев, что немного меньше, чем половина оборота вокруг Солнца (как для миссии InSight);
тип 2 - немного более 11 месяцев, что несколько больше половины оборота вокруг Солнца.
Интерес заключается в том, чтобы быстрее прибыть на Марс и при этом использовать меньше топлива для торможения. Более того, в этих "марсианских слотах" каждые двадцать пять с половиной месяцев есть «хорошие» окна и «плохие» окна. «Хорошие» окна - каждые пятнадцать лет. Например, это окно 2003 года, использованное Mars Express. Затем было окно 2018 года, будет и в 2033 году. Каждые пятнадцать лет у вас есть удобное окно с точки зрения энергетики полёта: зонд, который вы отправляете, сможет быть несколько тяжелее.
Илон Маск говорит, что он доставит людей на Марс за 90 дней. Это явно не "гомановская траектория", для реализации потребуется более мощная ракета, причём имеется "эффект снежного кома": если вы долетаете быстрее, то и для торможения вам потребуется больше топлива. Если тормозить об атмосферу Марса, то тормозить надо будет намного сильнее. Это схема Curiosity, но для людей это не подходит. Кораблю, что должен будет доставить людей на Марс, придётся начать тормозить ещё до прибытия к планете, что потребует большого количества топлива.
Есть ли какие-то специфические ограничений на траектории полёта для людей, отличные от зондов?
Ответ - нет. Это те же самые ограничения, что и для зондов. Проблема с пилотируемыми полётами заключается в том, что есть поездка как "туда", так и "обратно". Если вы видели фильм «Alone on Mars» ("Марсианин"), проблема возвращения совершенно точно показана в этом фильме. То есть, вы можете остаться на месяц на Марсе или же на марсианской орбите - или же застрять там на полтора года, поскольку в промежутке между интервалами невозможно вернуться. В фильме Марк Уотни пропускает 30-дневное обратное окно и поэтому вынужден застрять на 500 дней, треская выращенную им картошку, как вы знаете. То, о чём фильм не говорит (и вообще никто не говорит, хотя NASA знает это очень хорошо) - это то, что 30-дневный слот, который можно использовать для первых полётов, штука достаточно опасная. Возвращение через полтора года потребует пролёта возле Венеры. Проблема в том, что во время пролёта возле Венеры имеется сильное воздействие солнечного излучения. Это возвращение через 30 дней после прибытия на самом деле довольно проблематично, хотя здесь возможно предположить очень непродолжительное пребывание на ранних стадиях тестирования транспортной инфраструктуры.
Если мы начнём с одного из этих сценариев, значит ли это, что мы должны отправить предварительную "экспедицию снабжения" на Марс во время предыдущего окна, перед полётом людей?
Если вы слушаете президента "Марсианского общества" Роберта Зубрина, то он уже двадцать лет говорит о том, что вам нужен «Mars Direct» - то есть отправка людей напрямую. С моей точки зрения, это совершеннейшая утопия.
Это точно не то, как видят полёт в NASA. Очевидно, что придётся сначала заранее отправить всё необходимое оборудование. И когда я говорю "заранее", это означает "за два года", "за четыре года", "за шесть лет" - и так далее. Это не произойдёт сразу: вам нужно переправить место для жилья, лаборатории, локальные транспортные средства. И электростанцию тоже, не забывайте об этом. Вся эта инфраструктура должна быть отправлена и задействована автоматически перед отправкой людей. Это создает массу проблем. И, в частности, ту, которую мы не знаем как решить сегодня - это точность посадки. Если вы посмотрите на миссию "Викинга" в 1976 году, эллипс, в который можно было попасть с вероятностью 99%, составлял 400 километров в диаметре. Однако, чтобы иметь возможность отправить людей на Марс, нужно посадить их рядом с ранее отправленным оборудованием для выживания, на площади размера порядка футбольного поля - то есть в радиусе 100 метров. Если вы посадите их за 5 километров, то они будут в итоге гарантированно мертвы.
Сегодня самая современная технология посадки - это Curiosity, а эллипс ошибки - 20 километров. Фактически, Curiosity высадился за 1 километр от целевой точки. Однако главное здесь - статистика: нужно преуспеть минимум в 99 случаях из 100.
Какими будут ограничения на Марсе?
Для пребывания в течении полутора лет вероятнее всего потребуется тяжелая инфраструктура: много еды, воды.
Как производить воду? Перерабатывать отходы, как на МКС?
Вода - действительно проблема. Если вам нужно нести всю воду, необходимую для миссии, которая продлится три года, то это значительная масса (порядка 70 тонн воды) - и это очень дорого (что-то около 20000 долларов за литр воды). Необходимо будет утилизировать воду и кислород. Но это решает проблему частично, поскольку имеется множество потерь. Очевидно, что процесс должен быть улучшен. Но в настоящее время предполагается, что решение состоит в том, чтобы найти ресурсы на Марсе: много исследований и размышлений проводится над ISRU (использование ресурсов in situ), то есть предполагается использование марсианской воды. Мы много об этом говорим, но мы мало что знаем. Mars Odyssey позволил нарисовать карты воды на Марсе, которые показывают две вещи: в средних широтах в первом метре грунта практически нет воды - но в полярных областях, за пределами 50° севернее и южнее, вода есть.
Есть ещё одна идея, появившаяся в последние месяцы, из-за французского открытия, сделанного благодаря Mars Express: открытие марсианских глин. Глины представляют собой гидратированные осадочные породы, они содержат воду. Было обнаружено более 1000 участков, где есть гидратированные глины. Это и много, и немного: эти глины покрывают менее 5% поверхности Марса. Таким образом, идея заключалась в том, чтобы сесть на глинистом участке, выкопать, нагреть и извлечь воду из глины. Это было бы легче, чем копать лед, который находится на полюсах и очень труден в добыче - на данный момент нам удалось хоть что-то прокопать на Марсе всего лишь на глубину порядка 10 сантиметров. Однако ещё очень многое нужно сделать, чтобы подтвердить жизнеспособность этого решения.
Еще одна идея, исследуемая сейчас во многих американских стартапах, заключается в извлечении воды из околоземных астероидов - тех, которые пересекают орбиту Земли. Речь идет о захвате большого камня с поверхности астероида, который можно было бы "засунуть в большой водонепроницаемый мешок" и затем нагреть благодаря солнечной энергии - и тем самым извлечь воду. Эта вода будет доставлена на будущую лунную американскую орбитальную станцию, что в перспективе станет станцией технического обслуживания. Это обеспечило бы воду для космонавтов, которые хотят отправиться на Марс. Но с источником энергии мы также сможем разрушить молекулу воды и выделить водород и кислород, которые можно сжижать, чтобы получить топливо и окислитель для ракетных двигателей. Это немного похоже на схему Илона Маска, но NASA также считает это интересным. Это интересно с энергетической и финансовой точек зрения - не доставлять воду с Земли.
И кислород? Чтобы иметь возможность дышать на поверхности Марса?
Это относительно проще, чем вода, поскольку у вас много CO2 на Марсе... Если у вас есть электрическая энергия (возможно, благодаря небольшим ядерным реакторам), вы разрушаете молекулу CO2 и получаете кислород. Демонстратор MOXIE [MARS Oxygen ISRU Experiment] уже запланирован в следующем американском ровере, что должен отправиться на Марс в 2020 году.
Какие сроки для марсианских миссий вы считаете наиболее вероятными?
На Марсе возможны три основные типа миссий:
простейшее, возможные менее чем через десять лет: люди будут пролетать над Марсом, не останавливаясь - и затем возвращаться на Землю. Это будет проверка тяжелых транспортные средств и возможности долгосрочных миссий;
более сложные - доставить людей на договременную марсианскую орбиту, потребуют порядка двадцати лет. И мы, разумеется, столкнёмся с "проблемой возврата": 30 дней против 500 дней. Один из вариантов - посадить людей на Фобос, марсианский спутник;
а самые сложные - только к 2050-м годам, когда мы можем рассмотреть вопрос о том, чтобы посадить человека на поверхность Марса. Это будет самой сложной задачей, поскольку потребует разработки тяжелых транспортных средств, таких как 30-тонные посадочные модули и локальные транспортные средства на планете.
Интервью брали Catherine Doutey, Carole Lembezat и Virginie Lepetit