Этот враждебный Марс

 
Температура до -153 градусов, смертельно опасный уровень радиации и другие галактические излучения, которые не способен выдержать ни один современный скафандр, отсутствие магнитного поля, дьявольские песчаные бури, поднимающие в марсианскую атмосферу миллиарды тонн песка.
 
 
Статья журнала ВКС, №2 (91) июнь 2017
 
О том, зачем человеку лететь на планету с таким климатом и как продвигается изучение Марса, служащее подготовкой к возможной пилотируемой миссии, мы беседуем с Львом Зеленым, директором Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) и научным руководителем проекта «ЭКЗОМАРС» с российской стороны.
 
Лев Матвеевич ЗЕЛЁНЫЙ, доктор физико-математических наук, профессор. Академик РАН, с 2013 года вице-президент РАН, с 2002 года директор Института космических исследований РАН. Автор более 300 научных трудов; лауреат премии Президента РФ (2003)
 
Есть ли жизнь на Марсе
 
«Земля – колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели», – говорил Константин Циолковский. Вместе с учеными мы пытаемся понять: быть может, все-таки эта «колыбель» – единственно возможное место для человека?
 
– Я, наверное, наживу себе много врагов, но космос не для человека, давайте исходить из этого! Все в нем нам враждебно: температура, радиация, отсутствие привычного магнитного поля, – утверждает российский физик академик РАН Лев Матвеевич Зеленый. – Человек научился выживать в ближнем космосе на низких орбитах, которые находятся под радиационными поясами, здесь он уже может поддерживать себя в рабочем состоянии в течение почти полутора лет. И в этом наши специалисты действительно впереди планеты всей. Но этого недостаточно для полета в другие области космоса.
 
Стремление узнать, что «за той горой», всегда помогало развитию цивилизации, познанию, освоению новых земель и эволюции. Быстрее. Выше. Сильнее. Соревновательность – часть человеческой натуры и всегда способствовала достижениям.
 
Есть спортивный интерес: забраться на Джомолунгму, посетить все крупные семитысячники Земли... Кстати, на Марсе тоже есть очень высокая гора – в несколько раз выше самой высокой горы на нашей планете. И быть может, когда-нибудь земные альпинисты на нее тоже заберутся.
 
Однако, несмотря на извечное противоборство ведущих держав и «космическую гонку», освоение дальнего космоса – это все же не спорт, считают ученые. Это наука.
 
– Вы спросили, надо ли летать? – говорит Лев Зеленый. – Надо. Обязательно. Мы сможем многое узнать о самих себе. Роботы сейчас становятся все совершеннее, уже на Земле автомобили начинают ездить без водителя, так что у марсианских роверов большое будущее. Вопрос в том, нужно ли лететь человеку и куда?
 
Марс не для человека: радиация В отличие от Земли у Марса нет собственного магнитного поля и, как следствие, нет магнитосферы. Из-за этого, а также из-за очень разреженной атмосферы поверхность планеты подвергается гораздо более мощному облучению, чем Земля. Марс подвержен постоянному воздействию галактических космических лучей и солнечного ветра. Американский зонд Mars Odyssey обнаружил, что уровень постоянного радиационного фона в два с половиной раза превышает уровень на орбите Международной космический станции. Длительное воздействие радиации марсианского уровня может привести к острой лучевой болезни, стать причиной развития рака, генетических повреждений и смерти.
Планета роботов?
 
– Марс прежде и на много лет вперед – это история роботов, автоматы там могут сделать очень многое, если не все, – продолжает ученый. – Я думаю, что полет человека на Марс – это, скорее всего, самый дальний форпост из тех, что теперь планируются.
 
Можно придумать и полет на какой-нибудь астероид. Но даже самый толстый скафандр из ныне существующих не сможет защитить человека от радиации, которой он подвергнется в путешествии к дальним планетам.
 
Однако человек так устроен, что он все равно полетит на Марс. Это в нашей природе – залезть на самую высокую гору. Просто ради самоуважения.
 
В Солнечной системе нет других планет, кроме Марса, которые так были бы похожи на нашу. Мы открыли спутники планет, на которых может обнаружиться жидкая вода, однако расстояние до них нужно преодолевать много лет. Про экзопланеты я и не говорю – там счет идет уже на сотни и тысячи лет, поэтому наша ближайшая в прямом смысле этого слова цель в дальнем космосе – все-таки Марс.
 
– Я люблю шутить, что на Марс сможет полететь то поколение людей, которое вырастет около чернобыльского реактора, – улыбается Лев Зеленый. – Но мы с вами для путешествия к Марсу, и тем более для жизни там, в том виде, как есть, не годимся.
 
Возможно, это и к лучшему. Свободно перемещаться по Красной планете все равно не получится, придется сидеть в укрытии – от радиации ведь под зонтиком не спрячешься. А это убьет всю романтику.
 
Ученые спорят, как и когда человеку лучше лететь на Марс? Как вычислить самый удобный для полета период?
 
– Когда солнце активное, лететь опасно – много солнечной радиации. Однако солнечный ветер «выдувает» из Солнечной системы галактические космические лучи, частицы которых более энергичны и опасны, – говорит Лев Зеленый. – А в солнечном минимуме светило спокойное, зато галактических космических лучей гораздо больше. Солнце легче прогнозировать, мы наблюдаем его, а поведение галактических космических лучей мы предсказать не можем. Сейчас, наконец, мы научились прогнозировать солнечные вспышки, однако периода, чтобы на 11 месяцев Солнце было спокойным, быть не может.
 
Не менее опасны для человека марсианские песчаные бури, которые удается наблюдать даже в земные телескопы.
 
Лунная программа России
 
Посадочный аппарат, который должен прилуниться в ходе реализации новой программы исследования Луны, – это преемник последнего советского аппарата «Луна-24», доставившего в 1976 году лунный грунт на Землю. И все аппараты предстоящих лунных миссий получили общее название «Луна» как продолжение серии советских аппаратов.
 
«Луна-25» – посадочный аппарат
«Луна-26» – орбитальный аппарат
«Луна-27» – посадочный аппарат с бурильной установкой для исследования лунного грунта
«Луна-28» – проект предусматривает забор лунного грунта и доставку его на Землю
Марсианское проклятье
 
Пока мы можем изучать Красную планету лишь удаленно, при помощи роботов. Но и здесь не все складывается гладко.
 
Для нашей страны Марс исторически был недружелюбной планетой. В период с 1960-х по 1980-е годы к Марсу были отправлены девять исследовательских зондов. 
 
«Марс-1» свою программу выполнил полностью, другие аппараты тоже дали много информации, они не выполнили самого главного – не смогли доставить марсоходы и передавать данные с самой планеты.
 
В 1988 году к Фобосу, спутнику Марса, были отправлены два зонда – «Фобос-1» и «Фобос-2».
 
Первый аппарат был потерян еще на пути перелета к Красной планете, второй проработал на орбите около трех месяцев, а затем по непонятным причинам связь с ним прервалась. Новой надеждой стал совместный российско-европейский проект «ЭкзоМарс» (ExoMars), первый этап которого начался в 2016 году.
 
 
Trace Gas Orbiter (TGO) – аппарат для дистанционного исследования Марса с орбиты планеты. Научная нагрузка включает четыре научных прибора, два из которых российские. Он также обеспечил доставку к Марсу спускаемого модуля «Скиапарелли». Спускаемый аппарат «Скиапарелли» разработан Европейским космическим агентством, назван в честь итальянского астронома и исследователя Марса Джованни Скиапарелли.
 
 
 
 
«ЭКЗОМАРС-2016»
 
Сейчас орбитальный аппарат TGO (Trace Gas Orbiter, «Орбитальный аппарат для исследования малых составляющих атмосферы») международного проекта «ЭкзоМарс» находится на орбите Красной планеты. Он постепенно снижает высоту орбиты, и, как только достигнет запланированной, начнутся активные измерения. Атмосфера Марса разрежена, а процесс торможения осуществляется с ее помощью (именно так снижает высоту TGO), надо действовать очень аккуратно. 
 
Европейские коллеги также включили в состав этой миссии демонстрационный посадочный модуль «Скиапарелли».
 
Этот аппарат был доставлен к Марсу. Отделившись от основного орбитального модуля, он должен был произвести посадку. Но отработка технологии посадки оказалась неудачной: из-за программной ошибки аппарат разбился.
 
– Проект «Экзомарс-2016» состоит из двух частей: орбитальный аппарат TGO (Trace Gas Orbiter) и посадочный модуль, – рассказывает Лев Зеленый. – 99 % научного оборудования находится на орбитальном аппарате. Посадочный модуль был демонстрационным, предназначенным только для отработки посадки, у него не было источников питания, он должен был прожить на Марсе два-три дня.
 
Несмотря на неудачу при посадке, был получен большой массив данных, которые помогут сделать выводы для миссии «Экзомарс‑2020» и избежать неудач в дальнейшем. Большого вреда общей программе гибель посадочного модуля не принесла.
 
На Марс довольно трудно сесть, там часто разбивались аппараты – в свое время и советские. Из-за очень разреженной атмосферы такой классический метод торможения, как спуск с парашютом, который работает на Венере и на Земле и помогает сбросить скорость, на Марсе работает гораздо слабее.
 
Научные цели программы «ЭкзоМарс»:
 
• Поиск возможных следов прошлой или настоящей жизни на Марсе
 
• Характеристика водного и геохимического распределения на поверхности планеты
 
• Изучение поверхности и окружающей среды на планете, выявление опасностей для будущих пилотируемых полетов на Марс
 
• Исследование недр планеты, чтобы лучше понять эволюцию и возможность обитаемости Марса
 
Технологические цели программы «ЭкзоМарс»:
 
• Осуществление посадки большегрузных аппаратов на поверхность Марса
 
• Использование солнечной электроэнергии на Марсе
 
• Использование буровой установки для взятия образцов марсианского грунта
 
• Развитие исследований при помощи марсоходов
 
 
Седьмой континент Земли – Луна
 
Согласно очень распространенному предположению, Луна – это «срезанный» или отколовшийся почти четыре миллиарда лет назад кусок Протоземли. Землю и Луну часто называют двойной планетой, Луну – седьмым континентом.
 
В космических державах разработаны программы по изучению естественного спутника Земли. Российским ученым интересны полярные области Луны, где были обнаружены районы с высокой концентрацией водорода и водяного льда.
 
Луна – прекрасное место для астрофизической обсерватории. Там нет атмосферы, что создает идеальный астроклимат.
 
Хронология изучения Красной планеты по программе «ЭкзоМарс»
 
14 марта 2013 года – подписание договора о запуске программы совместного изучения Марса «Экзомарс» между российской госкорпорацией «Роскосмос» и Европейским космическим агентством.
 
14 марта 2016 года – старт ракеты-носителя «Протон» с двумя автоматическими космическими аппаратами: Trace Gas Orbiter и «Скиапарелли» – в связке.
 
5–6 апреля 2016 года – включение и проверка российских научных приборов на аппарате.
 
13 июня – первое фото Марса с космического аппарата с расстояния 41 млн км.
 
16 октября 2016 года – отделение демонстрационного десантного модуля «Скиапарелли».
 
19 октября 2016 года – посадка «Скиапарелли», окончившаяся нештатно, аппарат потерян.
 
Орбитальный аппарат TGO успешно переходит на орбиту спутника Марса.
 
С марта 2017 года по сей день - торможение TGO о верхние слои атмосферы.
 
Март 2018 года – начало научных наблюдений в рамкахосновной миссии TGO. 
 
Март 2021 года – начало функционирования TGO в качестве станции-ретранслятора для марсохода и автоматической марсианской станции.
 
Параметры планеты Марс
 
По линейному размеру Марс почти вдвое меньше Земли — его экваториальный радиус равен 3 396,9 км (53,2% земного). Площадь поверхности Марса примерно равна площади суши на Земле
 
Расстояние от Солнца - 227 900 000 км
 
Поверхность Марса в настоящий момент исследуют два марсохода: Opportunity и Curiosity. На поверхности Марса также находятся несколько неактивных посадочных модулей и марсоходов, завершивших исследования.
 
Кора - средняя толщина 50 км
Ядро - частично жидкое
Мантия
 
Минимальная, максимальная и средняя температура на поверхности Марса:
−153 °C
+20 °C
−50 °C
 
Состав атмосферы
Углекислый газ 95,32%
Азот 2,7%
Аргон 1,6%
Кислород 0,13%
 
Масса планеты - 11% массы Земли
 
Научные приборы проекта «ЭКЗОМАРС»
 
Прибор, который будет изучать распространение водяного льда под поверхностью Марса, называется ФРЕНД. Он является модернизированной версией прибора ХЕНД – нейтронного детектора, который уже много лет работает на американском аппарате «Марс Одиссей». ФРЕНД дает гораздо более точную картину, он оборудован специальным коллиматором, сужающим поле зрения прибора. Благодаря этому можно строить карты распространенности водяного льда более высокого разрешения, то есть различать на них более мелкие детали.
 
В ходе реализации миссии «Экзомарс‑2016» запланировано также исследование атмосферы Марса, измерение концентрации в ней малых газовых составляющих, в первую очередь метана. С этой целью в Институте космических исследований разработан спектрометрический комплекс ACS.
 
ACS (Atmospheric Chemistry Suite) – набор из трех спектрометров для изучения химии атмосферы, производящих измерения от видимого до теплового инфракрасного диапазона. Одна из главных задач ACS – поиск метана, который может служить признаком биологической активности.
 
Исследователи также хотят попытаться найти источники газов на поверхности планеты и проследить их пространственное распределение. TGO также поможет выбрать место для будущей посадки марсохода «Пастер».
 
Три возможных места посадки уже есть. Данные TGO помогут выстраивать наиболее интересный, с научной точки зрения, маршрут. Вторая миссия к Марсу запланирована на 2020 год. Она будет состоять из перелетного блока, посадочной платформы и ровера, оснащенного бурильным комплексом. 
 
На посадочной платформе, которую проектирует НПО имени С. А. Лавочкина, будет установлен комплекс российской научной аппаратуры для изучения состава и свойств поверхности, атмосферы и климата планеты.
 
Также два научных прибора, разработанных в ИКИ РАН, войдут в установленный на европейском марсоходе научный комплекс «Пастер». Главная задача комплекса – поиск соединений и веществ, которые могли бы свидетельствовать о возможном существовании жизни на Марсе.
 
После съезда марсохода платформа начнет самостоятельную работу как полноценная долгоживущая автономная научная лаборатория. Вместе ровер и станция соберут сведения о тех марсианских явлениях, которые важны для планирования будущих полетов на Красную планету.
 
По прибытию марсохода, в 2021 году орбитальный аппарат TGO будет продолжать наблюдения, а также действовать в качестве спутника-ретранслятора данных.
 
На марсоходе «Пастер» будет смонтирована бурильная установка. Поверхность Марса как бы засвечена радиацией, и там многого не увидишь. А вот на расстоянии метра вглубь – замерзшая вода.
 
Мы договорились с Европейским космическим агентством, что бурильную установку, которая сейчас стоит на марсианском ровере, мы установим и на нашем лунном посадочном аппарате «Луна-27».
 
Для геологов самое интересное, конечно, это доставка грунта. Однако исследование грунта на Марсе сначала придется проводить дистанционно, о доставке речи пока нет. Это уже задача следующих миссий.
 
Стартовое окно
 
Ученые уже рассчитали время, в которое лучше всего запускать миссию на Красную планету. 
 
Период, когда расположение двух планет наиболее выгодно для старта, называется стартовым окном. Запуск в это время позволяет осуществить перелет к Марсу всего за девять месяцев.
 
Стартовое окно «открывается» приблизительно раз в два года. Поэтому второй этап программы «ЭкзоМарс» будет осуществляться с 2020 года.
 
– В принципе, до Марса можно долететь практически в любое время, но это будет стоить очень дорого, и для современной техники практически невозможно, – комментирует Лев Зеленый. – Поэтому выбираются периоды, когда есть противостояние Земли и Марса. Каждая из этих планет вращается по своей орбите, и раз в 26 месяцев они сближаются, иногда сильнее, иногда меньше. Это называется противостояние или великое противостояние и создает хорошее окно для старта к Марсу, оптимальные условия по затратам топлива. Длится этот период всего несколько недель – не более месяца.
 
Мнение
 
Петр ЛЁВОЧКИН, главный конструктор НПО «Энергомаш»
 
Можно сказать спасибо Илону Маску за то, что он возобновил интерес людей к космосу. Его высказывания и идеи привлекают большое внимание, а космос становится более открытым, доступным и популярным.
 
И хотя технологии, которые он использует, не суперсовременные (мы проводили анализ его двигателей), Маск решает свою, более глобальную задачу.
 
Например, сейчас он создает двигатели на метане. Для того чтобы в перспективе лететь к Марсу. Его логика такова: я лечу на Марс и хочу прилететь обратно, но на чем?
 
Керосина же там нет, но следы метана обнаружены, значит, его можно добыть и вернуться назад. Поэтому он и занимается метановыми двигателями. У нас сейчас такой задачи не стоит, но мы ее готовы решать, в том числе и с помощью наших двигателей.
 
Без маршевых двигателей большой тяги проблему полета к дальним планетам не решить, поэтому сейчас ведется активная работа по созданию ракетного комплекса сверхтяжелого класса. Первым этапом станет создание на базе тяжелой «Ангары» ее модификаций: «Ангара А5П», «А5В» с усовершенствованным двигателем РД-191. 
 
В дальнейшем планируется создание ракеты-носителя сверхтяжелого класса, которая за один раз сможет поднимать свыше 80 тонн, а в перспективе и до 100 тонн. В основе ее будет модифицированный РД-171 с индексами, отличающийся от того двигателя, который стоял на «Энергии» – «Буране».
 
Глобально полет на Марс – это сложная и многофакторная задача. Наши двигатели способны вывести марсианский модуль на орбиту Земли, но дальше возникает много других вопросов: на каких двигателях лететь дальше, как обеспечить защиту от радиации и рассчитать точность приземления. Многие технологии уже есть, но еще предстоит большая работа по подготовке и проведению пробных полетов.
 
Зачем лететь к дальним планетам, зачем государство финансирует такие проекты? Все очень просто, если вспомнить, что Солнце – это звезда и, в конце концов, погаснет. Не скоро – по оценкам, через 2,5 млрд лет, но задолго до этого оно превратится в красный гигант и сожжет все близлежащие планеты. Где жить дальше? Мы уже сегодня должны искать ответ на этот вопрос, и исследования Луны, Марса и других планет – только первый шаг на этом долгом и сложном пути.
 
Кстати, именно Россия еще со времен Циолковского является законодательницей мод в области освоения космоса, развития пилотируемой космонавтики. Именно Королёву, Глушко и другим основоположникам практической космонавтики удалось убедить руководство страны в важности развития мирного космоса. Именно они смогли, применив законы физики, предположить, как будет дальше развиваться Солнечная система и что космическая экспансия в будущем необходима.
 
От радиации на Красной планете можно укрыться, построив здания с достаточно толстыми стенами или закопавшись в грунт. Атмосфера на Марсе в 150 раз слабее, чем у Земли, поэтому она и плохо защищает от энергичных частиц.
Илья КУЗНЕЦОВ, инженер по созданию комплекса для исследования марсианской пыли отдела физики планет ИКИ РАН
 
- Я считаю, что планирование и подготовка к пилотируемой экспедиции на Марс – это хороший стимул для технического роста. Исследования положительно влияют на экономику и потом становятся доступными в быту.
 
Конечно, существует мнение, что человек на поверхности Марса не нужен, потому что за него все могут сделать роботизированные системы. С этим сложно не согласиться. Мы видим, как далеко шагнули робототехника и приборостроение.
 
Некоторые считают, что нам и на Земле проблем хватает - мол, не до освоения дальнего космоса. Вот с этим я категорически не согласен. Если бы человечество всегда исходило из этого, оно бы никогда не вышло из колыбели цивилизации. Надо решать все задачи и проблемы – и на Земле, и вне Земли.
 
Даниил РОДИОНОВ, заведующий лабораторией физических исследований поверхности планет отдела физики планет ИКИ РАН
 
– «Экзомарс» для нас – это шанс вернуться в проект по исследованию Марса не просто поставщиками приборов, а полноценными участниками. Этот проект, несомненно, важен для будущего возможного пилотируемого освоения Марса. 
 
Фактически «Экзомарс» – это первая программа, направленная на поиск следов жизни – органических веществ на Красной планете. Следующим шагом будет доставка грунта с Марса, уже после этого можно говорить о пилотируемых миссиях.
 
В современном мире одной стране осуществлять такой глобальный проект по исследованию дальнего космоса очень сложно. Подобные миссии лучше готовить консолидированно, разделив и финансовые, и интеллектуальные затраты.
 
Марс не для человека: гипомагнетизм Еще один фактор, который может сильно помешать нахождению человека на Красной планете – гипомагнетизм, отсутствие магнитного поля. Эволюция всего живого на Земле происходила в магнитном поле, оно оказывает огромное влияние на всех и все, что есть на нашей планете. Магнитное поле проявляется на расстоянии 50–100 тысяч километров от Земли. Далее в открытом космосе действует межпланетное магнитное поле, которое в 100 тысяч раз слабее земного.
Марк СЕРОВ, инженер-испытатель, ведущий космонавт-испытатель перспективной транспортной системы «Федерация»
 
– Мы собрали команду молодых ребят, которые горят тем, чтобы строить космические корабли и на них летать. Это новое поколение инженеров-космонавтов. Нас объединяет желание работать по-королёвски, двигаться вперед, руководствуясь девизом Петра Первого: «Навигация должна быть!» Лично для меня это главный довод. Летать нужно, и это главное!
 
Думаю, что в нашей отрасли достаточно молодых кадров, талантливых людей, которые смогут сделать и ракету, и двигатель для дальних перелетов. И среди ракетчиков есть команды, готовые работать 24 часа в сутки. На своем участке мы делаем возможное и невозможное, чтобы соблюсти поставленные сроки, и будем надеяться, что и другие команды нас не подведут.
 
У человечества нет и не было других вариантов, кроме как распространять свое влияние и свою хозяйственную деятельность повсюду. Освоим Арктику, исследуем подводный мир. А что дальше? Только космос и его бескрайнее пространство.
 
Великие основоположники космонавтики это уже проанализировали и спрогнозировали. Вспомните Циолковского и его теорию о космическом пространстве, о той энергии, которую мы еще не научились использовать до конца, а пользуемся лишь долей ее. Можно верить в это или не верить – это одно из течений философии.
 
Мы, команда «Федерации», верим в то, что будущее человечества связано с космическими исследованиями и освоением космоса. Уже сейчас, с точки зрения экономики, хозяйственной деятельности, орбита Земли становится основной и необходимой частью государственной и международной инфраструктуры. Здесь размещаются автоматические спутники, средства наблюдения и контроля.
 
Освоение дальнего космоса – это будущее пилотируемой космонавтики. Луна – наиболее близкий к нам объект, седьмой континент Земли. Изучая космическое пространство, продвигаясь к Марсу, человечество просто вынуждено двигаться к Луне. Так выстроена карта Солнечной системы. Лунные ресурсы позволят нам создавать независимые поселения, вырабатывать компоненты для ракетного топлива. Но таких районов, насыщенных необходимыми ресурсами, на Луне мало. В конечном итоге встанет вопрос о конкуренции. Начнется Solar-политика – политика в рамках Солнечной системы. Как бы фантастично ни прозвучало, это уже не так далеко от нас. Государства или группы людей, которые желают иметь какое-то влияние в космосе в перспективе10–20–30–50–100 лет, должны озаботиться этим уже сейчас. Технологии освоения космоса настолько сложны, что сразу и вдруг не появятся.
 
Приведу в пример глобальную инновацию исторического масштаба, которая в свое время многие уголки земли привела к цивилизации: мореплавание. Мореплаватели стремились к неизведанному. Далеко не все их понимали: зачем куда-то плыть, когда и рядом тепло и апельсины растут. Однако именно благодаря им случились Великие географические открытия, континенты соединились морскими коммуникациями. Именно благодаря этим чудакам возросли военная мощь и влияние некоторых стран.
 
Космонавтика – точно такая же глобальная инновация. Дивиденды от нее прямо сейчас мы можем получить лишь в отдельных элементах, а глобальное понимание, зачем нужно освоение дальнего космоса, придет лишь через 50–100 лет после «отплытия».
 
Текст: Наталья Бурцева. Иллюстрации предоставлены ИКИ РАН