Мы собираемся послать экипаж на Марс не ради того, чтобы установить рекорд высоты и отчитаться об этом в «Авиационном альманахе». Мы хотим исследовать планету, чтобы понять, была ли она наполнена жизнью в прошлом, и узнать, может ли она стать домом для новой ветви человеческой цивилизации. Беспилотные зонды, пусть даже очень хорошо оснащенные, не способны выполнить эту работу. И даже нескольких коротких пилотируемых полетов на поверхность Красной планеты будет недостаточно, особенно если экипажи смогут проводить исследования только в окрестности временной базы. Чтобы узнать о Марсе действительно много, нам придется постоянно летать к нему, причем делать это часто.

Площадь поверхности Красной планеты – 144 миллиона квадратных километров, это почти столько же, сколько дают все континенты и острова Земли, вместе взятые. На Марсе есть что исследовать. Более того, его ландшафты невероятно разнообразны. Там есть каньоны, глубокие низины, русла рек и пересохшие озера, долины, образованные речными стоками, кратеры, вулканы, ледяные поля и области с хаотичным рельефом – причем это еще далеко не все. Геологическая служба США к данному моменту насчитала на Марсе не менее 31 типа рельефа – такая информация приводится в «Упрощенной геологической карте» планеты, – и пока еще не завершена полноценная фотосъемка с высоким разрешением. Отдельные элементы, например долины Маринер, достигают в длину 3000 километров и сравнимы по размеру с континентом. Для основательного изучения одного такого участка придется передвигаться на огромные расстояния.

Сухие русла рек, открытые на Марсе «Маринером-9», доказывают, что когда-то здесь существовал теплый и влажный климат, подходящий для зарождения жизни. Когда Марс был молодой планетой, его атмосфера из углекислого газа, куда более толстая, чем сейчас, создавала сильный парниковый эффект. У Венеры до сих пор такая атмосфера, потому на поверхности планеты стоит ужасная жара. Расстояние между Солнцем и Марсом больше, чем между Солнцем и Венерой, так что толстая атмосфера из углекислого газа и, соответственно, парниковый эффект могли бы создать на Красной планете температурные условия, необходимые для зарождения жизни. Большинство ученых, исследующих Марс, сегодня склоняются к мысли, что такие условия сохранялись на Марсе в течение куда большего времени, чем то, что потребовалось для развития жизни на Земле. Современные гипотезы рассматривают этот процесс как естественное развитие и усложняющуюся самоорганизацию вещества, которые неизбежно должны возникать там, где существуют соответствующие физические и химические условия. Если гипотезы верны, то жизнь на Марсе должна была появиться, так как в период ее зарождения на Земле условия на обеих планетах были схожими. Затем атмосфера Марса стала тонкой, и планета превратилась в холодный засушливый мир, каким мы видим его сегодня, – это ухудшение климата почти наверняка привело к исчезновению жизни на поверхности. Тем не менее микроорганизмы могли оставить макроскопические ископаемые. Некоторые такие окаменелости были найдены на Земле, они называются бактериальными строматолитами и датируются возрастом 3,7 миллиарда лет, что делает их современниками тропической эры Марса. Даже если марсианская жизнь вымерла полностью, ее окаменелые останки могли сохраниться. Сегодня мы знаем все о шансах жизни на зарождение на примере одной-единственной планеты: нашей собственной. Так что нам не известно, произошло это благодаря одному призрачному шансу из триллиона или должно было случиться наверняка. Ничтожные шансы никогда не выпадают дважды подряд. Если бы нам посчастливилось найти на Марсе либо живые организмы, либо их окаменелости, мы бы знали наверняка: жизнь во Вселенной есть.

Таким образом, поиски жизни, сохранившейся или окаменелой, станут наиболее приоритетной задачей для первых исследователей Марса, поскольку смогут дать ответ на вопрос, уникальна ли жизнь как явление. Результаты миссии «Викинг» показали, что если жизнь до сих пор и сохраняется на Марсе, то она редка, и ее поиски будут нелегким делом. Впрочем, точно так же опыт палеонтологов на Земле показал, что охота за ископаемыми останками требует сбора большого количества информации, так как образование обнаружимых окаменелостей – событие с очень низкой вероятностью. Только представьте себе, сколько всего для этого требуется! Для начала, когда организм умирает, он немедленно должен быть изолирован от окружающей среды. В противном случае он в скором времени разложится или, возможно, станет чьей-нибудь пищей. Он должен оставаться изолированным миллионы или даже миллиарды лет и оказаться доступным в тот момент, когда вы пройдете мимо в поисках какой-нибудь древней кости. (Если окаменевший организм будет находиться на воздухе длительное время, среда уничтожит его прежде, чем вы его увидите.) Вспомните всех тех трицератопсов или хотя бы бизонов, которые когда-то бродили по равнинам Северной Америки стадами от десятков до миллионов голов, – ведь никто сегодня не спотыкается об их окаменевшие скелеты. Нет, если вы собираетесь найти кость динозавра или марсианский строматолит, вам лучше приготовиться к долгому путешествию. А если вы хотите доказать, что окаменелостей не существует, вам придется путешествовать еще больше, потому что ваша способность продемонстрировать убедительный отрицательный результат будет зависеть от территории поиска: в идеале лучше обыскать практически всю поверхность планеты. В конце концов, требования мобильности для исследования Марса предельно просты: нужно иметь возможность попасть в любую точку планеты. Это обстоятельство часто упускают из виду.

Так как же будет передвигаться экипаж нашей первой пилотируемой марсианской миссии? Работавший от батарей лунный ровер, использовавшийся в программе «Аполлон», мог проехать 20 километров и тем самым позволял исследовать окрестности в радиусе 10 километров от места посадки модуля. Пилотируемая марсианская экспедиция, оснащенная аналогичным образом, могла бы исследовать каких-то 300 квадратных километров, независимо от длительности пребывания экипажа на поверхности планеты, а для того чтобы с такой техникой осмотреть всю поверхность Марса, понадобилось бы около полумиллиона аналогичных миссий. Даже если бы мы собирались просто изучить несколько интересных районов, ограничение подвижности в связи с использованием такого ровера оказалось бы существенным препятствием и значительно увеличило бы стоимость подготовки серьезной программы пилотируемых космических исследований. Например, в табл. 6.1 приведен список интересных мест в треугольной области Копрат, окружающей место посадки с координатами 0° с.ш. и 65° з.д. Поскольку эта область располагается вблизи экватора (а следовательно, там сравнительно тепло и солнечно круглый год) и содержит много разнообразных интересных объектов, весьма вероятно, что именно она станет зоной высадки первой экспедиции людей на Марс.

Можно убедиться, что если бы мобильность на поверхности Красной планеты была ограничена радиусом в 100 километров (что в десять раз лучше, чем у лунного ровера программы «Аполлон»), то для посещения всех перечисленных в таблице мест понадобилось бы по меньшей мере двенадцать высадок. А вот если бы в рамках миссии ровер позволял удаляться на 500 километров от базы, то для осмотра всех четырнадцати участков понадобилось бы всего четыре миссии, причем они смогли бы охватить площадь в восемь раз большую, чем та, что была бы доступна для двенадцати миссий, оснащенных роверами со 100-километровым запасом хода.

Таблица 6.1. Элементы поверхности Марса, интересные для исследования

* Хаотичные области – области разнообразного рельефа на небесном теле. – Прим. пер.

Каждый пилотируемый полет на Марс обойдется нам в миллиарды долларов. Стоимость миссии может быть снижена за счет новых технологий – например, ядерного реактивного двигателя или более дешевых ракет-носителей. Но, даже если такие исследования будут поощряться и поддерживаться, введение каждой новой технологии обойдется в миллиарды долларов, так что в конечном итоге расходы марсианскую миссию удастся сократить примерно в два раза. А вот работа над увеличением дальности хода транспортных средств для перемещения по поверхности Марса, вероятно, обойдется дешевле и способна повысить эффективность исследований в 100 раз и даже больше.

Понятно, что нет ничего важнее для определении эффективности затрат в нашем деле, чем мобильность.

 

Транспортные средства на Марсе

Машины для Марса можно строить разные: колесные, гусеничные, полугусеничные и даже на механических ногах – все они успешно станут двигаться по поверхности. Куда важнее то, каким образом транспортное средство будет снабжаться энергией.

Единственные автомобили, до сего момента использовавшиеся в космосе, – это лунные роверы программы «Аполлон», негерметичные и работающие от батарей. Если бы мы взяли самые современные литий-ионные аккумуляторы (похожие на те, что стоят в видеокамерах) и зарядили бы их, чтобы роверу хватило питания на 10 часов, такая система могла бы производить около 10 Вт энергии на каждый килограмм своего веса. А вот если бы вместо батарей мы использовали водородно-кислородные топливные ячейки вроде тех, что обеспечивали электроэнергией шаттлы, то соотношение энергия/масса в системе удалось бы поднять примерно до 50 Вт/кг. Это, конечно, был бы прогресс, но другая знакомая вам технология кажется куда более эффективной.

Соотношение энергии и массы у двигателей внутреннего сгорания может достигать значения 1000 Вт/кг. Это в 20 раз выше, чем у водородно-кислородных топливных ячеек, и в 100 раз выше, чем у систем, работающих от аккумуляторов. Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают гораздо большую мощность при значительно меньшей массе в сравнении со всем остальным (и именно по этой причине стоят в подавляющем большинстве земных транспортных средств). Данное преимущество можно использовать для наших марсианских автомобилей. При такой массе системы жизнеобеспечения размеры автомобиля будут прямо пропорциональны его скорости, которая, в свою очередь, пропорциональна энергии. Но если вы попытаетесь добиться одинаковой мощности двигателя внутреннего сгорания и альтернативной системы, то вес последней легко может оказаться чрезмерным. Представьте себе ровер, имеющий мощность 50 кВт (около 65 л. с). Масса двигателя внутреннего сгорания в этом случае будет около 50 килограммов, тогда как топливных баков для обеспечения такой же мощности понадобится около 1000 килограммов. В автомобиль с двигателем внутреннего сгорания можно будет погрузить исследовательского оборудования и продовольствия на 950 килограммов больше, чем в ровер, работающий на водородно-кислородном топливе, и при этом в плане выносливости, грузоподъемности и размера первое транспортное средство будет выигрывать.

Кроме того, автомобиль с двигателем внутреннего сгорания можно практически неограниченно снабжать энергией, что позволит экипажам на выезде проводить энергоемкие научные исследования на таких расстояниях от базы, о которых раньше мы и не помышляли. Например, экипаж может отправиться на герметизированном автомобиле с двигателем внутреннего сгорания на разведку к удаленному участку и сгенерировать 50 кВт энергии для запуска буровой установки, чтобы попытаться достичь уровня марсианских грунтовых вод. Скорость передачи данных также пропорциональна энергии, а следовательно, в случае с двигателем внутреннего сгорания она может быть намного выше, что, в свою очередь, увеличит и безопасность экипажа, и научную результативность поездки. Более того, благодаря двигателям внутреннего сгорания можно будет использовать маленькие и легкие электростанции, необходимые для быстрых и маневренных одноместных вездеходов. Как и на Земле, такие универсальные внедорожники сильно помогут исследователям, работающим в марсианской «глубинке».

Двигатели внутреннего сгорания также могут быть использованы, чтобы обеспечить большим количеством энергии главную базу или удаленную стройку (бульдозеры и пр.). В конечном итоге большее энерговыделение таких двигателей обеспечит большую мобильность при использовании компактных, легких и гораздо более функциональных транспортных средств, что сделает программу исследования Марса эффективной и экономически выгодной во всех отношениях. Если мы хотим добиться там чего-либо серьезного, нам понадобятся транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. Но есть одна загвоздка.

Для использования таких машин требуется очень много топлива. Например, по моим оценкам, герметичный ровер весом в тонну потребует около 0,5 килограмма метаново-кислородного топлива на один километр пути. Таким образом, поездка на 800 километров от базы и обратно обойдется примерно в 400 килограммов топлива. Если преодолевать в среднем по 100 километров в день, экспедиция займет восемь дней. За те 600 дней, что миссия будет оставаться на Марсе, придется совершить много таких поездок. Если использовать ровер описанным образом в течение всего 300 дней из 600, он израсходует 15 тонн метаново-кислородной смеси. Необходимость импортировать такую массу топлива с Земли только для обеспечения работы ровера – это настоящая логистическая катастрофа. Если мы хотим пользоваться на Марсе транспортными средствами с двигателями внутреннего сгорания, мы должны быть в состоянии изготовить для них топливо на месте.

На марсианские автомобили можно установить любой из двигателей внутреннего сгорания, что сегодня применяются на Земле, в том числе бензиновый, дизельный или газовые турбины. Однако, если вы станете сжигать чистое ракетное топливо, например смесь метана и кислорода, двигатель будет сильно перегреваться и быстро выйдет из строя. Разбавление горючей смеси атмосферным углекислым газом, подаваемым вентилятором, снимает проблему. Диоксид углерода действует как инертный буферный газ, он будет снижать температуру пламени так же, как на Земле это делает содержащийся в воздухе азот.

Размер марсианского ровера, приводимого в движение путем химического сгорания, будет в решающей степени зависеть от соотношения энергии и массы используемого топлива. Хотя на Марсе в принципе можно использовать любое двухкомпонентное топливо, не следует забывать об издержках транспортировки, поэтому большая его часть должна быть изготовлена на месте из марсианских материалов. Список возможных комбинаций приведен в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Потенциальные виды двухкомпонентного топлива для транспортных средств на Марсе

Марсианская атмосфера на 95 % состоит из двуокиси углерода, и поэтому ее комбинации с водородом (Н2/CO2) и гидразином (N2H4/CO2), приведенные в табл. 6.2, могут использоваться в воздушно-реактивных двигателях по принципу, во многом схожему с принципом работы двигателей внутреннего сгорания и воздушно-реактивных двигателей на Земле. В этих случаях, когда речь идет о соотношении энергии и массы, имеется в виду масса только одного компонента топлива, так как углекислый газ перевозить на машине не нужно. Становится очевидно, что с точки зрения соотношения энергии и массы двигатель на смеси водорода и диоксида углерода превосходит все другие варианты. Однако огромная проблема хранения водорода делает использование такой системы в ровере практически нереальным. Смесь метана и кислорода обладает высокой энергоемкостью, так что можно остановиться на этом варианте. Мало того, как раз метаново-кислородное топливо на Марсе производить проще всего. Оно также наилучшим образом подходит для ракет-носителей, которые будут летать с поверхности Красной планеты. Как мы уже видели, план «Марс Директ» предполагает использование смеси метана и кислорода в качестве топлива для ВЗА. Так что наши роверы можно будет заправлять на том же марсианском заводе (ЗПТМ), что изготавливает топливо для ракет.

Впрочем, можно видеть, что удельная энергоемкость смеси метанола и кислорода тоже неплоха. Это интересно, потому что метанол и кислород хорошо подходят для топливных элементов (автобусы в Ванкувере в настоящее время работают на таких системах), и в плане простоты получения на Марсе метанол стоит на втором месте после метана. Несмотря на то что метанол существенно уступает метану как ракетное топливо, его некриогенная природа и простота транспортировки (его перевозят как воду – стеклоочистительная жидкость на треть состоит из этого вещества) делают его интересным вариантом для использования в качестве переносимого источника энергии для астронавтов, работающих на поверхности Марса. Итак, если мы готовы столкнуться с большими сложностями, используя две различные системы производства топлива – одного для ракет, другого для техники, катающейся по поверхности Марса, – можно рассмотреть вариант со смесью метанола и кислорода.

Ровер будет работать на этом топливе, разбавленном углекислым газом, или использовать топливный элемент на метаноле и кислороде. Отходами в обоих случаях окажутся углекислый газ и вода. Первый никакой ценности не представляет – его всегда можно получить из марсианской атмосферы, – а потому он будет выводиться как выхлоп. А вот с водой все обстоит иначе. Хорошая идея – оснастить марсианские автомобили холодильниками (конденсаторами), которые позволят отфильтровывать воду из продуктов работы двигателя. (Это не сложная технология. ВВС США в 1920-х годах проделывали то же самое с дирижаблями. Отработавшая свое вода там использовалась в качестве балласта.) По возвращении ровера на базу конденсированную воду будут изымать, чтобы потом объединить с двуокисью углерода и использовать для синтеза метаново-кислородного топлива. Если 90 % воды удастся использовать повторно, можно будет более 10 раз заправить машину топливом, полученным из одного и того же вещества.

А что насчет системы жизнеобеспечения ровера? На поверхности Марса на тех же ЗПТМ можно легко производить неограниченное количество кислорода, используя диоксид углерода, из которого атмосфера Марса состоит на 95 %. Однако азот и аргон в сумме составляют всего около 4,3 % марсианской атмосферы, и, следовательно, найти буферный газ для дыхания будет гораздо сложнее. (Вы можете использовать диоксид углерода в качестве буферного газа для двигателей, но не для человека. В концентрациях выше 1 % он становится токсичным.) Поэтому крайне важно, чтобы жилые модули и герметичные роверы работали при минимально возможных парциальных давлениях буферного газа. Для жилого модуля на поверхности Марса я рекомендую давление в 5 фунтов на квадратный дюйм (3,5 фунта кислорода, 1,5 фунта азота), такое давление использовали астронавты НАСА в долгосрочных экспедициях на станциях «Скайлэб» в 1970-е годы.

Экипажи программы «Аполлон», однако, проводили двухнедельные миссии в атмосфере без буферного газа, содержавшей 5 фунтов на квадратный дюйм кислорода. Поскольку самые длительные поездки на роверах тоже будут длиться около двух недель, я рекомендую для герметичных роверов именно такой вариант. У него есть серьезные преимущества. Для ровера с низким давлением не нужен шлюз, поэтому машина окажется значительно легче, чем при конструировании другого варианта. Когда члены экипажа захотят покинуть ровер и заняться внекорабельной деятельностью (ВКД), они просто наденут скафандры, сидя в его кабине, затем стравят оттуда кислородную атмосферу, откроют люк и выйдут наружу. Поскольку в дыхательной смеси не будет азота, разгерметизация займет очень мало времени: без азота в крови люди не заработают кессонную болезнь. Если принять объем внутренней части ровера за 10 кубических метров, тогда каждый раз во время разгерметизации будет теряться 3,3 килограмма кислорода. Если бы часть его мы могли закачать в цилиндр под давлением, потери удалось бы и вовсе свести к минимуму, но в любом случае они легко восполняются благодаря местному производству кислорода на базе.

Ровер с атмосферой низкого давления позволит использовать скафандры для ВКД под низким давлением (3,8 фунта на квадратный дюйм кислорода, без буферного газа, как в миссиях «Аполлон») без предварительного уменьшения количества азота в крови. Этот вариант скафандра будет самым легким и гибким из всех возможных и, таким образом, позволит повысить качество полевых исследований на поверхности Марса. (Скафандры, использовавшиеся на шаттлах, представляли собой своего рода миниатюрные космические корабли, такие конструкции слишком тяжелы для использования на Марсе.) Поскольку кислород будет возобновляемым ресурсом, мне представляется наиболее удобной прямоточная система, где выдыхаемый воздух выбрасывается непосредственно в окружающую среду (как в акваланге), – она сильно упростит дизайн скафандра. Это не только будет полезно для уменьшения его массы, но и существенно повысит его надежность, возможность многократной эксплуатации и удобство. Все это позволит использовать на поверхности Марса не десятки, а тысячи скафандров.

Предположим, что человек вдыхает 5 галлонов (или 19 литров) воздуха в минуту. В этом случае каждый астронавт, использующий такой «акваланг» низкого давления, будет расходовать 1,3 килограмма кислорода в ходе четырех часов ВКД. Метанольно-кислородный топливный элемент мог бы отводить часть отработанного кислорода и использовать его в сочетании с небольшим количеством метанола, для того чтобы снабжать астронавта в скафандре энергией. Таким образом, если два человека будут по одному разу в день покидать ровер, дважды меняя атмосферу в кабине, на это уйдет 12 килограммов кислорода. Если использовать машину в таком темпе ежедневно на протяжении 600-дневного пребывания на поверхности Марса, на этой уйдет 7 тонн кислорода. Такие расходы окажутся обременительными, если кислород будет привезен с Земли. Если же производить его на Марсе, потребуется всего 24 дня работы ЗПТМ с реактором мощностью 60 кВт.

 

Изготовление топлива на Марсе

К этому моменту вам должно быть очевидно, что возможность добраться до Марса с приемлемыми затратами и начать делать что-то осмысленное, оказавшись там, зависит главным образом от одной ключевой технологии – производства топлива из марсианской атмосферы. Но возможно ли это? Несомненно, да. На самом деле все химические процессы, предусмотренные в программе «Марс Директ», массово используются на Земле на протяжении уже более века.

Первый шаг в производстве топлива – это получение исходных материалов. Так как водород в двухкомпонентной смеси занимает лишь около 5 % от общей массы топлива, его лучше импортировать с Земли. При хорошей многослойной изоляции баков можно добиться, чтобы в месяц выкипало менее 1 % жидкого водорода без какого-либо активного охлаждения (перелет между планетами займет в целом шесть-восемь месяцев). Поскольку водородное сырье не будут сразу подавать в двигатель, его можно загустить до гелеобразного состояния небольшим количеством метана для предотвращения утечек. Это также снизит выкипание (на целых 40 %), подавляя конвекцию внутри резервуара.

Единственные виды сырья, которые потребуются нам на Марсе для производства топлива, – это углерод и кислород, наиболее распространенные элементы в марсианской атмосфере, на 95 % состоящей из углекислого газа. Они будут доступны в любой точке планеты так же свободно, как воздух на Земле. Атмосферное давление, измеренное в двух местах посадки «Викингов», варьируется в течение марсианского года от 7 до 10 мбар (1 бар – это атмосферное давление на Земле на уровне моря, или 14,7 фунта на квадратный дюйм; 10 мбар составляют 1 % от атмосферного давления на Земле на уровне моря), а среднее за год значение 8 мбар наблюдалось на месте посадки «Викинга-1» – в высшей точке долины Хриза. Насосы, способные удерживать газ под таким давлением и сжимать его до пригодного для работы давления в 1 бар или более, впервые были продемонстрированы английским физиком Фрэнсисом Хоксби в 1709 году, а сегодняшние аналоги способны на куда большее. Тем не менее, чтобы сжать диоксид углерода, насос не нужен. Для этого можно использовать всасывающую подстилку вроде губки, впитывающей углекислый газ. Все, что будет нужно сделать, – это взять емкость и засыпать туда либо активированный уголь, либо цеолит, а затем оставить ее ночь в открытом виде на поверхности Марса. При ночных заморозках (-90 °C) подстилка впитает до 20 % диоксида углерода от своего веса. Затем, когда наступит день, нужно нагреть поглощающий слой до 10 °C или близкого значения, и газ начнет выделяться. Таким способом можно получать диоксид углерода под очень высоким давлением, практически не используя подвижных конструкций и ограничившись очень малыми расходами энергии.

Можно использовать отходящее тепло, генерируемое какими-нибудь устройствами, для управления процессом дегазации. В моей лаборатории в «Мартин Мариетта» мы построили такую систему, и она работала очень хорошо.

Теперь, чтобы обеспечить контроль качества во время производства ракетного топлива, нужно убедиться, что в химические реакторы не попадают никакие примеси – речь идет о марсианской пыли. Этого можно добиться, разместив фильтр на входном отверстии емкости или насоса, чтобы удалить большую часть пыли, а затем сжав марсианский «воздух» примерно до 7 бар. Когда углекислый газ доводят до этого давления, а затем оставляют, чтобы его температура сравнялась с температурой окружающей среды, газ конденсируется в жидкость. (Мы не видим жидкой двуокиси углерода на Земле, потому что наше нормальное давление слишком низко для сжижения углекислого газа.) Пыль, которой удалось пройти через фильтры насосов, будет переходить в раствор или оседать на дне бака с CO2, в то время как азот и аргон из марсианской атмосферы останутся газообразными. В такой форме их легко можно будет удалить, чтобы либо вернуть в атмосферу, либо, что еще лучше, сохранить для использования в качестве буферного газа системы жизнеобеспечения. Если затем диоксид углерода испарить из накопительного бака, то он окажется стопроцентно чистым, так как вся пыль останется в осадке. Процессы очистки дистилляцией, работающие на этом принципе, широко используются на Земле, начиная с середины 1700-х годов, когда Бенджамин Франклин продемонстрировал устройство опреснения воды для британского флота.

После получения чистого диоксида углерода дальнейший процесс становится полностью контролируемым и предсказуемым, так как на Марсе нет неизвестных факторов. Если разработать подходящий способ контроля качества, остальная часть процесса химического производства диоксида углерода может быть повторена на Земле при тех же самых условиях, что и на Марсе, такие испытания позволят гарантировать надежность технологии. Лишь отдельные ключевые элементы пилотируемой миссии на Марс (двигатели, аэродинамические чехлы для торможения, парашюты, система жизнеобеспечения, орбитальные стыковки, методы сборки и др.) могут быть протестированы так же тщательно. Это означает, что производство местного топлива вполне реально сделать самым надежным звеном в марсианской миссии, а не наоборот.

После получения диоксида углерода можно быстро провести реакцию метанирования с водородом, привезенным с Земли. Этот химический процесс также называют реакцией Сабатье в честь тщательно изучившего его в 1910-х годах химика.

Реакция Сабатье позволяет получить метан и воду из диоксида углерода и водорода. Записывается она следующим уравнением:

CO 2 + 4Н 2 → СН 4 + 2Н 2 O (1)

Это экзотермическая реакция – при ее протекании высвобождается тепло, а происходит она спонтанно в присутствии никелевого или рутениевого катализатора (никель дешевле, рутений лучше). Константа равновесия, которая определяет полноту реакции, чрезвычайно сильно стремится сместить ее вправо и дает выход более 99 % уже при одном обычном запуске реактора. Реакция Сабатье широко используется в промышленности в течение примерно ста лет, а кроме того, она была изучена НАСА, ВВС США и их подрядчиками для возможного использования в системах жизнеобеспечения на МКС и в проекте «Пилотируемой орбитальной лаборатории». Компания «Гамильтон Стандарт» (сегодня это UTC Aerospace Systems), например, в 1980 году разработала реактор Сабатье для использования на МКС и подвергла его примерно 4200 часам квалификационных испытаний.

Тот факт, что реакция Сабатье является экзотермической, не означает, что для ее протекания не требуется энергия. Использующиеся реакторы представляют собой простые стальные трубы, прочные и компактные, содержащие слой катализатора. Я полагаю, ориентируясь на результаты, полученные в лабораторных испытаниях в «Мартин Мариетта» и «Пионер Астронотикс», что модуль для производства всего объема метана, необходимого для миссии «Марс Директ», должен состоять из всего трех реакторов Сабатье, каждый длиной 1 метр и 12 сантиметров в диаметре.

Во время протекания реакции (1) производимый метан сжижается либо при контакте с потоком сверххолодного водорода, либо (после того как жидкий водород будет исчерпан) с помощью механического холодильника. (Метан находится в жидком состоянии примерно при такой же относительно небольшой температуре, как и жидкий кислород.) Вода, производящаяся в процессе, конденсируется и переносится в бак, после чего закачивается в специальный отсек и подвергается известной реакции электролиза, при которой под действием электрического тока расщепляется на водород и кислород:

2Н2O → 2Н2 + O2 (2)

Кислород, полученный таким образом, охлаждается и сохраняется для дальнейших нужд, а водород может быть возвращен в реакцию Сабатье (1).

Электролиз знаком многим из школьного курса химии – ученикам обычно очень нравится этот эксперимент. Такая популярность опыта тем не менее послужила распространению несколько ошибочного представления о том, что ячейка для электролиза – это громоздкая конструкция из стеклянной посуды, расставленной по столу. В действительности электролизеры с модулятором и демодулятором представляют собой чрезвычайно компактные и надежные устройства, состоящие из сжатых слоев пластика, пропитанных электролитом, разделенных металлической сеткой и на каждом конце зафиксированных металлическими колпаками, прикрепленными к металлическим же стержням, проходящим по всей длине ячейки. Такие электролизеры с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) были сильно усовершенствованы для использования на атомных подводных лодках и к настоящему времени проработали более 20 миллионов «устройство-часов». Испытания включали воздействие на ячейки глубинными бомбами и перегрузками до 200 g. Компания «Гамильтон Стандарт» и компания «Лайф Сайенс» разработали легкие модули электролиза для Международной космической станции. Эти устройства вполне подходят для использования на марсианском топливном заводе. Блоки ТПЭ, которые «Гамильтон Стандарт» поставляет ВМФ Британии, по своему уровню выработки продуктов способны удовлетворить нужды в топливе пилотируемой миссии «Марс Директ». Эти блоки уже работали по 28 000 часов без обслуживания, что примерно в четыре раза больше, чем планируемая продолжительность марсианской экспедиции. Для подводных лодок блоки ТПЭ делаются очень тяжелыми – это нужно для балластировки, – для космических полетов они должны быть гораздо легче.

Если весь водород пойдет на производство топлива посредством реакций (1) и (2), то каждый его килограмм, привезенный на Марс, будет преобразован в 12 килограммов двухкомпонентного топлива из метана и кислорода (в соотношении 2:1 соответственно). Сжигание такой смеси обеспечит удельный импульс около 340 секунд. Этот показатель можно было бы назвать хорошим, но оптимальное соотношение кислорода и метана – около 3,5:1, такая пропорция дает удельный импульс в 380 секунд, а массовое отношение водорода к двухкомпонентному топливу в таком случае будет 18:1.

Это наилучший уровень производительности, какого можно достичь для реализации пилотируемой миссии «Марс Директ». Но он требует дополнительного источника кислорода, кроме того, который дают реакции (1) и (2). Одно из возможных решений – прямое восстановление двуокиси углерода:

2CO 2 → 2СО + O 2 (3)

Эту реакцию можно осуществить, нагрев двуокись углерода примерно до 1100 °C, что приведет к частичной диссоциации газа, после чего произведенный свободный кислород можно будет под напряжением пропустить через циркониевые керамические мембраны и тем самым отделить от остального газа. Использовать эту реакцию для производства кислорода на Марсе впервые предложил доктор Роберт Эш из ЛРД в 1970 году и с тех пор это было и остается предметом исследований как самого Эша (который сейчас работает в Университете Старого Доминиона), так и Кумара Рамохали и К. Р. Шридхар (из Университета штата Аризона). Преимущество данного химического процесса – то, что он полностью отделен от любых других и позволяет произвести неограниченное количество кислорода без какого-либо дополнительного исходного сырья. К недостаткам можно отнести то, что трубки из циркония крошатся и дают небольшой выход продукта, потому для миссии «Марс Директ» их понадобится очень много. Также для этого процесса требуется примерно в пять раз больше энергии, чем при производстве того же объема кислорода с помощью электролиза воды. Недавно исследователи из Университета штата Аризона сообщили, что им удалось увеличить выход реакции, так что ее имеет смысл рассматривать в качестве перспективной, но все еще экспериментальной.

Альтернативой, которая позволит удержать все процессы строго в рамках промышленной химии эпохи газового освещения, будет известная инженерам-химикам реакция конверсии водяного газа, запущенная в обратном порядке: повторное использование некоторого количества водорода (полученного в блоке электролиза) в третьей камере, где он вступит в реакцию с диоксидом углерода в присутствии железно-хромового или медного катализатора. Этот процесс даст на выходе окись углерода и воду:

CO 2 + Н 2 → СО + Н 2 O (4)

Реакция (4) слегка эндотермическая, но протекает она при 400 °C, что хорошо укладывается в температурный режим реакции Сабатье. Если проводить реакцию (4) одновременно с (1) и (2), то можно получить смесь с искомым соотношением метана и кислорода, а вся энергия, необходимая для реакции (4), будет добыта из тепла, выделяемого в реакторе Сабатье. Реакцию (4) можно проводить в простой стальной трубе, что делает конструкцию довольно надежной. Недостатком здесь является то, что в интересующем нас температурном интервале реакция (4) имеет константу равновесия всего около 0,1, а это означает, что для поддержания процесса придется запустить конденсатор и мембранный сепаратор, чтобы постоянно удалять из реактора воду и окись углерода, а затем с помощью насоса возвращать в камеру непрореагировавшие водород и диоксид углерода и повторно их использовать. (Вода и СО – это продукты, стоящие в правой части уравнения (4); пока они непрерывно удаляются, реакция сообразно химическим принципам будет течь вправо с образованием воды и СО, чтобы поддерживать соответствующую равновесную концентрацию в реакторе.) Такая система была впервые продемонстрирована мною и Брайаном Фрэнки в «Пионер Астронотикс» в 1997 году, причем с последующими улучшениями нам удалось достичь почти полного превращения диоксида углерода и водорода в СО и воду. При запуске реактора обратной конверсии водяного газа (ОКВГ) параллельно с циклом реакции Сабатье и электролиза можно легко добиться такого соотношения метана и кислорода в топливе, которое будет оптимальным для использования в ходе миссии «Марс Директ».

Более элегантное решение заключается в простом объединении (1) и (4) в одном реакторе следующим образом:

3CO 2 + 6 Н 2 → СН 4 + 2СО + 4 Н 2 O (5)

Эта слабоэкзотермическая реакция, и если запустить ее вместе с (2), смесь кислорода и метана будет иметь пропорцию 4:1, что даст оптимальное соотношение масс компонентов топлива 18:1, причем кислорода окажется даже больше, чем нужно, – его можно будет использовать как запас для системы жизнеобеспечения. Кроме того, продуктом реакции окажется окись углерода, теоретически пригодная для различных двигателей внутреннего сгорания или топливных элементов. Если учесть весь произведенный запас окиси углерода и кислорода, общее соотношение масс компонентов топлива может достигать 34:1!

В проекте, проведенном для НАСА между 2005 и 2007 годами, «Пионер Астронотикс» продемонстрировала этот цикл в действии с самого начала и до конца с помощью системы, которая брала из емкости газ, близкий по составу к марсианскому «воздуху» и содержащийся под давлением в 8 мбар, сжимала его до 3 бар, применяла сборную реакцию (5) для получения метана, оксида углерода и воды, затем подвергала последнюю электролизу для производства кислорода и водорода (он снова отправлялся в реактор), очищала от СО метан и сжижала его. Было показано, что этот реактор – который начал разрабатывать Тони Мускателло, а завершили Дуве Бруинсма и его коллеги, после того как Тони ушел из «Пионер Астронотикс», чтобы занять пост в Космическом центре имени Кеннеди, – способен производить метан и кислород в любом соотношении, работая при автоматизированном управлении до пяти дней без остановок.

Еще один способ добычи необходимого кислорода состоит в том, чтобы просто взять часть метана, полученного в реакции (1), и разложить в процессе пиролиза на углерод и водород:

СН4 → С + 2Н2 (6)

Полученный таким образом водород будет затем снова использован для взаимодействия с местным углекислым газом в реакции (1). Через некоторое время в камере, где проводилась реакция (6), накопится какое-то количество графита (сегодня это самый распространенный на практике метод промышленного получения пирографита). Поступление метана в реактор будет прекращено, вместо него камеру заполнит горячая газообразная двуокись углерода. Она начнет вступать в реакцию с графитом с образованием СО, который затем будет отводиться из камеры.

CO2 + С → 2СО (7)

Использовать две камеры – одну для пиролиза, другую для очистки – мне предложили как самое простое решение проблемы с дополнительным кислородом Джим Макэлрой и его исследовательская группа из «Гамильтон Стандарт».

Дело в том, что записать на бумаге систему химического синтеза как серию уравнений легко, куда труднее построить модуль, работающий должным образом. Однако к реактору, о котором я вам рассказал, это не относится – я знаю наверняка, потому что сам руководил рядом проектов по созданию всех блоков ЗПТМ с нуля. Первый и в некотором роде наиболее драматичный из этих проектов был начат осенью 1993 года, когда Дэвид Каплан и Дэвид Уивер из Космического центра имени Линдона Джонсона НАСА спросили меня, сможет ли «Мартин Мариетта» продемонстрировать рабочую модель ЗПТМ, которую я пропагандировал на конференциях и в статьях. Однако в той истории произошла неприятность: НАСА выделило всего 47 тысяч долларов на мой проект, а это очень маленький бюджет для того, чтобы разработать и продемонстрировать новую аэрокосмическую технологию, к тому же мне следовало закончить к январю 1994 года. Это было достаточно рискованно – в «Мартин Мариетта» 47 тысяч долларов обычно платят за презентацию с парой десятков слайдов. Однако я твердо верил в то, что технология проста и что проект, кажущийся нереализуемым при имеющемся бюджете и сроках, в принципе осуществим. После долгих обсуждений с руководством я принял вызов. В октябре 1993 года «Мартин Мариетта» заключила контракт на выполнение работы, Дэвид Каплан возглавил программу, Стив Прайс был назначен руководителем проекта со стороны «Мартин Мариетта», а я выступал в качестве главного исследователя и ведущего инженера.

Конструкция системы была разработана в октябре 1993 года, и большую часть ноября мы ждали, пока нам пришлют детали. К концу месяца мы получили все необходимые компоненты и принялись за строительство завода в натуральную величину согласно требованиям миссии по доставке марсианского грунта.

Реактор Сабатье создали с нуля, заполнив металлическую трубу 36 сантиметров в длину и 5 сантиметров в диаметре рутениевым катализатором, полученным от некой компании, поставляющей химическое сырье. (Позже выяснилось, что мы взяли его в десять раз больше по объему, чем требовалось для системы, но мы были стеснены жесткими сроками, которые не позволяли нам делать что-либо дважды. Поэтому проектирование с запасом показалось нам хорошим вариантом.) Электролизер, имевший длину всего в 25 сантиметров и весивший 3 килограмма вместе с водой, был взят из устройства для производства водорода в лаборатории «Паккард Инструмент». Мы также добыли нихромовые нагреватели, чтобы довести реактор Сабатье до рабочей температуры (в дальнейшем тепло, выделяемое в ходе химических реакций, должно было поддерживать его горячим без использования электричества). Наконец, мы построили систему конденсации, чтобы отделять произведенный метан от произведенной воды, а затем испытали всю систему, включая датчики давления и температуры и измерители расхода газа, установленные в стратегических точках и подключенные к компьютеру. К середине декабря система была завершена и готова к работе.

15 декабря ее включили в первый раз, запустив только реактор Сабатье. К концу второго часа работы уровень воды в конденсаторе заметно поднялся – а это значило, что система работает. Последующий лабораторный анализ газа, отходящего из реактора Сабатье, показал, что тот с 68 %-ной эффективностью преобразует водородное сырье и углекислый газ в метан и воду.

В последующие дни в систему были внесены изменения, чтобы повысить ее производительность. К 22 декабря, когда водород для реактора Сабатье подавался из электролизера, мы достигли эффективности в 85 %. 5 января система в первый раз заработала в полноценной конфигурации, и ее эффективность при этом составила 92 %. Наконец, 6 января 1994 года она полноценно проработала день, показав 94 %.

В результате этого последнего запуска были достигнуты все тестовые цели, и у нас еще остались деньги, чтобы оплатить подготовку отчета [24]Слово gashopper («газовый прыгун») очень похоже на grasshoper («кузнечик»). – Прим. пер.
.

После этого успеха систему удалось усовершенствовать за счет небольших сумм, выделенных сначала Космическим центром имени Линдона Джонсона, а потом ЛРД. Были добавлены поглощающие слои, которые позволяли блоку получать углекислый газ из емкости, моделирующей атмосферу Марса при ее нормальном давлении. Эффективность реактора Сабатье увеличилась до 96 %, а сам он был уменьшен в 10 раз и обзавелся 2-килограммовым холодильником на цикле Стирлинга, что позволило нам сжижать весь получаемый кислород и хранить его в криогенном сосуде Дьюара. Также были добавлены автоматизированные системы управления, благодаря чему устройство стало работать по 10 дней подряд без вмешательства оператора. Общая масса всех рабочих компонентов составила в конечном итоге около 20 килограммов, а общая необходимая мощность была менее 300 Вт [25]Продолжительность синодического цикла для Земли и Марса не равняется ровно 15 годам. Синодический период Марса относительно Земли составляет 2,135 земного года. Поэтому одни и те же взаимные расположения (конфигурации) двух планет повторяются не через 15 лет, а плавают. – Прим. пер.
, при том что система позволяла получать 400 кг ракетного топлива для поддержки миссии доставки марсианского грунта.

В 1996 году я ушел из «Локхид Мартин» (так к тому времени назывался «Мартин Мариетта»), чтобы основать собственную компанию, «Пионер Астронотикс». Мы разработали множество дополнительных устройств, демонстрирующих обратную конверсию водяного газа, а также получение метанола, бензола, этилена и пропилена, а еще создали системы, объединяющие реакцию Сабатье, электролиз и ОКВГ.

Моя старая команда в «Локхид Мартин» – в настоящее время ее возглавляет Ларри Кларк – продолжает совершенствовать реакторы Сабатье и электролиза, стремясь добиться большей эффективности и выработать конфигурации, наиболее подходящие для полета. Исследования показывают, что в системе по производству топлива, подогнанной по размеру для миссии «Марс Директ», отношение масс для всех реакторов окажется еще более выраженным, так как процент массы системы, отведенной под паразитные элементы, такие как измерители расхода газа и датчики давления, будет крайне мал.

Итак, мы все-таки можем производить ракетное топливо и кислород прямо на Марсе.

 

Связь с базой

Используя роверы с двигателями внутреннего сгорания, первые исследователи Красной планеты смогут уезжать от базы достаточно далеко, но как они при этом будут поддерживать связь? Все-таки диаметр Марса чуть больше половины диаметра Земли, и линия горизонта там пролегает значительно ближе, примерно в 40 километрах от наблюдателя, если допустить, что поверхность плоская, как равнины Канзаса, – но Марс совершенно точно не Канзас. Так что, отправляясь куда-нибудь, команда астронавтов будет выезжать за линию горизонта, а это исключает передачу радиосигналов в зоне прямой видимости. Как же в таком случае поддерживать связь с базой?

Вот один из ответов: нужно иметь спутник связи и ретранслятор, размещенный на орбите Марса в 17065 километрах над экватором. На такой высоте спутник будет летать со скоростью 1,45 километра в секунду, обращаясь вокруг планеты за 24,6 часа. Поскольку это значение совпадает с продолжительностью марсианского дня, спутник станет вращаться синхронно с планетой, и наблюдателю на поверхности будет казаться, что тот не движется вообще. Такой ареосинхронный спутник – точный марсианский аналог геостационарных спутников, которые в настоящее время широко используются для обеспечения связи на Земле. Если экспедиция высадится на Марс на экваторе, спутник будет круглосуточно висеть прямо над головами исследователей, позволяя поддерживать связь в области радиусом примерно в 5000 километров вокруг базы – это почти половина поверхности планеты.

Но спутники связи стоят денег и, что более важно, иногда выходят из строя. Что делать, если ретранслятор начнет барахлить в то время, когда команда исследователей будет в 400 километрах от базы?

Запасной план заключается в использовании любительского радио. Дело в том, что у Марса есть ионосфера – слой заряженных частиц в верхних слоях атмосферы, – которая может отражать радиосигналы, обеспечивая связь на поверхности Марса в коротковолновом диапазоне так же, как это происходит на Земле. Мы хорошо знаем свойства ионосферы Марса благодаря измерениям, проведенным «Маринером-9», орбитальными аппаратами «Викингов» и европейским зондом «Марс Экспресс». Она простирается вверх, начиная с высоты около 120 километров, и состоит из ионов, включающих 90 % O2+ и 10 % CO2+, и равного количества свободных электронов, создаваемых фотоионизацией. В течение дня плотность электронов достигает пикового значения около 200 000 частиц в кубическом сантиметре на высоте около 135 километров. За ночь концентрация спадает до минимальной – около 5000 частиц в кубическом сантиметре на высоте около 120 километров. Эти значения где-то в 25 раз ниже, чем аналогичные показатели ионосферы Земли. Вместе с тем, поскольку верхний порог частот для коротковолнового радио зависит от квадратного корня из плотности, максимум, доступный на Марсе, будет ниже максимума на Земле примерно в пять раз. У нас радиолюбители могут разговаривать друг с другом с частотах до 20 МГц, а на Марсе потолком будет значение около 4 МГц в дневное время и 700 кГц в ночное. Последняя цифра покажется вам слишком маленькой, если вы хотите пересылать изображения или наладить высокоскоростную передачу данных, но этого более чем достаточно для инженерной телеметрии или голосового общения. На самом деле на Земле данная полоса частот – АМ-радио – наиболее удобна для коммерческих радиостанций и некоторых других форм связи.

Кроме того, хоть коротковолновый диапазон на Марсе и располагается на несколько более низких частотах, чем на Земле, этот недостаток (с использованием более высоких частот можно передавать данные на большей скорости) уравновешивается тем, что марсианская ионосфера намного меньше подвержена радиопомехам. На Земле энергетические требования к передаче сигналов в коротковолновом диапазоне продиктованы фактором помех, вызываемых далекими грозами и большим количеством других радиолюбителей, а также коммерческих радиостанций и военных в эфире. Всего этого не будет на Марсе.

Возможно, вы сейчас представляете себе какое-нибудь тяжелое, громоздкое любительское радиооборудование, непригодное для мобильной связи. Однако существуют и вполне современные коротковолновые технологии, они были разработаны в военных целях и хорошо подходят для использования на Марсе – например, усовершенствованная миниатюрная высокочастотная система (УМВЧС, Advanced Miniature High Frequency System), созданная корпорацией «Дифенс Системс Инк.». Это двунаправленная система, состоящая из передатчика и приемника, каждый ее блок имеет массу 0,8 килограмма и объем 0,7 литра – она достаточно мала, чтобы не только разместить ее в роверах, но и взять с собой на время внекорабельной деятельности. Система может передавать сигнал в глобальном масштабе на освещенной стороне Марса со скоростью 2,4 кбит в секунду с использованием 10-ваттного генератора на солнечных батареях, или ядерного генератора, или 30-ваттного электрического.

Такой скорости достаточно для инженерной телеметрии, переписки по электронной почте, голосового общения низкого качества в режиме реального времени или высококачественной передачи записанных пакетов голосовых сообщений. Чтобы осуществлять высококачественную передачу голосовых сообщений в реальном времени (как в земных телефонах), потребуется в 20 раз большая скорость передачи данных и 600 Вт мощности, которые легко генерируются в ровере. Тем не менее требования к мощности можно будет сильно снизить, если ионосфера Марса действительно настолько тихая, как и предсказывает теория. В любом случае УМВЧС использует технологию зондирования, которая автоматически проводит поиск в спектре радиочастот, чтобы найти максимальную применимую в режиме реального времени, а затем отдает команду обоим устройствам провести контрольную установку соединения на конкретной частоте и подтвердить, что данные были переданы корректно. Таким образом, даже если ионосферные условия окажутся непредсказуемыми или меняющимися во время передачи, УМВЧС сможет адаптироваться, чтобы найти и сохранить лучший канал связи. Она использует свою электронику, чтобы компенсировать размер антенны для длины выбранной для связи волны. Так, 6-метровая гибкая штыревая антенна может использоваться для передачи сигнала на 0,5 МГц как на частоте 5 МГц. Используемая в системе антенна очень легкая и, как правило, представляет собой просто пружину, которую можно быстро развернуть при необходимости.

Использование коротковолнового радио для связи дает исследователям Марса дополнительное преимущество. Та же система может использоваться для исследований с помощью глубокого георадара. Радиосигнал на 3 МГц имеет длину волны 100 метров. В сухой марсианском среде сигналы, если их направлять вниз, предположительно могут проникать в грунт на глубину около 10 длин своей волны – то есть в данном случае на 1000 метров. В последнее время ученые считают, что на Марсе, скорее всего, есть подповерхностный слой жидких грунтовых вод, которые можно найти на глубине от 500 до 1000 метров. Даже если это не соответствует действительности в глобальном масштабе, скорее всего, оно верно в некоторых местах, что подтверждается наблюдениями, сделанными космическим аппаратом «Марс Глобал Сервейор»: на его фотоснимках между 2001 и 2005 годами видны проявления признаков водной эрозии на склоне кратера, которые могли быть созданы только временным истечением воды из подземного источника, когда «Марс Глобал Сервейор» работал на орбите.

В самом деле такие водоемы также могут быть распространенными объектами, так как геотермальная энергия обязательно должна вызывать таяние карманов подповерхностного льда и образование резервуаров с горячей водой. (Марс живой в плане геологической активности. По оценкам ученых, некоторые из вулканов в провинции Фарсида могли образоваться меньше 200 миллионов лет назад. С точки зрения возраста Марса в 4,5 миллиарда лет это все равно что вчера.) Команда ровера, оснащенная коротковолновым радио, может направлять сигналы радара в почву. Если на глубине около километра от поверхности есть жидкая вода, ее более высокая электропроводность по сравнению с окружающей сухой почвой или льдом заставит радиосигнал резко отразиться и вернуться к ресиверу, а временная задержка между передачей и приемом сигнала покажет экипажу, насколько глубоко располагается резервуар. Если исследователи обнаружат теплый водоем около поверхности, то расположат в этом месте буровую установку. Вода, в конце концов, – основа жизни.

 

Навигация на Марсе

Исследователи Красной планеты должны не только поддерживать связь с базой, но и как-то ориентироваться на местности. Хотя есть хорошие карты Марса, снятые с орбиты, основной проблемой для экипажа ровера будет определение собственного положения. Это очень важно не только для документирования координат различных научных находок, но и для того, чтобы экипаж не заблудился. В пустынях Марса, как и пустынях Северной Африки во время Второй мировой войны, заблудиться значит погибнуть. Радиомаяк на базе поможет людям найти дорогу домой, но он не будет действовать дальше горизонта (всего 40 километров вокруг базы, помните?). При приближении к этой границе экипаж ровера, двигающийся прочь от базы, может установить второй маяк на вершине холма, а потом еще и еще, чтобы отметить обратный путь. Такие действия, однако, сильно ограничены и, как и в истории про след из хлебных крошек, которые склевали птицы, могут закончиться катастрофически, если один из маяков прекратит работать. Какие еще методы навигации будут доступны экипажу ровера?

Что ж, первое, что приходит на ум аэрокосмическому инженеру, – это использование навигационных спутников. Если спутник находится на низкой полярной орбите Марса, его широта в любой момент будет известна. Если поставить на спутник радиомаяк (начиная с «Марс Глобал Сервейор», запущенного в 1996 году, все марсианские орбитальные аппараты оснащены таковыми), экипаж ровера сможет регистрировать его сигналы, и когда астронавты сравнят время прохода спутника на минимальном расстоянии с графиком его движения, записанным в компьютере ровера, то смогут определить свою широту. Кроме того, скорость прохода спутника мимо ровера будет большой, если тот расположен прямо под проекцией траектории спутника на марсианскую поверхность, и гораздо меньшей, если астронавты находятся далеко в стороне. Измерение доплеровского сдвига маяка на спутнике, вызванного разницей скоростей приближения и удаления от экипажа, позволит определить, как далеко астронавты находятся к востоку или западу от линии «север – юг», образованной проекцией траектории спутника. Еще раз, сравнение этой информации с компьютерными записями, в которых долгота спутника задана как функция времени, позволит экипажу определить свою долготу.

Эти высокотехнологичные методы весьма точны. Аналогичный подход используется на Земле в спутниковой системе Argos, чтобы среди прочего отслеживать движение ястребов и лосей (если не считать того, что в этом случае маяк находится на лосе, а приемник – на спутнике, который и проводит все необходимые расчеты) с точностью до километра. Тем не менее есть ряд проблем. Спутник находится примерно на двухчасовой орбите Марса, в то время как планета поворачивается под ним. Поэтому наблюдатель на поверхности увидит спутник всего один раз днем и один раз ночью, один раз в 12 часов. От этой проблемы можно избавиться, если увеличить количество спутников на орбите и расположить их так, чтобы они давали набор проекций плоскостей своего движения в виде линий «север – юг» по всей планете, но это обойдется весьма недешево. А что если маяк на спутнике, или приемник ровера, или компьютер выйдет из строя? Что тогда? Есть ли на всякий случай какие-нибудь более надежные и простые методы навигации?

На Земле основным морским навигационным прибором давно служит магнитный компас. К сожалению, на Марсе он работать не будет, потому что планета практически не имеет магнитного поля. Тем не менее там можно использовать проверенные веками методы астронавигации, причем с куда большим удобством, чем это когда-либо было возможно на Земле.

Если вы интересовались астронавигацией, вы знаете, что широта определяется легко, в то время как с долготой дело обстоит сложнее. Все, что нужно для определения широты, это секстант для измерения угла между полюсом мира и горизонтом. Найденный угол и будет вашей широтой. В северном полушарии Земли он измеряется просто, потому что с точностью до 1° полюс мира отмечен Полярной звездой. Направление на нее также задает направление на север с точностью выше, чем у любого компаса. Есть ли в небе Марса приметная звезда, которая будет местной полярной? Нет, но тамошний полюс мира расположен в точке с координатами 21,18 часа прямого восхождения, 52,89° северного склонения и довольно легко находится, так как лежит почти точно посередине между двумя яркими звездами – Денебом, альфой Лебедя, и Альдерамином, альфой Цефея. Итак, при наличии секстанта ясной ночью (которые на пустынном Марсе бывают чаще, чем на дождливой, туманной старушке Земле) можно легко определить широту.

А что насчет долготы? На Земле при помощи точных часов, на которых выставлено стандартное время, например, по Гринвичу, вы можете определить долготу путем измерения времени восхода и сравнения его со значением, приведенным в альманахе для времени восхода в этот день на Гринвичском меридиане (главном, 0° долготы) для вашей широты. Например, если альманах говорит, что Солнце взойдет в 6 часов утра на вашей широте на главном меридиане 21 марта, а вы засекли, что оно встало в 7 утра по вашим часам, выставленным по времени Гринвича, вы поймете, что находитесь на 15 ° западной долготы, так как Земля вращается со скоростью 360 градусов за 24 часа, или 15 градусов в час.

Этот способ успешно используется на Земле, но намного лучше он будет работать на Марсе, потому что там в дополнение к Солнцу в качестве маркеров долготы могут использоваться два быстро движущихся астероидоподобных спутника, Фобос и Деймос. С поверхности Марса Фобос, внутренняя луна, виден как объект с визуальной звездной величиной -10, тогда как Венера в самом ярком состоянии, видимая с Земли, будет в 300 раз тусклее. Визуальная звездная величина Деймоса равняется -7, что примерно в 20 раз ярче, чем видимая с Земли Венера. За исключением периодов пыльных бурь оба этих спутника должны быть хорошо видны с поверхности Марса и днем, и ночью. Луны вращаются по почти экваториальным орбитам, так что вы можете использовать Фобос и Деймос для определения широты даже в середине дня путем измерения их углового расстояния от зенита, когда они находятся в самом высоком положении на небе. Фобос оборачивается вокруг Марса за 7 часов 39 минут, в то время как Деймос имеет период обращения в 30 часов 18 минут. Марсианский навигатор может использовать на выбор восходы и закаты Солнца, Фобоса и Деймоса для сравнения с показаниями альманаха и часов, причем долготу можно определять для каждого такого события. Дело в том, что при помощи некоторых математических знаний, азбучных истин для опытного навигатора, наблюдатель на Марсе с помощью секстанта, часов и альманаха сможет определять свои широту и долготу одновременно всякий раз, когда на небе будут видны любые два из трех объектов (Солнце, Фобос и Деймос).

Кстати, на Земле мы определяем одну морскую милю как одну минуту (1/60 часть градуса) широты. Это примерно 1,82 километра. Однако если мы определим марсианскую «морскую» милю как одну минуту тамошней широты, то получим практически ровно километр (ну, хорошо, 983 метра). Так что на Марсе штурманы наконец-то с легкостью смогут пользоваться метрической системой!

 

Учет времени на Марсе

В литературе достаточно много обсуждаются возможные системы учета времени на Красной планете. Мы уже обсудили навигацию, пора рассмотреть и этот вопрос.

Как мы уже знаем, марсианский день длится 24 часа и 39,6 минуты земного времени. Системы учета времени, предлагавшиеся до сих пор, как правило, сохраняли земные единицы измерения с добавлением неполного часа сразу после полуночи [26]Лучше перепроверять полученные с помощью ареогатора результаты для созвездий, в которых Марс может быть виден с Земли, используя электронную карту звездного неба (например, «Стеллариум», Starry Night, Google Sky Map и т. п.) на интересующую дату. Поскольку автор книги использовал для расчета календаря приближенную формулу, точность определения созвездия, в котором Марс виден с Земли, оказалась плохой: ±1,5 месяца. – Прим. пер.
. В качестве альтернативы иногда предлагались абсолютно новые часы, как правило, на основе десятичной шкалы, использовавшие оригинальный набор временных единиц [27]Плетение с дополнительной прочной нитью. – Прим. пер.
.

Вы уже прочитали предыдущий раздел, и потому вам должно быть ясно, что часы с использованием неравных временных единиц станут кошмаром для тех, кому предстоит заниматься навигацией или астрономией на поверхности Марса. С другой стороны, десятичный или какой-либо еще способ организации времени, вероятно, будет дезориентировать и в любом случае потребует полного пересмотра существующих географических координат на поверхности Марса (где используется та же шестидесятеричная система градусов, минут и секунд, что и в земной картографии).

Наиболее простое решение – разделить марсианские сутки на 24 марсианских часа по 60 марсианских минут, каждая из которых, в свою очередь, будет состоять из 60 марсианских секунд. Коэффициент пересчета между марсианскими единицами времени и их земными эквивалентами, таким образом, окажется равен 1,0275 для всех случаев. Время суток на Марсе, скажем, 6:00 часов утра, будет иметь точно такой же физический смысл ориентации планеты по отношению к Солнцу, как и на Земле. Все уравнения астронавигации, используемые на Земле, на Марсе останутся абсолютно такими же. То есть, независимо от того, на какой из двух планет вы находитесь, один час времени будет равен 15 градусам долготы, одна минута времени – 15 минутам долготы, одна секунда – 15 секундам.

Такая система решает все практические проблемы, связанные с ежедневным учетом времени на Марсе. На самом деле сегодня внутри коллектива планировщиков миссий в ЛРД принято пользоваться именно ею; к примеру, путь будущего марсианского орбитального аппарата можно описать как орбиту «6:00 утра – 6:00 вечера», что означает, что спутник будет двигаться, отслеживая границу «утро – вечер» на Марсе. «6:00 утра» в данном случае – это марсианское местное время в смысле, описанном выше, а 12 часов, отделяющих их от «6:00 вечера», – это марсианские часы. Очень жаль, что такой подход раздражает физиков, которые считают земную секунду священной единицей физического времени. Впрочем, им не стоит беспокоиться – кристаллографы на Марсе и другие люди, которым потребуется высокая степень точности, для того чтобы сообщать измеренные ими частоты, по-прежнему смогут приводить свои измерения в земных секундах. Система единиц СИ останется неизменной. Тем не менее земная секунда будет бесполезна для измерения любого времени, кроме земного дня, и ей придется уступить место своей марсианской коллеге.

 

Телеробототехника: увеличение площадей исследования

По соображениям безопасности, в то время как два члена экипажа (ученый и механик) будут находиться на выезде, двое других останутся на базе в обитаемом модуле. Таким образом, если экипаж в ровере попадет в беду, люди с базы смогут отправиться на помощь в резервном автомобиле (например, в одном из открытых роверов). В общем, на базе всегда будет не менее двух человек, а в перерывах между выездами (от одного до десяти дней каждый) – все четверо. На базе всегда есть чем заняться: это и анализ собранных образцов, и проведение различных научных и инженерных экспериментов, и участие в строительстве и техническом обслуживании оборудования. Тем не менее, поскольку главная задача первых полетов на Марс – исследование, астронавтам придется тратить какое-то время на разведку Марса. Этим они смогут заниматься, если миссию снабдят несколькими телероботами – устройствами удаленного присутствия.

Марсианские телероботы будут небольшими колесными или гусеничными передвижными устройствами, оснащенными телекамерами, микроскопами и другими научными инструментами, а также манипуляторами и радио. Управляемые с марсианской базы либо посредством коротковолнового радиоканала, либо через ареосинхронный спутник связи, эти телероботы при необходимости будут быстро приводиться в движение, так как временная задержка радиосигнала при использовании связи на Марсе окажется незначительной (время задержки сигнала от Земли до Марса и обратно достигает 40 минут, что сегодня сильно снижает эффективность работы устройства телеприсутствия). Разворачивать телероботов смогут экипажи роверов, что позволит астронавтам, остающимся на базе, подробнее исследовать участки поверхности, которые выездные команды нашли интересными, но не успели изучить самостоятельно. Телероботов также будут посылать в те места, которые слишком малы или опасны для людей, например в пещеры или узкие трещины.

Впрочем, некоторых телероботов можно будет запускать и прямо с базы, поднимая их на воздушных шарах, а затем высаживая за тысячи километров. (Воздушный шар на Марсе, по расчетам, способен пролететь 2000 километров за один день.) Траекторию полета, конечно же, задать не получится, но с учетом заранее нанесенных на карту миссиями вроде «Марс Эриал Платформ» направления и скорости ветра путь шара окажется вполне предсказуемым. Во время полета можно использовать камеры телеробота, чтобы в режиме реального времени отправлять на базу снимки – это позволит выбрать лучшее время и место для посадки системы. Оказавшись на поверхности планеты, телеробот может либо отпустить воздушный шар и тем самым связать себя с выбранной локацией на всю жизнь, либо, если ветра слабые, попытаться закрепить его якорные оттяжки в горной породе. В последнем случае после исследования выбранной области в течение нескольких часов телеробот сможет прикрепить себя к шару, сняться с якоря и отправиться на изучение какого-нибудь еще места.

В принципе, еще более выигрышным вариантом будут телероботы, способные самостоятельно летать везде, где понадобится. Один из методов сделать такое – использовать концепцию, известную как газовый прыгун. В этой конструкции применяется набор солнечных панелей, которые запускают небольшой насос, втягивающий из атмосферы Марса углекислый газ и сжижающий его, а затем запасающий его в баке при давлении примерно в 10 бар. Как только набрано необходимое количество газа, солнечная энергия перенаправляется на включение резистивных нагревателей, чтобы разогреть содержащийся внутри стального сосуда слой материала с высокой теплоемкостью до температуры примерно 800 °C. Затем газовый прыгун отправляется в рейс: он заливает жидкий диоксид углерода в высокотемпературный сосуд, где тот снова принимает газообразную форму и под давлением выбрасывается из сопла, создавая ракетную тягу.

Рис. 6.1. Прототип газового прыгуна во время летных испытаний в «Пионер Астронотикс» в июле 2005 года

В «Пионер Астронотикс» мы разработали и запустили несколько таких газовых прыгунов, используя гранулы оксида магния как огнеупорное вещество, – и в виде крылатых ракетопланов, и в виде баллистических ракет, способных вертикально взлетать и садиться. Если взять огнеупорное вещество с более высокой производительностью, например гранулы бериллия или жидкий литий, то в условиях марсианской атмосферы баллистические газовые прыгуны смогут совершать прыжки длиной в 20 километров, в то время как крылатый летательный аппарат будет способен преодолеть 150 километров за один рейс. Лучше всего сделать его похожим на что-то вроде английского истребителя «Харрьер», способного взлетать и садиться вертикально, а также преодолевать большие расстояния благодаря наличию крыльев. После каждого приземления газовый прыгун выпускает небольшой ровер с дистанционным управлением, который занимается разведкой места в течение нескольких недель, пока газовый прыгун восполняет запасы углекислого газа из атмосферы. Затем, когда баки будут повторно заправлены, а двигатель разогреется до нужной температуры, ровер сам погрузится в летательный аппарат, чтобы отправиться на новое место для дальнейшего исследования.

Ни скалы, ни каньоны, ни даже небольшие горы не будут препятствием на пути летающих телероботов. Развернутые и управляемые без задержки сигнала с первой базы людей на Марсе, они сделают обширные регионы планеты доступными для научных исследований.

Телеробот, работающий в отдаленном районе, – это лучшая альтернатива личному присутствию на месте. Но лучшая альтернатива – тем не менее альтернатива, она не сравнится с основным предусмотренным способом исследования. Чтобы по-настоящему изучить Марс, нам придется отправить людей в разные районы планеты. Как это сделать? Отчасти цель может быть достигнута, если мы станем отправлять каждую очередную миссию «Марс Директ» к новому месту посадки, тем самым открывая для исследования новые участки планеты. Да, в краткосрочной перспективе нам необходимо обеспечить значительный охват исследований, но в долгосрочной перспективе такая стратегия окажется неэффективной, так как она не позволяет следующим миссиям использовать то, что оставили предыдущие. В какой-то момент после нескольких первых исследовательских миссий нужно будет сосредоточиться на каком-то одном месте и высаживать туда все дальнейшие миссии, чтобы создать большую базу. Ее ресурсов должно хватать для содержания гораздо более крупных команд астронавтов, а также для того, чтобы обеспечивать работу пилотируемых реактивных летательных аппаратов, которые предоставят этим исследователям поистине глобальный охват Красной планеты. Разработку и использование такой базы мы рассмотрим в следующей главе.

 

Дополнительный раздел – марсианский календарь

Марсианским колонистам понадобится календарь, связанный с физическими и сезонными условиями на Красной планете, – земной аналог на Марсе работать не будет. Если я скажу вам, что сегодня 1 февраля, вы сообразите, что в Миннеаполисе сейчас холодно, а в Сиднее в разгаре лето, – но что вы сможете понять из этого относительно условий на Марсе? В самом деле, потребность в марсианском календаре и в системе учета времени существует уже сегодня – по причине проводящихся и планируемых беспилотных исследовательских экспедиций. Вы знаете, какое время года сейчас на Земле, и можете с легкостью предсказать время года для любой перспективной даты, но без марсианского календаря вам будет трудно проделать то же самое в отношении Марса. Мы можем исправить это прямо сейчас.

Впрочем, есть одна проблема: марсианский год состоит из 669 марсианских дней, или солов. Как мы уже видели, правильно будет для измерения времени на Марсе использовать единицы, в 1,0275 раза более длительные, чем их земные аналоги. А вот месяцы одинаковой длины для Марса не подходят, потому что орбита планеты эллиптическая и времена года имеют неравную длину.

Нам нужно разделить орбиту планеты не на дни, а на дуги равной длины, которые планета проходит, вращаясь вокруг Солнца. Если мы хотим, чтобы месяцы были полезными единицами, и решаем сохранить земное определение этого понятия как 1/12 части года, значит, месяц должен представлять собой дугу в 30 градусов. Но как назвать эти временные отрезки? Использование существующих земных наименований будет вводить в заблуждение, а совершенно новая система окажется полностью произвольной. Однако существует набор имен, которые уже давно известны человечеству и имеют реальный физический смысл не только для Марса, но и для любой планеты Солнечной системы: это знаки зодиака. Все зодиакальные созвездия лежат в плоскости движения всех планет. Древние астрологи, имевшие геоцентрический взгляд на Вселенную, называли месяцы по имени того или иного зодиакального созвездия, на фоне которого Солнце находилось, если смотреть с Земли. Межпланетная культура все же должна опираться на гелиоцентрическую точку зрения, поэтому я решил назвать марсианские месяцы по именам созвездий, в которых будет находиться Марс, если смотреть на него с Солнца. Тогда марсианские колонисты смогут видеть знак текущего месяца высоко в небе около полуночи. В настоящее время у планетологов принято начинать год на планете с весеннего равноденствия (21 марта, начало весны в северном полушарии Земли), и в соответствии с этим обычаем марсианский год начинается с месяца Близнецов и заканчивается месяцем Тельца. Полный марсианский год приведен в табл. 6.3.

Рис. 6.2. Ареогатор для Марса

Чтобы преобразовать земные даты в марсианские, я изобрел устройство, названное мною ареогатором, – оно изображено на рис. 6.2. Вы можете использовать его, чтобы найти месяц (а потому и сезон) на Марсе для любого выбранного месяца на Земле, или наоборот, положения и углы для Земли и Марса относительно Солнца, а также определить, где в небе будет виден Марс, если смотреть с Земли, или наоборот, в любое заданное время в прошлом или будущем.

Таблица 6.3. Марсианский год

Допустим, вы хотите знать положение Марса для 2012 года. Поместите монету, представляющую Марс, на ромб на орбите Марса с надписью «12», и еще одну монету – Землю – на ромб на орбите Земли в начале января. Это будут сравнительные позиции планет на начало января 2012 года. Можно увидеть, что на Марсе – начало месяца Льва, поздняя весна в его северном полушарии. Теперь, чтобы переместиться вперед во времени, просто передвиньте монету-Марс вперед на один ромб и то же самое сделайте с монетой-Землей. Продолжайте, пока Земля не достигнет середины августа, времени прибытия «Кьюриосити». Вы увидите, что это будет конец месяца Скорпиона, или конец лета в северном полушарии Марса. Двигаясь вперед, вы обнаружите, что осталось еще два ромба, прежде чем Марс войдет в месяц Козерога – начало сезона пылевых бурь. Это соответствует ноябрю 2012 года, что дает «Кьюриосити» еще около трех земных месяцев хорошей погоды, прежде чем начнется сезон пылевых бурь.

Я сделал маркировку ареогатора для всех годов между 2008-м и 2022-м. Если вы хотите знать относительные положения Земли и Марса на временных промежутках до или после отмеченных, просто добавьте или вычтите из года любое число, кратное 15 (другими словами, 1975 год – то же самое, что 1990, 2005, 2020, 2035 год и т. д.). Так получается, потому что взаимные положения Земли и Марса повторяются с синодическим циклом в 15 лет.

Если вы хотите знать, в каком созвездии найти Марс, проведите прямую линию между ним и Землей, а затем еще одну, параллельную ей, но проходящую через Солнце. Так, в феврале 2008 года на Марсе будет месяц Рака, но прямая, параллельная линии «Земля – Марс» и проходящая через Солнце, в то же время укажет на месяц Близнецов, и, поскольку созвездия в действительности бесконечно далеки от Солнечной системы, именно там Марс будет виден с Земли в это время. А вот если бы на Марсе находились астрономы, они увидели бы Землю в созвездии Стрельца.

Вы заметите, что маркеры-ромбы на орбите Марса удалены друг от друга не на равные расстояния. Так получилось, потому что при движении по эллиптической орбите Марс то ускоряется, то замедляется. Для тех, кто хочет построить свои собственные ареогаторы, правильное расположение маркеров-ромбов следующее: 0°, а потом плюс или минус 28,8°, 56,5°, 82,4°, 106,2°, 129,0°, 149,6° и 170,2° от перигелия (ближайшего положения Марса по отношению к Солнцу). Перигелий наступает в середине месяца Водолея, Марс при этом находится в том же самом положении относительно Солнца, что и Земля 1 сентября.

Далее для полной системы датировки нам необходимо знать не только месяц в году, но еще и год в некотором абсолютном смысле. Вы можете увидеть, что началу месяца Близнецов соответствует положение Марса рядом с 1 января 1946, 1961, 1976, 1991, 2006, 2021, 2036 годов и т. д.

Последний такой год, предшествовавший полетам марсианских космических зондов, – 1961-й. Потому я выбрал его для начала ведения марсианского календаря. На основе этой системы я рассчитал некоторые из великих дат в марсианской истории. Они показаны в табл. 6.4.

Таблица 6.4. Великие даты в марсианской истории

Для тех, кому интересен расчет точных дат, я приведу здесь использованное мною уравнение:

Марсианский год = 1 + 8/15(Земной год – 1961)

Вы должны сначала подставить земную дату в десятичной форме. Например, 1 июля 1973 года записывается как 1973,5. Уравнение даст вам марсианский год в десятичной форме. В случае 1 июля 1973 года результатом будет значение 7,667. Оно соответствует VII году на Марсе, а если вы возьмете дробную часть – 0,667 – и умножите на 669, количество марсианских дней (солов) в марсианском году, то получите сол номер 446. Заглянув в табл. 6.3, вы обнаружите, что это соответствует 25-му дню месяца Козерога.

Я твердо убежден, что мы теперь обладаем технологиями, позволяющими высадить людей на Марс в течение десяти лет с момента, когда будет принято решение запустить программу. Я пишу эти строки в 2011 году, и если мы запустим миссию в октябре 2022 года, первый экипаж людей прибудет на Марс 9 апреля 2023 года – или в 15-й сол месяца Льва XXXIV года, в самый разгар весны в северном полушарии. Погода будет прекрасной, с ясным небом и слабыми ветрами, и посадке ничего не помешает.