Дослідження кратера Джезеро на Марсі за допомогою марсохода NASA Perseverance Rover
Повернення людини на Місяць і його дослідження в межах програми Artemis може стати наступним кроком до освоєння Марса. За рівнем складності це навіть не другий Місяць, а абсолютно новий Всесвіт. Саме тому потрібні такі проміжні кроки, а польоти на Марс ще не стали реальністю, хоча сучасні космічні апарати є значно надійнішими, безпечнішими та потужнішими за ті, що використовувалися в місіях Apollo. Серед основних перешкод — необхідність м’якої посадки, життєзабезпечення в умовах нестачі кисню та води, а також високі дози радіації. Але є й хороша новина: деякі з проблем, пов’язаних з його освоєнням, можна вирішити в майбутньому. Які саме і чому польоти на Марс ще не стали рутиною для космічної індустрії — читайте у статті видання MaxPolyakov.space.
Проблема 1. Високі дози радіації
На Марсі немає глобального магнітного поля і тонка атмосфера, тому його поверхня отримує високі дози радіації, що загрожують здоров’ю астронавтів. Потоки високоенергетичних частинок легко проникнуть крізь шкіру, пошкоджуючи на своєму шляху клітини й ДНК, і вже під час місії зможуть призвести до променевої хвороби. Вчені підрахували, що за час подорожі тривалістю 2,5 року астронавти отримають дозу радіації, що підвищує ризик онкологічних захворювань приблизно на 1%. На Землі та на низькій навколоземній орбіті, де розташована МКС, ці ризики мінімальні завдяки природним захисним механізмам нашої планети — магнітосфері та атмосфері, що блокують більшість енергійних частинок.
“На Марсі можна провести багато цікавих наукових досліджень, але політ у міжпланетний простір пов’язаний зі значно більшим ризиком радіаційного опромінення, ніж робота на низькій навколоземній орбіті”, — зазначає Джонатан Пелліш, інженер із космічної радіації у Центрі імені Годдарда.
Джерело: nasa.gov
Насправді астронавтам доведеться захищатися відразу від двох джерел радіації, які впливатимуть на екіпаж і під час подорожі, і після посадки. Зрозуміло, основне джерело — Сонце з його постійними потоками частинок і епізодичними потужними спалахами, що супроводжуються викидами корональної маси. А ось галактичні космічні промені, що переміщуються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, крім протонів, можуть містити й важкі елементи. Вони руйнують атоми в матеріалах, з яких виготовлені скафандри, стіни космічного корабля або інших транспортних засобів. Це так зване вторинне випромінювання, надзвичайно небезпечне для всього живого.
Як можна розв’язати проблему
Існує щонайменше два способи захиститися від потоків енергетичних частинок і вторинного випромінювання. Перший передбачає спорудження максимально масивних конструкцій із традиційних матеріалів, а другий — застосування більш ефективних захисних матеріалів. Раніше вчені вивчали можливість використання потужних металевих щитів, проте пізніше з’ясували, що це дорого і не завжди виправдано. Наразі для цих завдань NASA розробляє гідрогенізовані нанотрубки нітриду бору (BNNT), що зберігають міцність навіть за високих температур.
Крім фізичних бар’єрів, дослідники розглядають створення силових полів, які за принципом магнітного поля Землі могли б захищати поверхню Марса. Однак такий проєкт дуже складно реалізувати, оскільки він вимагає великих обсягів енергії.
І, зрештою, знизити вплив радіації на Марсі можна організаційними методами. Наприклад, скоротити перебування астронавтів за межами космічного корабля, забезпечити їм швидке повернення в захищене приміщення після початку магнітної бурі та відмовитися від виходу у відкритий космос у денний час.
Проблема 2. Потреба у великих обсягах води, кисню та їжі
На Марсі на 99% менше повітря, ніж на Землі, а в його складі переважає вуглекислий газ (95% об’єму повітря). Частка кисню мізерно мала — всього 0,174%. Проте не тільки це робить умови перебування на Марсі екстремальними: там низький атмосферний тиск, дуже низька температура, особливо вночі, і мало води. Зараз на планеті немає життя, але, можливо, воно існувало мільярди років тому. Його сліди, а за фактом, залишки стародавнього озера, були виявлені під час дослідження марсоходом Perseverance, який якраз шукає ознаки примітивного марсіанського життя:
Якщо взяти на борт великі запаси кисню і води, місія значно ускладниться: збільшаться розміри і вага капсули, знадобиться потужніша ракета-носій — тобто почнеться ланцюгова реакція. Усе це видається ще важчим з огляду на тривалість подорожі. Так, для польоту на Місяць і назад достатньо трьох днів, а світовий рекорд перебування в космосі становить майже 438 днів, а от марсіанська місія може тривати 2,5 року.
Як можна розв’язати проблему
Серед семи приладів на борту марсохода Perseverance є MOXIE — пристрій, який добуває з марсіанської атмосфери вуглекислий газ і перетворює його на кисень. Учені сподіваються, що в перспективі зможуть забезпечувати астронавтів киснем і для дихання, і для ракетного пального, яке знадобиться для завершення місії. Але це все одно не скасовує необхідності використовувати скафандри.
Перші експерименти з MOXIE пройшли успішно, і вченим вдалося домогтися стабільної генерації 10 г кисню на годину. Для довідки: тільки щоб вивезти чотирьох членів екіпажу з поверхні Марса, необхідно до семи метричних тонн ракетного палива і 25 метричних тонн кисню.
Джерело: nasa.gov
Локальне виробництво кисню є частиною стратегії ISRU (in-situ resource utilisation). Її реалізація стала можливою завдяки низькотемпературній плазмі, яка використовується для перетворення електричної енергії. Для хімічної реакції може бути достатньо й 25 Вт, а це допустима потужність навіть для невеликих сонячних батарей, якими оснащений Perseverance.
Крім забезпечення киснем, належить вирішити і проблеми з водою та їжею. Тут могли б допомогти рослини: вони виробляють кисень і їх можна споживати в їжу. Однак рослинам також необхідні певні (не екстремальні, як на Марсі) умови для росту, а їхня одночасна загибель стане великою проблемою для астронавтів. Тому зараз як робочий варіант розглядають попереднє відправлення всіх необхідних запасів на Марс до прибуття туди астронавтів, а також розробку продовольчої програми для тривалих пілотованих місій.
З останнім може допомогти попередній досвід NASA — агентство вже доставляє на МКС різноманітні готові страви, свіжі фрукти та овочі на спеціальних вантажних кораблях. У марсіанських місіях такі доставки можуть бути зовсім рідкісними, тому вже зараз у лабораторіях агентства розробляють їжу з солідним терміном придатності, яка довше зберігає свою структуру і при цьому поживна, різноманітна та смачна.Аби знайти інші ідеї, як забезпечити астронавтів їстівними припасами у тривалих місіях, NASA запустило проєкт Deep Space Food Challenge. За його допомогою агентство шукає нових підрядників і технології, що постачатимуть астронавтам якісне продовольство. Серед іншого розглядаються альтернативні (не тільки з використанням рослин) можливості виробництва харчування прямо в космосі з мінімальними відходами.
Джерело: nasa.gov
Проблема 3. Затримка зв’язку із Землею
“Відстань між Землею й Місяцем дає нам змогу розмовляти, працювати над проблемами й усувати аномалії практично в режимі реального часу, — розповідає Дайна Айз, директорка Mars Campaign Office у NASA’s Exploration Systems Development Mission Directorate. — Зважаючи на відстань до Марса, затримка набагато більша, від 4 до 24 хвилин в один бік, тому може знадобитися понад 40 хвилин в обидва боки, щоб поставити запитання й отримати відповідь”.
Марс — “всього лише” четверта від Сонця планета, проте відстань від неї до Землі велика навіть за космічними мірками: від 55 до 401 млн км. Через це виникають певні значні зволікання у зв’язку, що сягають двох тижнів у ті періоди, коли Сонце опиняється між Землею й Марсом — а це відбувається раз на 26 місяців. Тоді радіосигнал просто не може подолати перешкоду у вигляді Сонця, а близько розташовані заряджені сонячні частинки додатково його спотворюють.
Це небезпечно для астронавтів: у критичній ситуації вони залишаться наодинці з проблемою і будуть змушені приймати рішення на місці, без допомоги наземної команди. Крім того, відсутність оперативного зв’язку із Землею створює психологічний дискомфорт, на що вказує дослідження “Афективне здоров’я і контрзаходи при тривалому дослідженні космосу”, опубліковане на ScienceDirect.
Як можна розв’язати проблему
Інженери розвивають ідею використання ретрансляційної системи супутників зв’язку, щоб забезпечити зв’язок Марса із Землею з мінімальними затримками, зокрема скоротити двотижневу перерву до кількох годин. Сьогодні працює система Mars Relay Network (MRN) з п’яти космічних апаратів для ретрансляції даних. Вони збирають під час своїх наукових місій великі обсяги даних і з певною частотою передають їх на потужні ретранслятори — замість того щоб відправляти їх відразу на Землю. Це прискорює обмін даними із Землею, і марсоходам не доводиться постійно носити на собі потужні та енергоємні радіосистеми.
Джерело: science.nasa.gov
Другий напрямок, що розробляється в NASA для вирішення проблеми затримки сигналу, це лазерний зв’язок. На його основі також можна реалізувати гібридну архітектуру, де дані спочатку відправляються на трансляційні супутники, а потім — на Землю. Наразі лазерну систему зв’язку тестують у межах місії NASA Psyche, яка досліджує унікальний астероїд із аналогічним ім’ям. Там лазерний зв’язок під назвою Deep Space Optical Communications (DSOC) дає змогу передавати в 10-100 разів більше даних, ніж традиційні системи, не обтяжені корисним навантаженням.
Джерело: nasa.gov
Проблема 4. Складна посадка
М’яка посадка на Марс вимагає точного розрахунку гальмування. До майбутніх пілотованих місій на Марс NASA має досвід посадки тільки невеликих космічних апаратів вагою трохи менше тонни — приблизно стільки важить марсохід Perseverance. Його спустили на поверхню планети на надміцних тросах. А завдання м’яко посадити Curiosity в NASA оцінили на 20 балів із 10, оскільки для цього довелося виконати сотні умов — витримати тертя, сильне нагрівання, у слушний момент запустити двигуни, увійти в атмосферу під правильним кутом і багато інших.
Як можна розв’язати проблему
Ідеальна м’яка посадка для великого космічного корабля на Марсі — все ще завдання із зірочкою. Хоча деякі сценарії уже опрацьовували, жоден із них не обрали як робочий. Наприклад, у 2022 році було протестовано надувний сповільнювач на низькій навколоземній орбіті (Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator, LOFTID). Потенційно він допоможе організувати безпечне прибуття не тільки на Марс, а й на Венеру з Титаном.
LOFTID являє собою круглу, діаметром у кілька метрів надувну конструкцію з гнучким тепловим екраном, що працює як величезне гальмо. Велика площа забезпечує опір, що дає змогу сповільнювати космічний корабель на значній висоті і, відповідно, менше нагріватися під час наближення до Марса. Такий сповільнювач можна буде використовувати і в пілотованих, і у великих роботизованих місіях — його діаметр можливо масштабувати від 3 до 6 м.
Джерело: nasa.gov
Ще один варіант передбачає використання надзвукових гальмівних двигунів (Supersonic Retropropulsion, SRP) для уповільнення входу в атмосферу Марса. Ці двигуни понад десять років тому були випробовувані при посадці ракети Falcon 9. Хоча сама ракета врешті-решт зруйнувалася і впала в океан, свою функцію двигуни виконали. Але відтоді ще багато запитань залишаються без відповіді: яка кількість космічного сміття може вплинути на роботу цих двигунів, як вони поводитимуться в разі повторного використання або під час пилової бурі.
Проблема 5. Потреба в паливі
З огляду на велику відстань між Землею й Марсом, забезпечення місій паливом стає ще одним серйозним викликом. Проблема проста й циклічна: що більше пального, то більше мають важити капсула з ракетою, а отже, то більше пального вони самі споживатимуть під час подорожі в обидва боки.
Як можна розв’язати проблему
Теоретично проблему з паливом можна вирішити так само, як із киснем та їжею: доставити їх на Марс до початку пілотованої місії. Ще один варіант — добувати паливо, розщеплюючи воду на кисень і водень (останній якраз потрібен для виробництва палива). Крім електролізу, вчені з NASA розглядали можливість створення ракетного палива з водню, який міститься в марсіанському залишковому ґрунті (реголіті), і вуглецю з атмосфери Марса. У результаті їхньої реакції утворюється метан — один із основних компонентів ракетного палива.
Джерело: bigthink.com
І це не все: бути першим завжди складно
Пілотована місія на Марс стане першою, де астронавтам доведеться використовувати лише ті системи, їжу і кисень, які були завезені заздалегідь або вироблені безпосередньо на місці. Вестимуть позакорабельну діяльність (Extravehicular Activity, EVA) теж, напевне, без підтримки екіпажу в реальному часі, якщо проблему затримки зв’язку з Центром керування польотами (Mission Control) доти не буде вирішено. Для цього все обладнання та скафандри мають відповідати жорстким вимогам, а екіпаж — бути підготовленим до найскладніших завдань та інцидентів. Крім того, слід і емоційно, і організаційно налаштуватися на те, раптом один із астронавтів важко захворіє або отримає травму й не зможе виконувати свої завдання. Тоді решті належить адаптувати робочі процеси під нові умови та перерозподілити обов’язки, щоб досягти цілей місії.
Це кардинально відрізняється від усіх попередніх місій, якими б складними чи небезпечними вони не були.
Джерело: thoughtco.com
Можливо, до першого пілотованого польоту на Марс людство подолає частину описаних проблем, однак це потребує величезної консолідації зусиль найрізноманітніших команд. Плюс не існує єдиного розв’язання конкретної проблеми — це завжди сукупність засобів і методів, що доповнюють один одного. За словами Віджая Рамані, інженера-хіміка з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, “коли ми говоримо про дослідження космосу, поверхні Місяця або Марса, ніколи не використовується тільки одна технологія — як ніколи не використовується лише одна срібна куля, що вирішує всі проблеми”.
Поточна ситуація з фінансуванням NASA загрожує сповільнити реалізацію державних програм, пов’язаних з освоєнням Марса, і космосу в цілому. З іншого боку, це також може стимулювати розвиток інновацій силами приватних компаній, що в кінцевому підсумку підвищить готовність до польоту.
Джерело: MaxPolyakov.space
Читайте також:
На Марсі є заборонені для місій зони з потенційними умовами для життя
Компанія Blue Origin успішно запустила ракету з супутниками на Марс
Добровольці NASA готуються до виживання на Марсі
