Межпланетный Клондайк: как человечество планирует осваивать дальний космос

Запуск космического аппарата НАСА к астероиду Диморф состоялся 24 ноября. Цель миссии – отработать технологии изменения орбиты астероида. Это уже не первая миссия, так или иначе подготавливающая почву для продвижения человека в глубь Солнечной системы. При этом за последние годы идеология освоения других небесных тел изменилась. Теперь речь не идет о единичной экспедиции на Луну ради того, чтобы водрузить флаг и сделать символический «маленький шаг», далекой целью кажется и марш-бросок на Марс.

• Первостепенные задачи: научиться добывать в космосе ресурсы и создать логистическую сеть
• Астероиды – главный приз космической экспансии. Как до него добраться: дорожные карты компаний
• Нужны ли космические ресурсы на Земле. Как будет устроена орбитальная промышленность
• Тестирование технологий для индустриализации космоса: первые успехи и ближайшие миссии
• Как идет подготовка к разработке астероидов
• Нынешних ракетных двигателей недостаточно. Есть ли альтернативные варианты?
• Какие барьеры стоят на пути использования ядерной энергии в космосе
• Варп-двигатель для межзвездных путешествий: возможен ли он вообще?

Все увереннее хозяйствующие в мировой космонавтике частные компании склоняются к тому, что покорять космос нужно постепенно, зато надежно. Орбитальные фабрики, логистические хабы, добыча топлива на Луне и металлов на астероидах – пока это звучит слишком дерзко, но соответствующие разработки уже ведутся, и небезуспешно. Ведь на кону несметные сокровища.

Первостепенные задачи: научиться добывать в космосе ресурсы и создать логистическую сеть

Гравитационный колодец – в этих двух словах заключается главная проблема освоения космоса. Чтобы преодолеть земное притяжение, требуется сжечь колоссальное количество топлива. По подсчетам астронавта НАСА Дона Петтита (статья «Тирания ракетного уравнения» на сайте агентства), оно составляет 83–96% стартовой массы ракеты (в зависимости от используемых химических соединений). Для сравнения: у контейнеровоза эта доля составляет 3%, у автомобиля – 4%, у истребителя – 30%. Но есть еще и вес конструкции. С учетом его у сверхтяжелой ракеты «Сатурн V», доставившей американских астронавтов на Луну, доля полезной нагрузки в общей массе составляла 4%, а у шаттла – 1%. Нетрудно вообразить, ракеты какого размера нужно строить, чтобы развернуть колонию на другой планете и постоянно снабжать ее всем необходимым. Человечеству это просто не по карману.

При этом, чтобы добраться до орбиты, преодолев 400 км от земной поверхности, нужно затратить больше половины топлива, требуемого для полета на Луну (384 тыс. км). Дон Петтит приходит к выводу, ставшему в последние годы общим местом: чтобы исследовать дальний космос, не нужно поднимать все ресурсы со дна гравитационного колодца Земли. Следует искать их в самом космосе.

Очевидным кандидатом на роль «сырьевого придатка» Земли выглядит Луна. Ее почва (реголит) на 40–45% состоит из кислорода. Оставшиеся проценты приходятся на кремний, алюминий, кальций, железо, магний и титан, также обнаружено небольшое содержание фосфора, калия, натрия и марганца. При этом гравитация Луны в шесть раз слабее земной, что облегчает запуск космических аппаратов.

А в 2018 году американские астрономы подтвердили наличие на полюсах Луны залежей льда. Это самая многообещающая новость для космической отрасли: если обогащение реголита потребует немало труда, то из ледников можно извлекать воду практически в чистом виде. «Ее можно раскладывать на кислород и водород и производить ракетное топливо, – говорит «Профилю» футуролог, сооснователь венчурного фонда Orbita Capital Partners Евгений Кузнецов. – Есть расчеты, согласно которым такое горючее будет в 500–1000 раз дешевле, чем доставленное на Луну с Земли. Спутник нашей планеты имеет все шансы превратиться в космический Техас».

По мнению специалистов, следующий этап космической экспансии – построение логистической сети в космосе. Речь о транспортных хабах – перевалочных пунктах, на которых можно складировать грузы перед отправкой в дальний путь. А также о космических «бензоколонках» – станциях дозаправки аппаратов. Они могут располагаться на лунной и земной орбитах, а также в точках Лагранжа системы Земля – Луна (местах, где силы притяжения небесных тел уравновешиваются, и объект может находиться в неподвижном состоянии). Кроме того, на поверхности Луны понадобится станция для проведения ремонтных работ, в процессе которых не обойтись без гравитации.

«Первые станции будут запущены с Земли, но дальше необходимо научиться собирать орбитальные конструкции в космосе, – утверждает Кузнецов. – Создание такой инфраструктуры – проект на столетия, но уже сейчас закладывается ее фундамент. Если провести аналогию с Великими географическими открытиями, то корабли не пошли в океан, пока не были построены порты и верфи».

Астероиды – главный приз космической экспансии. Как до него добраться: дорожные карты компаний

Следующая задача – добраться до близких к Земле астероидов (near-Earth asteroids). В эту категорию входят 27 тысяч космических камней, которые за счет эллиптической орбиты могут в определенные моменты сближаться с Землей на расстояние до 7,5 млн км (в семь раз ближе Марса). Научный интерес к этим объектам растет с 1980-х годов. Первоначально они рассматривались только в качестве потенциальной угрозы Земле, но сегодня в астероидах видят и ресурсную базу.

Так, в 2019 году Bank of America выпустил доклад с оценочной стоимостью пояса астероидов между Марсом и Юпитером. Как уверяют аналитики, в нем «зашито» 700 квинтиллионов долларов (1 квинтиллион = миллион триллионов). Это в 8 млн раз больше мирового ВВП в 2020 году. Крупнейшие хранилища ресурсов – астероиды Давида (27 квинтлн), Диотима (7,1 квинтлн), Алауда (5,7 квинтлн).

Безусловно, речь идет лишь о беспилотных миссиях в эти золотоносные дали: на Западе автономная разработка месторождений с удаленным управлением уже внедряется горнодобывающими компаниями (Rio Tinto, BHP Billiton, Fortescue Metals Group). Но и с учетом этого активная разработка астероидов – неблизкая перспектива: сегодня, по оценке НАСА, доставка с астероида 58-граммового теннисного мячика обойдется в $1 млрд. К тому же на сроки полета к астероидам влияет орбитальный период: подходящее окно для запуска миссий наступает раз в несколько лет.

Но уже сейчас космические компании составляют дорожные карты, прорабатывая логику движения к этим целям. Так, концерн United Launch Alliance, объединяющий Boeing и Lockheed Martin, выпустил прогноз развития «межлунной экономики» (cislunar economy) до 2050 года. Из него следует, что в 2020-х человек научится добывать воду и производить топливо на Луне, построит орбитальные станции с искусственной гравитацией. В 2030-х настанет черед орбитальных городов, выращивания искусственных органов в невесомости и снаряжения пилотируемых миссий на Марс. В 2040-х появятся база на Марсе, постоянно обитаемая лунная деревня, стартует разработка астероидов. В результате количество людей в космосе вырастет с нынешних 6 (экипаж МКС) до 1100.

В 2019 году свою дорожную карту представил глава Blue Origin Джефф Безос. В ней значится 30 пунктов, конечная остановка – космические поселения. По пути к ним Blue Origin предстоит создать хранилища топлива, освоить 3D-производство в космосе, криогенные технологии для путешествий и перевозки топлива и так далее. Сейчас компания находится на третьем пункте: разработан и летает корабль для суборбитальных полетов New Shepard.

Ясно, что эти планы не раз будут скорректированы. Космос – зона неизведанного, к изучению которой применим принцип серендипности (serendipity): внезапные открытия на пути к цели могут в корне изменить представление о предмете. История науки пестрит примерами серендипности: открытие рентгеновского излучения и радиоактивности, изобретение инсулина, СВЧ-печи и тефлонового покрытия произошли благодаря счастливому случаю.

«Публикуемые дорожные карты – формальные ориентиры для инвесторов, которые должны понимать, как они могут заработать на космосе, – рассказывает «Профилю» популяризатор космонавтики, главный редактор медиа «Pro Космос» Александр Баулин. – На самом деле мы совершаем прыжок веры, как у Колумба, который, впервые пересекая океан, не понимал, когда увидит землю. Он мог повернуть обратно, но все-таки доплыл и изменил ход истории. С космосом это уже происходит: первый спутник, выведенный на орбиту в 1957 году, был лишен практического смысла – не мог передавать полезный сигнал или атаковать вражескую территорию. А сегодня спутниковая связь и наблюдение стали неотъемлемой частью нашей жизни».

Нужны ли космические ресурсы на Земле. Как будет устроена орбитальная промышленность

Впрочем, некоторые аспекты космической экономики уже ясны. Например, то, что приобретенные в космосе ресурсы не предназначены для импорта на Землю: они будут использоваться как можно ближе к месту добычи (концепция In-Situ Resource Utilization). Это ответ на популярный вопрос скептиков: какая разница, сколько квинтиллионов стоит астероид, если на Земле эти ценности в таком количестве тут же девальвируются?

«Сейчас мы смотрим на вещи с геоцентрического ракурса: Земля – центр мироздания, а все остальное – периферия, где лежат наши ресурсы, – признает Евгений Кузнецов. – Чтобы стать космическим видом, нужно изменить парадигму мышления. Космическая экономика будет существовать сама по себе, Безос прямо говорит об этом в дорожной карте».

«На Земле искусственные композитные материалы уже сейчас вытесняют классические полезные ископаемые: пример – углеродное волокно вместо алюминия в рамах велосипедов. Все это подталкивает к идее автономности космической промышленности», – соглашается футуролог, председатель совета директоров ГК «Русские инвестиции» Кирилл Игнатьев.

Станут ли бенефициарами космопрома рядовые жители Земли? По мнению Игнатьева, из космического сырья на орбите можно выпускать товары для земных рынков, но предстоит радикально удешевить стоимость их доставки на Землю.

«Около полувека займет стадия RnD: нужно понять, с чем мы будем работать в космосе, – добавляет эксперт. – Кстати, такие эксперименты уже идут на МКС (выращивание биокристаллов, керамики, живых тканей, производство полупроводников. – «Профиль»). Другой способ извлечь пользу из космоса – перенести туда опасные производства, загрязняющие биосферу. На том этапе можно будет думать и об освоении Марса. Хотя оно не требует каких-то особенных технических решений, которые сейчас недоступны – в отличие, например, от полетов на Венеру, – пока упоминать Марс в одном ряду с Луной и астероидами рановато».

Освоение космоса не исчерпывается поиском утилитарной выгоды, заметил «Профилю» член-корреспондент Российской академии космонавтики им. Циолковского Андрей Ионин. «Если около вас кто-то постоянно говорит о деньгах, держитесь за карман, – иронизирует он. – Лидеры частной космонавтики Илон Маск и Джефф Безос категорией денег не рассуждают, они говорят, что космос – будущее человечества. Как именно оно будет выглядеть – предмет для полемики. Маск хочет колонизировать Марс, Безос настаивает на космических городах около Земли. Но оба говорят о запасном аэродроме для человека, не для американца, китайца или русского. Это ощутимо различается с риторикой политиков».

Тестирование технологий для индустриализации космоса: первые успехи и ближайшие миссии

Сколь далекими ни кажутся эти горизонты, работа в их направлении уже идет. В апреле текущего года робот MOXIE, установленный на марсоходе НАСА Perseverance, синтезировал 5 граммов кислорода из марсианской атмосферы, показав, что добыча ресурсов вне пределов Земли возможна.

Примечательны успехи марсианского вертолета Ingenuity, также прибывшего на Perseverance, сообщил «Профилю» сооснователь компании Orbital Express Виталий Егоров. «Тот факт, что маленький космический аппарат с "мозгами" от сотового телефона способен выполнять серьезные операции на другой планете, обнадеживает, – поясняет он. – Если раньше создавалась одна автоматическая станция, на которую институты стремились поставить свои приборы, сейчас получается, что можно отправить корабль-носитель, а с него выпускать малые исследовательские зонды с разной полезной нагрузкой. Таким образом, разработка космической техники становится доступнее: каждый институт или стартап может делать свои межпланетные аппараты».

Подобные эксперименты запланированы и на Луне в рамках программы НАСА «Артемида», причем к ним активно подключаются частные компании. С лета 2020 года агентство объявило ряд конкурсов на разработку технологий для лунной инфраструктуры: атомных электростанций, генераторов энергии с помощью химических реакций, системы 4G-связи и даже биотуалета, работающего в условиях низкой гравитации.

Некоторые победители уже известны. Компания Astrobotic за $200 млн создает посадочную платформу Griffin для отправки лунохода VIPER, который займется поиском залежей льда на южном полюсе спутника Земли (запуск планируется в ноябре 2023 года).

В той же области Луны будет работать вездеход LTV, который для НАСА создает Northrop Grumman вместе с несколькими субподрядчиками. Предполагается, что на LTV будут передвигаться американские астронавты во время пилотируемой миссии на Луну (ее сроком значится 2025 год).

Также с заготовлением лунного льда связана деятельность компании Redwire Space. В августе этого года она выиграла конкурс НАСА Break the Ice Lunar Challenge и на полученные средства строит лунный экскаватор L-Rex и ровер L-Tran, который будет транспортировать добытый лед.

Ряд компаний реализуют свои проекты без госучастия. Так, израильский стартап Helios запатентовал установку для извлечения кислорода из лунного грунта путем электролиза расплавленных оксидов при температуре 1600 градусов по Цельсию. Она будет установлена на луноходе японской компании Ispace, который должен отправиться на Луну в 2023 году (и в случае успеха стать первым частным луноходом в истории).

Как идет подготовка к разработке астероидов

Что касается астероидов, то публично о намерении заняться ими объявили три американские компании – Planetoid Mines, Planetary Resources, Deep Space Industry. Правда, последние две уже прекратили существование. Пока активность по астероидной тематике поддерживается исследовательскими миссиями национальных агентств. Год назад японский аппарат «Хаябуса-2» доставил образцы грунта с железо-никелевого астероида Рюгу – сейчас их изучают ученые, уже обнаружены вещества, имеющие отношение к воде.

На лето следующего года намечен старт миссии НАСА к астероиду Психея с целью изучения его элементного состава. Миссию ждут с большим интересом: по предварительным оценкам, значительный процент массы Психеи составляют золото, платина и тяжелые металлы, стоимость которых оценивают в $10 квинтиллионов.

А в сентябре 2022-го состоится столкновение недавно запущенного американского дрона с астероидом Диморф. В этом и заключается вся работа аппарата – как следует «врезать» астероиду. На первый взгляд незамысловатая миссия DART (Double Asteroid Redirection Test – Тест перенаправления двойного астероида) преследует далекую цель.

«Формально аппарат запущен под флагом планетарной безопасности: проверить, можно ли защищать Землю от столкновения с астероидами путем коррекции их орбиты, – объясняет Евгений Кузнецов. – Но конечный смысл вновь коммерческий. Если мы научимся сближать астероиды с Землей или даже перенаправлять их на нашу орбиту, будет гораздо выгоднее их разрабатывать».

Нынешних ракетных двигателей недостаточно. Есть ли альтернативные варианты?

Все эти многообещающие проекты, однако, не затрагивают главного барьера на пути межпланетных перемещений. Он связан с несовершенством химических ракетных двигателей. Их мощность имеет четкий физический предел – скорость рассеивания выбрасываемых молекул газа (водорода, метана, кислорода). Значит, чтобы существенно ускорить освоение космоса, нужны двигатели, работающие на иных принципах.

Заметим, что они существуют и сегодня. Так, на некоторых спутниках устанавливают ионные движки: тяга вырабатывается путем разгона заряженных молекул электричеством. Однако их мощность недотягивает и до ракетных двигателей: солнечные батареи вырабатывают мало энергии на единицу площади – хватает только для коррекции орбиты. Кроме того, в качестве топлива используется газ ксенон, который необходимо доставлять с Земли.

Еще одна технология – солнечный парус. Она также использует свет Солнца, но по-другому. Космический корабль снабжен складным парусом из металлизированной пленки, который расправляется уже на орбите и приводит аппарат в движение благодаря давлению на поверхность пленки частиц света – фотонов (так земные паруса надуваются от давления ветра).

Попытки соорудить такой парус начались в 1990-х годах, а в качестве двигателя он был впервые использован на японском спутнике IKAROS в 2010-м. Впоследствии были запущены два частных парусника (LightSail-1 и LightSail-2), а в следующем году НАСА хочет протестировать новую схему развертывания паруса на спутнике ACS3. Плюсом технологии является автономность аппарата, работающего на солнечном «топливе». Но, как и в море, космический парус не блещет надежностью: при удалении от Солнца давление фотонов ослабевает, а в тени небесного тела вовсе не улавливается.

Определенные надежды энтузиасты «межлунной экономики» связывают с использованием в качестве топлива водяной плазмы. Не следует путать этот метод с производством из воды традиционного ракетного горючего (пары водород–кислород в жидком состоянии). В данном случае вода с помощью микроволн разогревается до состояния пара, который ионизируется электричеством и выбрасывается в космос. Но и здесь речь идет лишь о маневровых двигателях для спутников. Их прототипы уже создаются: в начале этого года НАСА запустило небольшой аппарат PTD-1 с водяным двигателем.

Какие барьеры стоят на пути использования ядерной энергии в космосе

Таким образом, сегодня известен лишь один способ как следует разогнаться в космическом пространстве – поставить на ракету ядерный реактор. Эта идея давно будоражит умы космического сообщества. В частности, ее пытается реализовать компания Ad Astra, возглавляемая экс-астронавтом НАСА Франклином Чанг-Диасом. Он спроектировал ядерную ракету Vasimr VX-200SS, которая должна набрать скорость 54 км/сек. и доставить человека на Марс за 39 дней (вместо семи-восьми месяцев полета на химическом двигателе). Похожий проект имеется и у компании USNC-Tech (США) – тут обещан трехмесячный полет.

Ядерное топливо в космосе не является чем-то новым: изотопные реакторы на борту спутников тестировались еще в 1960-е годы, иногда их устанавливают на исследовательские аппараты, направляющиеся к далеким планетам. Однако вопрос в мощности энергетической установки. Как правило, она не превышает 10 кВт, в противном случае возникают проблемы с теплоотводом (на Земле для этой цели используются водохранилища).

Но для больших межпланетных кораблей требуется двигатель мегаваттного класса. Минувшим летом компания Чанг-Диаса добилась стабильной работы ядерной установки мощностью 80 кВт в течение 88 часов. Это мировой рекорд, но его все равно категорически мало.

«Адаптировать ядерную энергию к космосу – вызов, который не осилить в одиночку даже Маску и Безосу, – говорит Андрей Ионин. – По понятным причинам эти технологии находятся в руках государств. Заделы есть, как были они и по ракетным двигателям у Королева и фон Брауна в 1930-е годы, за 20 лет до начала космической эры. Нужна воля, чтобы довести их до ума. Тем более, ядерная энергия пригодится для жизнеобеспечения лунной или марсианской колонии».

Есть и альтернативное решение. Вновь вернемся к солнечной энергии. Каждый час она достигает Земли в таком количестве, которое мировая экономика не тратит и за год (подсчеты министерства энергетики США). Идея заключается в том, чтобы расположить на геостационарной орбите солнечные электростанции, транслирующие эту энергию на Землю: потери можно свести к минимуму (около 2%), если передавать в чрезвычайно плотном пучке высокочастотных микроволн.

Такую электростанцию разрабатывает Китай. В Чунцине строят базу для приема лазерного луча из космоса, а китайские ученые практикуются в беспроводном трансфере энергии: с высоты 300 метров ее передали успешно, следующая цель – высота 20 км. Официальная цель КНР: в 2030 году получить космическую электростанцию мощностью 1 мегаватт, в 2049-м – 1 гигаватт. Есть разработки и в США, причем сразу по двум направлениям: НАСА занимается проектом электростанции SPS-ALPHA (ее стоимость оценивается $20 млрд), а Пентагон хочет вывести на орбиту собственный передатчик энергии в 2024 году.

«Эти разработки интересны тем, что луч теоретически можно развернуть, направив потоки энергии на космический корабль, уходящий к дальним планетам, – отмечает Кирилл Игнатьев. – Одно точно: в космосе мы найдем новую энергетику и расширим таблицу Менделеева».

Варп-двигатель для межзвездных путешествий: возможен ли он вообще?

Но даже ядерный двигатель не станет для нас порталом к другим звездным системам. Ближайшая звезда, красный карлик Проксима Центавра, расположена на расстоянии четырех световых лет от Солнца: путь на ракете Vasimr VX-200SS занял бы 22 тысячи лет. А как насчет межзвездных кораблей, передвигающихся быстрее скорости света?

Строго говоря, подобные вопросы звучат антинаучно. Но имеют яркие воплощения в кинематографе: к примеру, варп-двигатель из сериала «Звездный путь» вдохновляет не одно поколение физиков-теоретиков. Один из них, мексиканец Мигель Алькубьерре, в 1994 году предложил решение уравнений Эйнштейна, согласно которому достижение сверхсветовой скорости возможно за счет искривления пространства вокруг движущегося объекта (сжатия перед ним и расширения за ним). Правда, для такого искривления, по Алькубьерре, необходима загадочная темная энергия (абстракция, используемая учеными для объяснения расширения Вселенной в рамках общей теории относительности).

Год назад в научном журнале Applied Physics вышла резонансная статья. Ее авторы из Лаборатории перспективных двигателей НАСА впервые подтвердили возможность варп-двигателя в рамках существующих физических законов. Новая концепция предполагает создание плавающих пузырей пространства–времени, для которых «всего-то» требуется большое количество энергии – эквивалент нескольких сотен масс Юпитера. Если ее сгенерировать, полет до Проксимы Центавры и обратно уложится в среднюю продолжительность человеческой жизни.

«Это голая теория, но хотя бы понятно, куда грести, – комментирует Евгений Кузнецов. – Вполне рациональный барьер, просто пока непреодолимый. Но 20 лет назад считалось, что для получения темной энергии нужно столкновение галактик. Уже прогресс!».

«Варп-двигатель – рубеж, где заканчивается космонавтика и начинается фундаментальная наука, – добавляет Александр Баулин. – У нас накопились вопросы к теории относительности. Как знать, может, в процессе экспериментов на Адронном коллайдере мы научимся управлять темной материей? До расщепления атома люди тоже не предполагали, что это возможно и какой мир им откроется потом. О сроках тут говорить нельзя, но напомню, что 100 лет назад Эйнштейну далеко не сразу дали Нобелевскую премию, так как считали, что его открытия не имеют значения в реальной жизни. А теперь без них не смогут работать GPS-навигация, электромагниты и еще много чего».