Путешествия по Солнечной системе: куда мы отправимся после Луны и Марса. Пятничный Лонгрид #33

Высадка человека на Луну уже запланирована на ближайшие годы, а полёт на Марс рассматривается как следующая цель. Ещё недавно подобные задачи казались пределом смелости, но сегодня они обретают конкретные сроки и финансирование. Однако что будет дальше, когда Луна освоена, а первые люди ступят на Красную планету? Солнечная система не заканчивается на Марсе – впереди нас ждёт множество иных миров: раскалённый Меркурий у самого Солнца, окутанная облаками Венера, бесчисленные астероиды, ледяные луны гигантских планет. Человечество неизбежно задаётся вопросом: куда мы отправимся после Луны и Марса?

Технический прогресс и появление новых космических систем уже сейчас позволяют смотреть на дальние рубежи реальнее, чем когда-либо. Появление многоразовых сверхтяжёлых кораблей вроде SpaceX Starship резко снижает стоимость запуска и даёт возможность доставлять огромные грузы за пределы земной орбиты. Одновременно NASA и другие организации разрабатывают ядерные двигатели и прочие инновации, которые сократят время полёта к дальним планетам. Всё это означает, что в течение XXI века человечество может замахнуться на экспедиции к более отдалённым объектам Солнечной системы. Рассмотрим основные направления, которые потенциально могут стать следующими целями – от ближайших к Солнцу планет до спутников дальних гигантов – и оценим, какие трудности стоят на пути и в какие сроки такие миссии могут осуществиться.

Венера и Меркурий: близкие, но негостеприимные миры

Логично предположить, что следующим после Марса кандидатом для экспедиции могла бы стать Венера – второй по расстоянию от Солнца сосед Земли и почти её близнец по размеру. Однако поверхность Венеры больше похожа на адскую печь: температура около +460 °C и давление в 90 раз выше земного. В такой обстановке даже современный космический аппарат выдерживает считанные часы – советские зонды «Венера» в 1970-х успевали лишь передать пару снимков, прежде чем их электроника погибала от жары и давления. О пилотируемой посадке речь пока не идёт: ни скафандры, ни посадочные модули не способны защитить человека на Венере. Единственный реальный сценарий присутствия – не на поверхности, а в небе Венеры. На высоте ~50 км атмосферное давление близко к земному, а температура (около +70 °C) уже сравнительно «мягкая». NASA предлагало концепцию HAVOC – дирижабль для облёта Венеры с экипажем. В теории, аэростат с жилым модулем мог бы парить в венерианских облаках, изучая их состав и, возможно, существующие там микроорганизмы. Пока это лишь идея на будущее, и прежде планету продолжат исследовать автоматические станции. Если же люди когда-либо доберутся до Венеры, это случится не раньше второй половины XXI века – и, вероятно, только в формате кратковременной научной экспедиции в атмосферу. О постоянной базе на таком негостеприимном мире не может быть и речи.

Меркурий – напротив, лишён плотной атмосферы, зато по близости к Солнцу не уступает Венере. Днём на экваторе Меркурия грунт раскаляется до +430 °C, а ночью остывает до –180 °C. Такая крайность температур создаёт серьёзные трудности для любой длительной миссии: нужна тепловая защита и от солнечного жара, и от глубокого холода. Но даже добраться до Меркурия – задача не из лёгких. Нужно не столько разогнаться, сколько затормозить против притяжения Солнца: чтобы выйти на орбиту Меркурия, космический корабль должен погасить около 13 км/с скорости – вдвое больше, чем требуется для полёта к Марсу. Автоматическая станция MESSENGER летела к Меркурию более 6,5 лет, сделав несколько гравитационных манёвров. Пилотируемому кораблю пришлось бы проделать аналогичный долгий путь или нести огромный запас топлива для торможения. И на орбите у Меркурия, и тем более на его раскалённой поверхности, астронавтов подстерегают опасности: жёсткое солнечное излучение, вспышки, отсутствие магнитного поля. Возможно, когда-нибудь в далёкой перспективе люди высадятся в районе полюсов Меркурия – там обнаружены участки вечной тени и запасы водяного льда в кратерах, куда не заглядывает солнце. Такой лёд мог бы служить ценным ресурсом воды и топлива. Однако конкретные планы освоения Меркурия человечеством пока отсутствуют: слишком дорого и рискованно. Вероятно, эта планета останется уделом роботизированных зондов еще многие десятилетия. Если пилотируемая миссия к Меркурию и состоится, то разве что ближе к концу века – ради флага и науки.

Астероиды: трамплин к дальним планетам

Между орбитами Марса и Юпитера простирается пояс астероидов – тысячи малых тел, оставшихся с эпохи формирования планет. Кроме того, отдельные астероиды пересекают орбиту Земли, время от времени приближаясь на удобное расстояние для полёта. Освоение этих объектов может стать естественным следующим шагом после Марса. Во-первых, на некоторых астероидах есть ценные ресурсы – прежде всего водяной лёд, из которого можно получать воду, кислород и ракетное топливо. Во-вторых, экспедиция к небольшому астероиду позволила бы отработать технологии дальнего космоса в более щадящих условиях: на астероиде практически нет гравитации, не требуется садиться в глубоком гравитационном колодце планеты и потом взлетать. Ещё в 2010-х NASA рассматривало миссию по захвату небольшого астероида и доставке фрагмента на окололунную орбиту для исследования – проект ARM – как тренировку перед Марсом. От него отказались, но интерес к астероидам сохранился. Частные компании мечтают о добыче полезных ископаемых на астероидах, а учёные – о получении образцов первичной материи Солнечной системы. Небольшой околоземный астероид мог бы стать целью пилотируемого облёта уже в 2030-х годах, если появится политическая воля возобновить такую программу.

Не исключено, что первыми «астероидными» путешественниками станут сами марсонавты. Спутники Марса – Фобос и Деймос – по сути тоже астероиды, захваченные гравитацией. Они имеют крошечную массу и нулевую атмосферу, поэтому посадка на них не сложнее стыковки в космосе. Некоторые концепции освоения Марса предусматривают создание перевалочной базы на Фобосе: там можно хранить топливо и запасы, а экипаж смог бы поэтапно привыкнуть к условиям невесомости и радиации вдали от Земли. Возможно, уже в первой пилотируемой экспедиции к Марсу люди посетят Фобос или Деймос – например, если высадка на сам Марс будет отложена из-за рисков, то посадка на спутник может пройти как промежуточный этап.

В более далёкой перспективе внимание привлечёт главный пояс астероидов. Крупнейший его объект – карликовая планета Церера диаметром ~1000 км. На Церере обнаружены большие запасы водяного льда под поверхностью, а гравитация там совсем слабая (менее 3% земной). Это означает, что однажды Церера может стать «космодромом» и заправочной станцией на полпути к внешним планетам: воду из её недр можно перерабатывать в топливо для дальних экспедиций. Разумеется, подобные проекты – дело не ближайших десятилетий, но к концу XXI века они не выглядят невозможными. По оценкам группы учёных из JPL, высадка людей на выбранные объекты пояса астероидов может произойти ещё до конца столетия. Проще говоря, после освоения Марса примерно через 30–40 лет человечество способно будет добраться и до астероидов. В совокупности малые тела могут стать для космонавтов тем же, чем служили когда-то небольшие острова для мореплавателей: точками пополнения запасов и тренировочными площадками на пути к большим землям.

Система Юпитера: лунные рубежи человечества

За пределами пояса астероидов находится огромный Юпитер – крупнейшая планета Солнечной системы. Путь туда примерно в 5–6 раз длиннее, чем до Марса, а условия полёта несравненно суровее. Даже автоматические зонды летят к Юпитеру около 5 лет (столько занял маршрут станции Juno), а пилотируемому кораблю требуются не только годы в космосе, но и надёжная защита от радиации. Сам Юпитер – газовый гигант без твёрдой поверхности, поэтому целью экспедиции могут быть его луны. Вокруг Юпитера обращается свыше 80 спутников, четыре из них – Ио, Европа, Ганимед и Каллисто – сопоставимы по размеру с планетами. Именно на этих далёких ледяных мирах когда-то может появиться форпост человечества за пределами внутренней части Солнечной системы.

Выбор основного кандидата понятен: Каллисто, самая внешняя из крупных лун Юпитера. Она расположена далеко за пределами мощного радиационного пояса планеты, поэтому уровень излучения на её орбите относительно приемлемый – порядки величины ниже, чем у соседней Европы. Поверхность Каллисто представляет собой древнюю лёдно-скалистую пустыню, под которой, вероятно, скрыт океан жидкой воды. Гравитация там примерно 1/8 от земной – достаточная, чтобы удерживать человека на поверхности, но довольно малая, чтобы взлёт и посадка были сравнительно простыми. На Каллисто можно построить обитаемую базу под слоем грунта, который послужит естественным радиационным щитом. Такая база могла бы стать штаб-квартирой для исследования всей системы Юпитера: например, астронавты смогли бы дистанционно (почти в реальном времени) управлять роботами, посланными на Европу, оставаясь в безопасности на Каллисто (до Европы оттуда ~1,8 млн км – сигнал идёт около 10 секунд). Аналогично, в будущем возможны экспедиции и на другие спутники. Ганимед интересен наличием собственного магнитного поля, а Европа – главным кандидатом на внеземную жизнь благодаря подлёдному океану. Правда, ближе к Юпитеру уровень радиации резко возрастает, так что работа человека там возможна лишь кратковременно, в сверхзащищённых модулях.

Перелёт к Юпитеру с людьми на борту станет сам по себе подвигом инженерии. Скорее всего, для сокращения времени пути понадобятся ядерные двигатели – такие сейчас разрабатываются и, возможно, будут впервые испытаны уже в конце 2020-х. С помощью ядерного разгона теоретически можно добраться до Юпитера за ~1,5–2 года вместо пяти. Кроме того, потребуется межпланетный корабль с замкнутой системой жизнеобеспечения, способный автономно поддерживать экипаж много месяцев (аварийного «быстрого» возвращения, как с Луны, здесь уже не будет). Профиль миссии может включать промежуточную заправку – например, на околоземной орбите или на базе в поясе астероидов – чтобы отправить к Юпитеру достаточный запас топлива и грузов. Не исключено, что часть конструкции корабля придётся собирать прямо на орбите из нескольких запущенных модулей. Проект выглядит грандиозным, но примерно так же полвека назад выглядели планы полёта на Луну. Если развитие технологий продолжится теми же темпами, первое посещение системы Юпитера человеком может состояться уже в конце XXI века. Сами специалисты NASA оценивают, что экспедиция на спутники Юпитера реалистична до 2100 года – например, в 2070–2080-х годах. Таким образом, дети, которые сегодня наблюдают Юпитер в телескоп, вполне могут застать новости о том, как люди высадятся на его далёких ледяных островках.

Система Сатурна: освоение Титана

Если люди когда-нибудь успешно обоснуются у Юпитера, следующей вехой логично станет Сатурн. До него почти вдвое дальше – около 9,5 а.е., – что означает ещё более долгий перелёт и совсем скудное солнечное освещение (лишь ~1% от земного). Зато в окрестностях Сатурна есть крайне примечательное место для возможной колонии – крупнейший спутник Титан. Это единственная луна в Солнечной системе с плотной атмосферой. Давление у поверхности Титана ~1,5 атм (примерно в 1,5 раза выше земного), а температура около –179 °C. Воздух Титана на 95% состоит из азота, остальное – метан с примесью сложных углеводородов. По сути, там царят условия, похожие на раннюю Землю, только в сильном морозе и при отсутствии кислорода. Жидкой воды на поверхности нет (она вся замёрзла в твёрдую корку), зато есть целые озёра и реки из жидких углеводородов – этана и метана. Для человека Титан интересен тем, что на нём относительно комфортное давление: астронавту не понадобился бы громоздкий скафандр, а лишь тёплый герметичный костюм и дыхательная система. Более того, плотная атмосфера облегчает посадку – она сама тормозит спускаемый аппарат, как на Земле, а низкая гравитация (0,14 g) позволила бы поднимать тяжести и даже летать с помощью крыла. Этот спутник рассматривается как потенциальное место для долговременной базы, откуда можно будет изучать и сам Сатурн, и другие его луны.

Помимо Титана, в системе Сатурна выделяется Энцелад – маленький ледяной спутник с действующими гейзерами. Под толщей льда у Энцелада скрыт океан воды, и фонтанирующие гейзеры выбрасывают эту воду в космос: это одна из лучших точек в поисках внеземной жизни. Однако условия там – как в открытом космосе, с тем лишь отличием, что есть слабая гравитация. Скорее всего, изучение таких миров останется уделом автоматических зондов, а люди, находясь на Титане, смогут направлять роботов к более опасным целям – подобно тому, как сейчас операторы на Земле управляют марсоходами. Кстати, NASA планирует в 2028 году отправить к Титану автоматический вертолёт Dragonfly – он прибудет в 2036 году и исследует химический состав органических озёр и плотную атмосферу. Эти данные помогут подготовиться к возможному визиту человека.

Разумеется, отправить экспедицию столь далеко чрезвычайно сложно. Полёт к Сатурну с нынешними химическими ракетами занял бы не меньше 7–8 лет в одну сторону, поэтому тут вновь на помощь должны прийти ядерно-ракетные технологии или даже термоядерный двигатель. Впрочем, к моменту, когда человечество доберётся до Сатурна, космическая инфраструктура может кардинально измениться. Возможно, в 2080–2090-х годах (а именно на этот период может прийтись пилотируемая миссия к Сатурну по смелым прогнозам) корабли уже будут заправляться топливом, произведённым на Марсе или Церере, а астронавты – обладать опытом многолетних перелётов. Главная цель – Титан – тоже можно будет использовать для обеспечения экспедиции ресурсами: в его недрах вероятно есть запасы воды (в виде льда), а из местных углеводородов при необходимости можно синтезировать метановое ракетное горючее. Несмотря на всю фантастичность, база на Титане в конце XXI века не исключена. По крайней мере, учёные уже всерьёз обсуждают её возможный облик: герметичные купола, подогреваемые жилые модули под толстым слоем утеплителя, ядерные реакторы для энергетики и заводы по переработке льда и метана. Такой форпост стал бы самым удалённым «пристанищем» человечества – по крайней мере, в обозримом будущем.

Дальние рубежи: Уран, Нептун и за их орбитами

За пределами Сатурна остаются ещё две планеты-гиганта – Уран и Нептун, – а также пояс Койпера с карликовыми планетами (например, Плутон) и сферический рой комет далеко за ними (облако Оорта). Это уже совсем далёкий космос: Нептун находится в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля, и сигнал оттуда идёт около 4 часов в одну сторону. Пока что единственный аппарат, побывавший возле этих окраин, – Вояджер-2, пролетевший мимо Урана (1986) и Нептуна (1989) без торможения. Пилотируемая экспедиция к Урану или Нептуну во многом не имеет практического смысла с нынешним уровнем технологий: научные задачи там успешно выполняют автоматические зонды, а затраты и риски для людей были бы колоссальными. Тем не менее в будущем, когда границы присутствия человека отодвинутся к Юпитеру и Сатурну, может появиться и мотивация шагнуть ещё дальше. Например, в атмосферах ледяных гигантов присутствует редкий изотоп гелий-3 – потенциальное топливо для термоядерных реакторов. Если через 100–150 лет человечество овладеет управляемым термоядом, полёты к Урану ради добычи гелия-3 уже не будут казаться фантастикой. Кроме того, спутники этих планет таят немало загадок: у Урана, например, есть крупная луна Титания с предположительным подлёдным океаном, а у Нептуна – Тритон, геологически активный спутник, где Вояджер заметил гейзеры азота. Полёт к Нептуну – это практически экспедиция на край Солнечной системы. Прогнозы на столь отдалённое будущее всегда крайне неопределённы, но эксперты прикидывают, что достижение человеком орбит Урана и Нептуна – уже задача XXII века. А там, глядишь, и до звёзд недалеко: по смелым оценкам, в XXIV веке могут начаться экспедиции к ближайшим звёздным системам. Конечно, всё это за пределами нынешнего плана освоения космоса. Пока что человечеству предстоит решить более насущные задачи на пути к мультипланетной жизни – отработать технологию длительных перелётов, защититься от космической радиации, научиться добывать ресурсы на других мирах. Каждый новый рубеж – Луна, Марс, астероид или спутник планеты – требовал и будет требовать прорывов в науке и технике. Но история показывает, что при достаточной настойчивости эти прорывы достигаются.

Заключение

Путь от первых шагов на Луне до колонизации дальних планет – это марафон длиною в многие десятилетия. Ещё в начале XXI века высадка человека на Марс казалась далёкой мечтой, но к 2020-м годам эта цель уже обрела конкретные очертания. Дальнейшие планы – отправиться к астероидам, затем к Юпитеру и Сатурну – сегодня выглядят амбициозно, однако технических препятствий для этого становится всё меньше. Проекты вроде SpaceX Starship прокладывают дорогу: многоразовый тяжёлый корабль способен радикально снизить стоимость перевозок и сделать реальными долгие межпланетные экспедиции. В ближайшее десятилетие человечество, вероятно, утвердится на Луне и совершит первые пилотируемые рейсы к Марсу. За ними придут новые вехи: полёты к околоземным астероидам, базы на марсианских лунах, а потом – и экспедиции к гигантам внешней Солнечной системы. Каждый такой шаг расширяет границы нашего мира и даёт бесценные знания о Вселенной.

Конечно, освоение Солнечной системы – задача не только техническая, но и социальная. Потребуются колоссальные ресурсы, международное сотрудничество и поддержка многих поколений. Нет никаких гарантий, что человек обязательно ступит на спутники Юпитера к 2080-м или доберётся до Титана к 2100 году. График может сдвигаться в одну или другую сторону в зависимости от успехов и приоритетов. Однако сам тренд очевиден: если человеческая цивилизация будет развиваться и дальше, она не остановится на Марсе. Тяга к исследованию и стремление обеспечить выживание вида подтолкнут нас идти вперёд – к новым планетам и спутникам. В этом смысле мы живём в уникальную эпоху, когда зарождается по-настоящему мультипланетная цивилизация. Возможно, уже наши внуки увидят фотографии с первых экспедиций на спутники дальних миров. А внуки их внуков, глядишь, отправятся ещё дальше. Солнечная система огромна, и у человечества впереди – века путешествий по её просторам.