Скільки коштує злітати на марс і чому це нам не по кишені

На Землі все менше місць, де можуть розгорнутися людські амбіції та прагнення до відкриттів і завоювань, тоді як космос залишається величезним і зовсім не освоєним. Візіонерство Ілона Маска і серіали на кшталт «Експансії» створюють привабливий образ колонізації найближчих до Землі планет, проте в реальності людство поки що не має уявлення, як зробити це можливим. Є лише мрії та деякі теоретичні розробки.

Навіщо летимо

Природне питання — навіщо нам колонізація цілої планети? Зазвичай кажуть, що людству потрібна запасна. Ця мотивація ніби натякає, що на нинішній, можливо, трапиться катастрофа, яка вимагатиме від мешканців рішучого і негайного переселення. Така дійсно може статися — падіння астероїда, наприклад.

Крім того, космічна експансія необхідна нам і в науково-технологічних цілях. Вивчення еволюції планет Сонячної системи, що розвивається вже 5 мільярдів років, може дати нам розуміння того, як саме зародилося життя на Землі і що з ним буде далі. На планетах і супутниках іноді знаходять корисні копалини або метали. Мінерали і летючі елементи в складі порід астероїдів і комет можуть бути джерелами заліза, титану і нікелю. Потенційно ми могли б спростити і здешевити видобуток золота, нафти і водню, необхідного для ракетного палива. І все це — в рамках вивчення космосу.

Але амбіції людства виходять за межі промислового інтересу. Одне з основних завдань дослідження позаземного простору, на яке щорічно витрачаються мільярди доларів, — пошук розумного життя і місць для потенційного заселення.

Ми можемо припустити, що Сонце не є унікальною зіркою і навколо інших зірок цілком можуть бути інші планети. Нас особливо цікавлять ті, які називаються екзопланетами. Якщо небесне тіло схоже на Землю за характеристиками, має близьку силу тяжіння, масу, розмір і знаходиться в так званій зоні Златовласки (зоні придатності для життя), де не надто холодно і не надто спекотно, то вважається, що його можна адаптувати для проживання. Зірок дуже багато, і таких планет потенційно теж багато. Зараз людством відкрито близько 4000 таких небесних тіл.

Найближча до нас екзопланета — Проксима Центавра, відстань — 4,2 світлових роки від Землі. Правда, є підозра, що жити на ній не можна, тому що вона знаходиться занадто близько до своєї зірки. У будь-якому випадку туди ми не полетимо ні завтра, ні в найближчому майбутньому. Але є планета, яку з Землі можна побачити навіть неозброєним оком, до якої люди здатні долетіти і звідки отримали фотографії, — Марс.

Правда, ідея його заселення легко піддається критиці, тому що вимагає величезних ресурсів. Перетворення Марса на населену планету — питання століть. Ми ніби знищуємо Землю, але витрачаємо мільярди на відновлення пустелі. Ця морально-етична дилема не буде вирішена найближчим часом.

Куди летимо

Про колонізацію Марса говорили і писали ще в 1960-1970-х роках радянський конструктор Сергій Корольов і американський розробник Вернер фон Браун. Вони ж першими прийшли до висновку, що реалізувати політ туди цілком можливо.

Чому саме Марс? Венера виключається за своїми характеристиками: висока тяжіння, величезний тиск і температура роблять політ туди неможливим. Облет і вихід на орбіту — так, посадка і зліт — на даному етапі розвитку технологій немає. Марс теж із земної групи, він маленький, твердий і з точки зору космічних відстаней розташований до нас досить близько.

Нам хочеться зрозуміти, як влаштований Марс, як він еволюціонував, чи є там вода. Ми вже знаємо, що є лід. Скільки води і як її добувати — це питання, поки що не вирішене, але вже одне виявлення вважається серйозним кроком на шляху до того, що Марс буде освоюватися. Звичайно, не менш важливе вивчення матеріалів, отриманих звідти, пошук мінералів, дослідження ґрунту і атмосфери.

Головне питання, на яке ми шукаємо відповідь: чому Марс втратив свою атмосферу? У Марса залишилася атмосфера, яка, грубо кажучи, в 100 разів менша за щільністю, ніж у нас на Землі. Основна причина — взаємодія з сонячним вітром, тобто потоком іонізованого газу, який виникає в сонячній короні і простягається на всю Сонячну систему. Він нагріває верхню атмосферу, а висока температура в сукупності з сонячним вітром призводять до того, що газ дуже швидко випаровується з Марса.

На Землі атмосфера і магнітне поле захищають нас від потужного галактичного і сонячного випромінювання. Атмосфера Марса практично в 200 разів тонша, ніж земна, так що все випромінювання обрушується на планету без перешкод. У 2001 році NASA відправило апарат Mars Odyssey з інструментом Martian Radiation Experiment на борту, щоб виміряти рівень радіації на Марсі. Зонд працював 18 місяців і виявив постійну радіацію, рівень якої в 2,5 рази вище рівня радіації на МКС — 8 рад на рік. На Землі жителі отримують в рік дозу приблизно в 0,62 рад.

Температурний розкид на Марсі — від -153 °C на полюсах до +35 °C в районі екватора, але навіть в найтепліших зонах нічні показники температури досягають -50 °C. Американські дослідники Роберт Зубрін і Кріс Маккей у статті «Технологічні вимоги для тераформування Марса» запропонували [1] кілька способів, за допомогою яких ми могли б підвищити температуру на Марсі: орбітальні дзеркала на марсіанській орбіті, які розтоплять льодову шапку південного полюса Марса і вивільнять вуглекислий газ, абсорбований там; бомбардування астероїдами і ракетами, що містять парникові гази. Всі ці способи тераформування теоретично можуть підвищити атмосферний тиск на Марсі, але їх реалізація вимагає великого запасу часу, грошей і високого технологічного розвитку.

У перспективі можна полетіти і далі за Марс. У поясі астероїдів, який знаходиться між орбітами Марса і Юпітера, як вважається, є металеві астероїди, нікелеві метали, які можна доставити на Землю. У теорії ми зможемо їх возити. Але починати логічніше з Місяця. Найактивніше його вивчають американці. За планом Трампа 2024 рік оголошено для висадки наступного чоловіка і першої жінки на Місяць. Але якщо дивитися реально, то, швидше за все, це станеться тільки в 2028 році. Повторна висадка потрібна для випробувань нової техніки. Ми ніби починаємо заново: спочатку політ з безпілотником, потім обліт навколо, а третій — з висадкою. Далі в стратегічних напрямках — будівництво бази на Місяці.

Як полетимо

Організація польоту на Марс — суперечливий напрямок, тому що, з одного боку, витрачаються дуже великі гроші на питання, яке не є принципово важливим для існування людства, а з іншого боку, вивчення еволюції планет, особливо Венери і Марса, важливе нам для розуміння майбутнього Землі.

За 30 секунд, як запевняє відома американська група, ми до Марса, звичайно, не долетимо, але приблизно за 5–7 місяців — цілком. Політ марсохода Curiosity тільки в один бік тривав [3] 254 земних доби. Для порівняння: загальна тривалість місії «Аполлон-11», яка висадила на Місяць американців на чолі з Нілом Армстронгом, — всього 8 днів. Але і 254 дні — доступний термін. Крім того, Марс реально досягти на тих космічних ракетах, які є в розпорядженні людства зараз.

Людині навряд чи вдасться полетіти на Марс найближчим часом. Ілон Маск будує дуже великі ракети, і їх швидкість може збільшитися, але не радикально, не в 10 разів. Сонячна активність занадто непередбачувана, тому дуже важко захистити людину на кораблі. Один із варіантів захисту — магнітне поле, але потрібні дуже потужні поля, на них буде потрібно величезна кількість енергії. Крім того, можна зробити спеціальні приміщення, куди людина сховається на час спалаху на Сонці. Умовно кажучи, це найпростіший спосіб захисту людини. А на самому Марсі, швидше за все, колонізатори підуть у підпілля.

На Марсі достовірно існує вода — і на Місяці (поки що припущення, але все ж з великою часткою ймовірності). А вода — це паливо. Для ракети потрібно багато палива: чим швидше ви хочете летіти і чим далі, тим більше його потрібно. Вам потрібно не тільки додаткове паливо, але і паливо, щоб розганяти те паливо, яке ви берете, — таке замкнуте коло.

Ці запити зростають експоненціально зі складністю завдань і зростанням характеристичної швидкості. Брати паливо на Землі дорого і нераціонально. Але можна брати його на Місяці. На південному полюсі, як вважається, вода є. У 2020 році NASA оголосило, що їх стратосферна обсерваторія SOFIA виявила молекули води на місячній поверхні не тільки в пастках холоду, але і на освітленій сонцем території. Лід перетворюється за допомогою енергії на кисень і водень — найефективніше паливо для космічних польотів. Але поза Землею. Для Землі все одно краще і доступніше гас і кисень або метан і кисень. Як тільки ми відлітаємо з Землі, найефективнішим стає кисень і водень.

Холодними пастками (пастками холоду) називають затемнені і холодні ділянки поверхонь планет або супутників, де накопичується водяний лід.

На Місяці також є досить багато металів, для видобутку яких теж потрібна енергія. Ядерні реактори, швидше за все, вирішать цю проблему. І можна робити там, на супутнику, якісь прості частини ракет, потім важкі. Цей маневр знімає проблему залежності від рівняння Ціолковського.

Рівняння це виглядає так: швидкість витікання — один множник, його ми сильно варіювати не можемо, а під логарифмом стоїть відношення Марса. Маса стартова, з паливом, і маса кінцева, без палива. І цю річ ми можемо збільшувати, але тільки за рахунок того, що робляться ракети все більші і більші, з’являється багатоступеневість і багато іншого. Якщо ми масу беремо не з Землі, то вона буде більш ефективно використовуватися, тому що її як би не потрібно буде витягувати з гравітаційного колодязя Землі: вона вже в космосі. А Місяць маленький, з нього простіше доставляти. Місяць, таким чином, може стати не тільки пересадочним пунктом на шляху до Юпітера, але також джерелом палива для тих супутників, які ми з низьких орбіт перетягуємо на високі.

Питання польоту людини на Марс не опрацьоване технічно, тому що ніхто серйозно не займався ним, тільки на папері. Раз технічно не займалися, не опрацьовано і питання надійності. Зазвичай на папері пропонують авантюрні польоти, які не пропустить жоден уряд з побоювання, що все закінчиться сумно. У тій радіації, яка існує в навколоземному просторі, медики вважають безпечним жити 1 день. А «економний» варіант польоту до Марса — 6 місяців, 2–3 місяці там і 6 місяців назад. Можна долетіти і швидше, але для цього потрібні такі двигуни, яких немає і які поки не робляться, — ядерні, причому не звичайні, а ядерні двигуни великої тяги. Весь спектр проблем навряд чи буде вирішений в найближчому майбутньому.

Скільки заплатимо

Щоб доставити двох людей на Марс і повернути назад, «встромити прапор і повернутися», потрібно 500 мільярдів доларів. Щоб зрозуміти цю цифру, потрібно сказати, що річний бюджет NASA — а це половина всіх витрат на світові космічні дослідження — становить близько 30 мільярдів. Щоб доставити двох людей, потрібно все кинути і витрачати протягом більше десяти років гроші тільки на висадку людини на Марс. І це ніяка не колонія, а одноетапний квест: злітати і повернутися.

500 мільярдів доларів — розрахунок для одного корабля. Але за вимогами безпеки потрібно відправити як мінімум два: один — з людьми, а другий — із запчастинами, якщо раптом щось зламається в польоті. Є так звані технічні епідемії. Скажімо, на станції почали горіти лампочки. Просто горять і горять, якась недоробка. Якщо станція навколоземна, то ми запустили вантажівку, привезли ці лампочки, може бути, інші, модернізовані. А з Марсом як? Корабель влаштований дуже складно, там тисячі елементів, забезпечити надійність кожного з них неможливо. І їх потрібно продублювати, щоб убезпечити екіпаж.

Ми докладаємо величезних зусиль, щоб вирватися з Землі в космос. Для прикладу: ракета-носій «Протон» важить 700 тонн на старті, а виводить на низьку орбіту 20 тонн. Все інше безповоротно втрачається, і це не просто бетон, а дороге очищене паливо, дорогі метали, дорога електроніка. І все це тільки для того, щоб вирватися з гравітаційної ями під назвою Земля. Правильна стратегія руху в космос: Місяць на першому етапі, бази на Місяці, використання місячних ресурсів, астероїди, потім попутно можна залетіти на Марс — так буде набагато дешевше.

Марс дуже дорого обходиться за рахунок своєї гравітації. Для ракети — а у нас іншого засобу пересування в космосі немає — величезне значення має гравітація планети. Якщо витрати на колонізацію і освоєння Місяця взяти за одиницю, то Марс буде в 12 разів дорожче. Навіть супутники Юпітера всього в 7 разів дорожче, ніж Місяць, тому що вони маленькі: не потрібно великих витрат палива, щоб здійснити посадку і потім звідти злетіти. Марс великий, тому потрібно дуже багато палива, щоб на нього сісти і потім з нього відплисти. А хотілося б відправляти туди людей не в один кінець. Будь-які практичні дії для польоту на Марс — тільки польоту, не колонізації — стикаються з питанням про 500 мільярдів доларів.

Але якби ми хоча б малу частку «марсіанських» грошей витратили на захист від астероїдів, то убезпечили б себе від них і без запасних планет. Інших значних загроз, крім астероїдів, які Марс здатний вирішити, зараз у людства немає. Популярно говорити, що ми втечемо туди від пандемії, ядерної війни або чогось іншого настільки ж страшного, але правда в тому, що все це ми заберемо з собою, починаючи від ядерної зброї і закінчуючи вірусами.

Що будемо робити, коли прилетимо

Перші колоністи на Марсі, швидше за все, змушені будуть жити під землею. Є проекти підземних міст, але фактично це тільки картинки. У деяких столицях станції метро будують роками і не можуть добудувати, а на Марсі потрібно буде підготувати ціле місто — з науковими лабораторіями, житловими приміщеннями, зонами відпочинку.

Щорічно на проектах Mars City Design і Mars Base Challenge 3D-архітектори з усього світу представляють проекти марсіанських міст, і найперспективніші розробки або підземні, або радикально захищені від радіації. Досить реалістичним вважається житловий комплекс The Queen від Ноя Хорнбергера зі студії Thinigverse: він запропонував покрити житло, зроблене на поверхні у вигляді стільників, шаром збідненого урану. Але будь-які матеріали для будівництва спочатку слід привезти на Марс.

Друга проблема — енергія. Земля отримує сонячну енергію. Марс знаходиться приблизно на 50 мільйонів кілометрів далі від Сонця. Звичайні рослини там не виживуть. Ми досі не знаємо, чи є там уран або щось подібне, щоб зробити вже там, на місці, реактор.

Третє — необхідність постачання. Більшість марсіанських проектів анонсують на місці будівництво певної замкнутої екосистеми. Американська компанія Space Biosphere Ventures побудувала [6] в пустелі Арізони замкнуту екологічну систему «Біосфера-2» з ізольованими приміщеннями і декількома видами рослинних зон, і в підсумку учасники експерименту почали задихатися в цій споруді, так що довелося закачувати кисень ззовні. І це експеримент на Землі, а якщо таке раптом трапиться на Марсі?

Як будемо жити

Жити на Марсі, напевно, не дуже весело: навколо пустеля. Потенційно в космосі можна створити для людини такі ж комфортні умови, як на Землі, або навіть більш комфортні, тому що нам іноді гравітація заважає. Наприклад, всі люди мріють літати як птахи. Наступним кроком після Місяця буде не Марс, а великі орбітальні поселення, де ми побудуємо штучне середовище з регульованою гравітацією. І відповідно, для зниження травматизму в літньому віці зможемо використовувати знижену гравітацію. Але до цих туманних перспектив багато світлових років.

У фільмі Рідлі Скотта «Марсіанин» більшість питань вирішувалися просто, але в реальному житті все складніше. Припустимо, їжу і воду колонізатори навчаться добувати. А якщо вони захворіють, що з ними робити? З Антарктиди вивезти людину можна, пригнавши літак, а що ми на Марс приженемо? Ми абсолютно не знаємо, на що перетвориться людина під впливом марсіанської гравітації. І вже точно не знаємо, що з нею стане в другому і третьому поколінні: чи буде це взагалі той самий вид, який живе зараз на Землі?

Якщо нове поселення з’явиться на Марсі, воно буде жити, швидше за все, за своїми законами. Контролювати їх із Землі буде дуже важко. Вони взагалі можуть почати будувати абсолютно інший, непідконтрольний нам соціум, у нас вийдуть як би дві цивілізації: земна і марсіанська.

Якщо там організують дуже велике поселення, в руках якого буде достатньо різних ресурсів, вони цілком можуть почати незалежне життя. Якщо вони наберуть велику міць, то можуть взагалі заборонити наступним групам посадку, а ми як будемо їх дисциплінувати? Люди починали життя на Землі, не маючи нічого в руках, маленькими колективами. А на Марсі буде маленький колектив, що володіє фантастичними можливостями. Як він поведеться, як буде ставитися до Землі, чи захоче він взагалі жити там або впускати туди людей — це «темна матерія».

Мова тільки про те, що ми доставимо туди людину. Ще в 1970-х американські «Вікінги» аналізували марсіанський ґрунт на предмет наявності живих організмів. Пізніше кожен новий марсохід теж шукав потенційних сусідів, але поки ознак живих організмів на Марсі не спостерігається.

Біологічні молекули широко розсипані по всьому Всесвіту, який нам доступний. Елементи деяких складних сполук знаходяться на шляху до появи живого організму. Навіть у космічних хмарах знайдено біологічні молекули, з яких можна будувати біологічні об’єкти. Але як відбувається цей процес? Цегла, придатна для справи, є, але чи можна з неї побудувати споруду і як — ще невідомо. Починаючи з перших польотів на Марс і Венеру, люди ретельно стерилізують поверхні і вміст нашого космічного апарату, щоб не внести нашу біологію туди і випадково не знищити марсіанську цивілізацію до її життєвого старту.

Знімки нових телескопів показують нам дуже красивий Всесвіт. Але досі в космосі ми бачили лише мертве середовище. Ми не спостерігаємо нічого біологічного, ніякого розуму. Ми, швидше за все, одні у Всесвіті. Нас оточують «мертві» світи. Подивіться на Землю і на будь-яку іншу планету, на той же Марс. Протягом 200 років людина, звичайно, освоїть Сонячну систему. Зараз вже думають про політ на Альфу Центавра. І на Марс ми полетимо, але чи не передумаємо його колонізувати — хороше питання.