Выбрать планеход и скафандр, добраться до Марса и поселиться на нём

Отрывок из книги Роберта Зубрина «Как выжить на Марсе».

В предыдущих главах мы рассмотрели процесс освоения и заселения Марса в основном с технической точки зрения. Мы узнали, что, используя технологии 20 века, первые исследователи могут достичь Марса примерно через десять лет при затратах, которые заведомо по силам США.

Мы пришли к выводу, что, если приложить больше усилий, через несколько десятилетий после первой высадки на планете на Марсе можно будет создать базу, способную поддерживать жизнь десятков или даже сотен людей — тех людей, которые затем приступят к освоению местных ресурсов и когда-нибудь сделают Марс домом для миллионов.

Таким образом, мы подошли к сути дела: фазе заселения Марса. Действительно ли Марс может быть колонизирован? С технической точки зрения, почти нет сомнений: в конечном счете мы сумеем сделать на Марсе почти все, что захотим, и даже, как мы увидим в следующей главе, терраформировать его — превратить из холодного, засушливого мира в теплую и влажную планету.

Но насколько далеко мы имеем право зайти? В то время как фазы разведывания и строительства базы могут и, вероятно, должны быть выполнены за счет государственного финансирования, в фазе заселения Марса на первый план выходит экономика.

Если марсианская база, на которой проживает даже несколько сотен человек, вероятно, сможет существовать за счет правительственных средств, то развивающееся марсианское общество, способное разрастись до сотен тысяч человек, — уже нет. Чтобы стать самостоятельной, настоящая марсианская цивилизация должна быть или полностью автаркической (что возможно только в далеком будущем), или способной произвести какой-то товар на экспорт, что позволило бы оплачивать импортируемые товары.

Этот вопрос станет ключевым для будущего Марса, и не только для человеческой цивилизации на планете, но и для марсианской природы. Если нам удастся создать жизнеспособную марсианскую колонию, численность людей будет расти, а вместе с ней — наши возможности изменять и преобразовывать новый мир.

Марс когда-то был планетой с умеренным климатом, и если приложить достаточно усилий, он может стать таким снова. Для поселенцев преимущества жизни на планете после терраформирования настолько очевидны, что нет сомнений: если будет колонизация, то будет и терраформирование.

Поэтому, в конечном счете, осуществимость терраформирования зависит от того, насколько экономически успешными окажутся человеческие колонии на Марсе. Главное возражение против заселения и терраформирования Марса сводится к следующему: такие проекты могут быть осуществимы с технологической точки зрения, но оплатить их нам не по силам.

Марс расположен далеко, туда трудно добраться, и он представляет собой враждебную среду, которая не содержит никаких ресурсов очевидной экономической ценности.

Звучит убедительно, но следует отметить, что те же аргументы когда-то приводились в пользу полной непрактичности заселения европейцами Северной Америки и Австралии. Конечно, технологические и экономические проблемы, с которыми столкнутся колонизаторы Марса в 21 веке, очень сильно отличаются от тех, которые пришлось преодолеть при колонизации Нового Света.

Тем не менее я убежден, что эти аргументы несостоятельны из-за той же ошибочной логики и отсутствия понимания, из-за которых европейские правительства многих стран в течение четырехсот лет после Колумба недооценивали значимость колониальных поселений (в отличие от торговых постов, плантаций и добывающих видов деятельности).

В период своего мирового господства испанцы игнорировали Северную Америку; для них она была всего лишь огромной бесполезной дикой территорией. В 1781 году, когда Корнуоллис держал осаду в Йорктауне, англичане направили свой флот в Карибское море, чтобы захватить несколько островов с высокодоходными сахарными плантациями у французов.

В 1803 году Наполеон Бонапарт продал треть современной территории Соединенных Штатов за два миллиона долларов. В 1867 году Александр II продал Аляску по схожей скромной цене. О существование Австралии в Европе узнали за 200 лет до того, как там появилась первая колония, а европейские правители даже не пытались претендовать на континент до 1830 года.

Эти примеры близорукого управления государством сегодня стали легендарными. Тем не менее поведение современных правителей говорит о том, что близорукость никуда не делась. Я считаю, что 200 лет спустя нынешнее равнодушие политиков к Марсу и другим небесным телам будет казаться такой же нелепой ошибкой.

Почти невозможно узнать, какие предприятия будут экономически жизнеспособными через двадцать лет, а уж тем более через пятьдесят или сто. Тем не менее в этой главе я постараюсь показать вам, как и почему экономика колонизации Марса может начать работать и почему успех колонизации в конечном итоге станет залогом нашей дальнейшей космической экспансии.

Хотя я буду время от времени возвращаться к историческим аналогиям, мои аргументы будут основаны не на историческом опыте, а на особенностях самого Марса, его уникальных характеристиках, ресурсах, технологических требованиях и его связи с другими важными телами нашей Солнечной системы.

Когда вы предлагаете какое-то новое начинание, например составляете бизнес-план, обычно необходимо собрать и перечислить преимущества вашего продукта или услуги. Что такого у вас есть, что конкурент предложить не может? Хорошо, что особенного есть на Марсе?

Эта уникальность проявляется особенно отчетливо, если сравнить Марс с нашей Луной, которую чаще всего называют местом, где мог бы поселиться человек. В отличие от Луны на Марсе много углерода, азота, водорода и кислорода в биологически легкодоступных формах, таких как газообразный диоксид углерода, газообразный азот, водяной лед и вечная мерзлота.

Углерод и азот имеются на Луне в ничтожных количествах: несколько частиц на миллион. Там есть некоторое количество водяного льда, но его можно найти только в постоянно затененных ультрахолодных (–230 °C) полярных кратерах — таких холодных местах, что их содержимое практически недоступно за пределами сред с нужными условиями.

Кислород на Луне имеется в изобилии, но только в виде сильно связанных оксидов, таких как диоксид кремния (SiO2), оксид железа (Fe2O3 ), оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al2O3 ), которые требуют очень высокоэнергетических процессов для восстановительных реакций. Современные данные показывают, что, если бы Марс был гладкими и весь его лед и вечную мерзлоту растопили в жидкую воду, планета покрылась бы океаном глубиной около 100 метров.

Это резко контрастирует с условиями на Луне, поскольку на ней так сухо, что, если бы там обнаружили бетон, лунные колонисты добывали бы его, чтобы получать воду. Таким образом, если растения и могут быть выращены в теплицах на Луне (маловероятное предположение, как мы убедились), то большую часть ресурсов для их выращивания придется импортировать.

Также на Луне примерно в два раза меньше металлов, представляющих промышленный интерес (медь, никель и цинк, например), а также многих других нужных элементов, таких как сера, фтор, бром, фосфор и хлор. На Марсе все они имеются в изобилии.

Более того, на Марсе, как и на Земле, протекали гидрологические и вулканические процессы, которые, вероятно, объединили различные элементы в локальные скопления богатых минеральных руд.

Ученые сравнили геологическую историю Марса с геологической историей Африки и сделали очень оптимистичные выводы по поводу его минеральных богатств. На Луне же не было ни рек и океанов, ни вулканов, и в результате она в основном состоит из мусорных пород с очень небольшим содержанием полезных руд.

Электроэнергию можно производить и на Луне, и на Марсе, используя солнечные батареи, и здесь преимущества чистого неба Луны и ее близости к Солнцу в какой-то степени уравновешивают потребность в больших хранилищах энергии, связанного с 28-дневным суточным циклом Луны.

Но, если мы захотим производить солнечные панели, чтобы создать собственную расширяющуюся энергетическую базу, Марс имеет огромное преимущество, так как только там есть большие запасы углерода и водорода, необходимых для производства чистого кремния, который идет на изготовление фотогальванических панелей и другой электроники.

Кроме того, у Марса есть потенциал, связанный с энергией ветра, в то время как использовать ее на Луне принципиально невозможно. Но и солнечная энергия, и энергия ветра имеют сравнительно скромный потенциал — десятки или в лучшем случае сотни киловатт.

Чтобы создать полноценную цивилизацию, понадобятся более богатые запасы энергии, и они доступны на Марсе, как в краткосрочной, так и в среднесрочной перспективе благодаря его геотермальным ресурсам, которые позволяют во множестве строить электростанции класса 10 МВт (10 тысяч ватт).

В долгосрочной перспективе на Марсе будет процветать экономика, основанная на использовании его богатых запасов дейтериевого топлива для термоядерных реакторов. Дейтерий на Марсе встречается в пять раз чаще, чем на Земле, и в десятки тысяч раз чаще, чем на Луне.

Самая большая проблема на Луне, как и на всех других небесных телах без атмосферы и в предлагаемых искусственных колониях в открытом космосе, состоит в том, что солнечного света недостаточно для выращивания сельскохозяйственных культур. Один акр растений на Земле требует 4 МВт энергии солнечного света, а на 1 км² понадобится 1000 МВт.

Весь мир целиком не производит количества электроэнергии, которого будет достаточно для освещения ферм сельскохозяйственного гиганта США — штата Род-Айленд. Культивирование растений под электрическим светом просто экономически безнадежно.

Но, чтобы использовать естественный солнечный свет на Луне или любом другом небесном теле без атмосферы, необходимо строить теплицы из материала достаточной толщины, чтобы оградить растения от солнечных вспышек, а это требование чрезвычайно увеличивает затраты на создание пашни. И от нее все равно не было бы толку, потому что растения не могут адаптироваться к суточному циклу длиной 28 дней.

Марсианская атмосфера имеет достаточную толщину, чтобы защитить от солнечных вспышек посевы, выращенные на поверхности планеты. Поэтому тонкостенные надувные пластиковые теплицы, защищенные негерметичным, устойчивым к ультрафиолетовому излучению куполом из жесткого пластика, помогут нам быстро создать пахотные земли на поверхности Марса.

Даже если исключить проблему солнечных вспышек и суточного цикла длиной в месяц, такие простые теплицы оказались бы бесполезны на Луне, так как внутри них было бы нестерпимо жарко. На Марсе же сильный парниковый эффект, созданный такими куполами, обеспечит внутри оптимальный умеренный климат.

Такие купола диаметром до 50 метров будут достаточно легкими, чтобы на начальном этапе привозить их с Земли, а затем можно начать изготавливать их на Марсе из местных материалов. Поскольку на Марсе есть все ресурсы, необходимые для производства пластмассы, можно быстро создать и установить сети таких куполов диаметром от 50 до 100 метров, тем самым делая доступными большие участки поверхности планеты и для жилья, где можно обойтись без скафандра, и для сельскохозяйственных площадок.

Это только начало, потому что, как мы увидим в главе 9, в конечном итоге у людей появится возможность увеличить толщину атмосферы Марса. Для этого нужно вызвать искусственное глобальное потепление, высвободив парниковые газы из реголита.

Тогда жилые купола можно будет делать практически любого размера, поскольку исчезнет проблема с перепадами давления между внутренней и внешней средами. Более того, тогда можно будет выращивать специально выведенные культуры и за пределами куполов.

Следует отметить, что Марс — единственное известное нам небесное тело, где колонисты смогут жить на поверхности, а не в туннелях и свободно передвигаться и выращивать урожай при свете дня. Марс — это место, где люди могут жить, заводить детей, увеличивая численность колонии, и обеспечивать себя всем необходимым благодаря местным ресурсам.

То есть Марс — это место, где может появиться настоящая человеческая цивилизация, а не старательский или научный форпост. И, что немаловажно для межпланетной торговли, Марс и Земля — единственные места в Солнечной системе, где люди могут выращивать сельскохозяйственные культуры на экспорт.

Марс является лучшим объектом для колонизации в Солнечной системе, поскольку на сегодняшний день он имеет наибольший потенциал для самообеспечения. Тем не менее, даже если роботизированные технологии производства будут развиваться очень быстрыми темпами, Марс станет полностью самодостаточным только тогда, когда численность его популяции будет исчисляться в миллионах.

Таким образом, потребность в импорте специализированных промышленных товаров с Земли на Марс останется на ближайшие столетия. Эти товары могут иметь сравнительно небольшую массу, так как действительно сложными в изготовлении будут только небольшие детали даже самых высокотехнологичных товаров.

Тем не менее за эти небольшие замысловатые предметы нужно платить, и высокие затраты на запуск с Земли и межпланетный перелет значительно увеличат их цену. Что же Марс может экспортировать на Землю в ответ?

Именно этот вопрос заставил многих думать, что колонизация Марса трудновыполнима или по крайней мере уступает по выполнимости колонизации Луны. Например, много раз говорилось о том, что на Луне есть запасы гелия-3, изотопа, не найденного на Земле, который может иметь очень большое значение как топливо для термоядерных реакторов второго поколения. На Марсе нет запасов гелия-3.

С другой стороны, из-за сложной геологической истории Марса на нем может присутствовать концентрированная минеральная руда с гораздо большим содержанием драгоценных металлов, чем в настоящее время обнаруживается на Земле, — потому что земные руды сильно истощены человеком за последние пять тысяч лет.

В совместной статье с Дэвидом Бейкером в 1990 году я показал, что, если на Марсе доступны концентрированные запасы металлов, не менее ценных, чем серебро (то есть само серебро, германий, гафний, лантан, церий, рений, самарий, галлий, гадолиний, золото, палладий, иридий, рубидий, платина, родий, европий, а также множество других), их потенциально можно будет транспортировать на Землю со значительной выгодой.

Многоразовое транспортное средство с одноступенчатым двигателем, предназначенное для старта с поверхности Марса, такое как ЯРМТ, могло бы перевозить грузы на орбиту Марса для транспортировки на Землю с помощью любых недорогих одноразовых химических двигательных ступеней, изготовленных на Марсе.

Или многоразовых челночных солнечных межпланетных кораблей, или межпланетных кораблей с магнитными парусами (эти передовые двигательные системы рассматриваются в дополнительном разделе в конце этой главы). Существование таких драгоценных металлических руд, однако, по-прежнему остается под вопросом.

Но есть один промышленный ресурс, который точно существует на Марсе повсеместно в больших количествах, — дейтерий, тяжелый изотоп водорода. На Земле на каждый миллион атомов водорода приходится 166 атомов дейтерия, а на Марсе — 833. Дейтерий — не только ключевое топливо для термоядерных реакторов первого и второго поколений, но и важный ресурс для современной атомной энергетики.

Если у вас есть достаточное количество дейтерия, вы можете замедлить ядерный реактор «тяжелой» водой вместо обыкновенной «легкой», и такой реактор будет работать на природном уране, не требующем обогащения. Ядерные реакторы канадского производства, известные как CANDU, сегодня работают по этому принципу.

Проблема, однако, заключается в том, что придется подвергнуть электролизу 30 тонн обычной «легкой» воды, чтобы получить достаточное количество водорода для производства одного килограмма дейтерия, и пока не будут доступны очень большие количества дешевой гидроэлектрической энергии, процесс останется непозволительно дорогим.

(Именно поэтому во время Второй мировой войны для проекта немецкой атомной бомбы пришлось располагать производство тяжелой воды рядом с большой норвежской плотиной ГЭС в Веморке. Когда отряд норвежского сопротивления и «Би-17» Соединенных Штатов разрушили это место в серии налетов в 1943 году, немецкая ядерная программа фактически была уничтожена.)

Даже с дешевой электроэнергией дейтерий остается очень дорогим, его текущая рыночная стоимость на Земле составляет около 10 тысяч долларов за килограмм, что примерно в 12 раз дороже, чем серебро (27 долларов за унцию), на 25% дороже золота (1200 долларов за унцию). И это сегодня, пока мы стоим еще только на пороге появления промышленного термоядерного синтеза.

После того как термоядерные реакторы начнут широко использоваться, цены на дейтерий будут расти. Как уже говорилось в предыдущих главах, большая часть энергии на марсианской базе пойдет на электролиз воды, чтобы поддерживать различные процессы жизнеобеспечения и химического синтеза.

Если этап выделения дейтерия применять к водороду, полученному путем электролиза, до того как он возвращается обратно в химические реакторы, тогда каждые 6 тонн марсианской электролизированной воды могут обеспечить около одного килограмма дейтерия в качестве побочного продукта. Каждому человеку на Марсе потребуется около 10 тонн электролизированной воды в земной год.

Если для технических целей электролизированной воды необходимо в два раза больше, в общей сложности для марсианской колонии на 200 тысяч человек ее потребуется 6 миллионов тонн в год. Это позволит производить в год 1000 тонн дейтерия, чего достаточно для получения 11 тераватт электроэнергии — примерно столько же, сколько все человечество потребляет сегодня.

При современных ценах на дейтерий это могло бы приносить годовой экспортный доход в 10 миллиардов долларов. (Например, Новая Зеландия получила 26 миллиардов долларов валового экспорта в 2009 году, хотя население страны составляет всего 4,3 миллиона человек.) При современной средней стоимости электроэнергии в 7 центов/кВт.ч общая стоимость энергии, производимой на Земле, в результате составит около 7 триллионов долларов в год.

Идеи могут стать еще одним экспортным товаром для марсианских колонистов. Точно так же, как огромный дефицит рабочей силы в колониальной Америке 19 века привел к появлению «изобретательности янки», крайняя нехватка рабочей силы в сочетании с технологической культурой поможет развить марсианскую изобретательность.

Благодаря этому будут множиться изобретения в сферах энергетики, автоматизации и робототехники, биотехнологий, а также многих других. Марсианские изобретения, лицензированные на Земле, позволят финансировать Красную планету, а также радикально повысить уровень земной жизни — так в 19 веке американские изобретения изменили Европу и в конечном итоге остальной мир.

Изобретения новой цивилизации, появляющиеся в силу необходимости, могут сделать Марс богатым, но есть и другие способы. Один из них — торговля полезными ископаемыми, которые можно добывать в поясе астероидов, лежащем между орбитами Марса и Юпитера. Чтобы понять эту идею, необходимо рассмотреть энергетические отношения между Землей, Луной, Марсом и главным поясом астероидов.

Пояс астероидов вступает здесь в игру, потому что, как известно, содержит обширные запасы очень богатых металлических руд в условиях низкой гравитации, что делает их потенциально легкими для экспорта на Землю. Например, Джон Льюис из Университета штата Аризона рассмотрел случай простого астероида диаметром всего 1 км.

Масса такого астероида составит всего 2 миллиарда тонн, из которых 200 миллионов тонн будут приходиться на долю железа, 30 миллионов тонн — высококачественного никеля, 1,5 миллиона тонн — стратегически важного кобальта и 7500 тонн — смеси металлов платиновой группы, средняя стоимость которой при современных ценах может достигать 20 тысяч долларов за килограмм. В сумме это составит 150 миллиардов долларов для одной только платины.

В этом почти нет сомнений, так как у нас имеется много образцов астероидов в виде метеоритов. Как правило, метеоритное железо содержит от 6 до 30% никеля, от 0,5 до 1% кобальта и концентрацию металлов платиновой группы по меньшей мере в 10 раз выше, чем в земных рудах.

Более того, так как астероиды также содержат немало углерода и кислорода, все эти вещества могут быть выделены из астероида и отделены друг от друга с использованием химических процессов на базе моноокисида углерода, которые мы обсудили в главе 7 для очищения металлов на Марсе.

На сегодня известно около 5000 астероидов, из которых около 98% находятся в главном поясе между Марсом и Юпитером на среднем расстоянии от Солнца примерно 2,7 астрономической единицы, или а. е. (Земля находится на расстоянии 1 а. е. от Солнца).

Эта группа в главном поясе включает все известные астероиды, находящиеся в пределах орбиты Юпитера, с диаметрами более 10 км, сотни диаметром 100 км и одно тело — Цереру — с диаметром около 950 км. За исключением некоторого количества мелких объектов, которые подходят к Солнцу ближе, чем Земля, и нескольких замеченных за Юпитером, остальные 2% астероидов, все малого размера, имеют орбиты, лежащие между орбитами Земли и Марса.

Однако число околоземных астероидов, соответствующее 2% от общего количества, является сильно завышенным в сравнении с количеством астероидов главного пояса, так как относительная близость первых к Земле и Солнцу делает их гораздо более удобными для обнаружения. Разумная оценка будет примерно такой: астероиды главного пояса превосходят по численности околоземную группу по меньшей мере в тысячу раз.

Из близких к Земле астероидов около 90% располагаются ближе к Марсу, чем к Земле. Из примера Льюиса должно стать ясно то, что все эти астероиды вместе представляют огромный экономический потенциал.

Хотя в последнее время было сделано многое, чтобы подчеркнуть важность астероидов околоземной группы (особенно в связи с постепенным осознанием того, что, если мы не будем развивать космические программы по защите от таких астероидов, один из них, скорее всего, когда-нибудь врежется в нашу планету и уничтожит человеческую расу), относительные количества астероидов в двух классах с очевидностью показывают, что добыча будет сосредоточена в главном поясе.

Шахтеры, работающие на астероидах, не смогут производить бóльшую часть необходимого им продовольствия на месте. Таким образом, возникнет потребность в импорте продуктов питания и других необходимых товаров или с Земли, или с Марса. Как показано в таблице 8.1 ниже, у Марса в этом отношении будет масса преимуществ.

Они связаны с тем, что значения ΔV для запуска реактивной ракеты с Марса гораздо меньше, чем для запуска с Земли, и как следствие, отношение масс (полная масса заправленного космического корабля, деленная на его сухую массу), которое требуется для космических аппаратов, покидающих Марс, также намного меньше. В таблице 8.1 в качестве примера рассматривается Церера, крупнейший астероид*, расположенный самом центре главного пояса.

Однако вы заметите, что я также упоминаю Луну как потенциальный порт назначения. Несмотря на то что она намного ближе к Земле, с точки зрения реактивного движения, гораздо легче достичь Луны с Марса! Для такого запуска требуется отношение масс всего в 12,5, в то время как для полета с Земли на Луну это отношение должно составлять 57,6. И по той же причине путешествия с Земли или с Марса практически на любой околоземный астероид будут менее удобными, чем к астероидам основной группы главного пояса.

Все строки в таблице 8.1, за исключением последних двух, рассчитаны для системы транспортировки с метаново-кислородными (CH4 /O2 ) двигателями с удельным импульсом в 380 секунд и ΔV, подходящими для траекторий с использованием высокоэффективных химических двигательных установок.

Они были выбраны потому, что смесь метана и кислорода обладает самым высоким удельным импульсом из всех видов топлива, которые можно хранить в космосе, и ее можно изготовить на Земле, на Марсе или на углеродистом астероиде. Топливо из смеси водорода и кислорода хоть и имеет более высокий удельный импульс (450 секунд), не может долго храниться в космосе.

Более того, оно непригодно для дешевых многоразовых космических транспортных систем, поскольку его стоимость почти на порядок выше, чем для смеси метана и кислорода, и его объемность затрудняет транспортировку топлива на орбиту, если применять многоразовые одноступенчатые ракеты РОСД (но это позволяет использовать его для действительно недорогих ракет для доставки с Земли на НОО).

Последние две записи в таблице рассчитаны для ядерных электрических ракет (ЯЭР): для движения в космосе предлагается аргонное топливо с удельным импульсом в 5 тысяч секунд, доступное и на Земле, и на Марсе, а для запуска с поверхности к НОО — смесь метана и кислорода. Такие системы РОСД и ЯЭР, хотя и кажутся сегодня фантастикой, в будущем обещают стать надежной основой для технологии межпланетных перевозок.

Можно видеть, что, если использовать исключительно химические системы двигателей, то отношение масс, необходимое для того, чтобы доставить сухую массу к поясу астероидов с Земли, в 14 раз больше, чем если производить запуск с Марса. Это означает, что при полете с Марса на Цереру отношение массы полезной нагрузки к взлетной массе ракеты по-прежнему гораздо больше, чем при полете с Земли на Цереру.

На самом деле расчеты в таблице 8.1 позволяют сделать вывод, что выгодная торговля между Землей и Церерой (или любым другим телом в главном поясе астероидов) с использованием химических двигателей скорее всего невозможна, тогда как между Марсом и Церерой организовать ее не составит большого труда. Так что из таблицы видно, что отношение масс для доставки грузов с Марса на Луну почти в пять раз выше, чем для полетов с Земли на Луну.

Если появляются ядерные электрические ракеты, расклад меняется, но не очень значительно. Марс по-прежнему обладает семикратным преимуществом перед Землей с позиции отношения масс, а значит, отношение полезной нагрузки к взлетной массе ракеты почти в сто раз выше для полета с Марса, чем с Земли. Но это всего лишь отношения масс, а как отмечалось выше, дело не только в них.

Теперь давайте сравним от начала до конца некоторые миссии, стартующие к Церере с Земли или с Марса. Сравнение показателей приведено в таблице 8.2, причем и для варианта только с химической системой двигателей, и для сочетания химической и ЯЭР транспортных систем. Обе миссии доставляют 50 тонн груза. Кроме того, и ЯЭР, и химическая система должны включать топливные баки, массу которых я оценил в 7% от массы топлива, которое они несут.

Для транспортных средств, работающих на пути от поверхности к орбите, я использовал метан-кислородные РОСД и предположил, что транспортные средства должны иметь сухую массу (на тепловую защиту, двигатели, шасси и т. д.), исключая массу баков, равную массе их полезной нагрузки, то есть 50 тонн. Химическая межпланетная транспортная система может быть более хрупкой, так что я назначил им сухую инертную массу, исключая массу баков, равную 20% от массы полезной нагрузки.

Ядерные электрические двигатели в таблице 8.2 требуют 10 мегаватт электрической мощности для полета на Цереру с Марса и 30 мегаватт электрической мощности для полета с Земли, для каждой ЯР системы отношение массы к мощности составит 5 тонн/МВт. (Это отношение гораздо ниже, чем 40 тонн/МВт для проектируемого реактора на 100 кВт энергии, который мы собираемся использовать в миссии «Марс Директ», но, учитывая гораздо больший размер устройства и более футуристический контекст, можно считать это предположение разумным.)

Различные номинальные мощности дают обеим системам примерно равные соотношения мощности и массы. Тем не менее система ЯЭР, стартовав с Земли, по-прежнему должна поддерживать работу двигателя в 2,4 раза дольше.

Если вы хотите увеличить номинальную мощность отправляемого с Земли ядерного двигателя, чтобы он работал так же долго, как двигатель, отправляемый с Марса, то масса миссии, стартующей с Земли, устремилась бы к бесконечности. В таблице 8.2 массы приведены для полной миссии. Ясно, что общие требования к запуску, вероятно, будут разделены между множеством ракет-носителей.

Как видите, общая масса запуска для миссий, начинающихся на Марсе, примерно в 50 раз меньше, чем для вылетов с Земли, независимо от того, какую двигательную технологию мы используем для межпланетного перелета. Если выбранная ракета-носитель имеет стартовую массу в 1000 тонн, потребуется 107 запусков, чтобы объединить все грузовые миссии на смеси метана и кислорода, запущенные с Земли, и только два запуска с Марса.

Даже если бы стоимость топлива и других деталей миссии на Марсе была бы в 10 раз выше, чем на Земле, то все равно оставалась бы чрезвычайно выгодной. Более того, приведенный мной анализ предполагает, что корабли вернутся из пояса астероидов без груза. Если дополнительно обременить миссию достаточным количеством топлива, чтобы доставить добытый металл с астероида без дозаправки на Марсе, миссия с Земли станет еще более безнадежной.

Отсюда следует простой вывод: все, что должно быть отправлено к поясу астероидов и может быть произведено на Марсе, следует производить на Марсе. Схема будущей межпланетной торговли, таким образом, становится очень четкой.

Образуется «торговый треугольник»: Земля поставляет высокотехнологичные промышленные товары на Марс, Марс поставляет низкотехнологичные промышленные товары и продовольствие в пояс астероидов и, возможно, к Луне, астероиды поставляют металлы (а Луна, возможно, гелий-3) обратно на Землю. Эта схема аналогична той, что сложилась между Великобританией, ее североамериканскими колониями и Вест-Индией во время колониального периода.

Великобритания отправляла промышленные товары в Северную Америку, американские колонии поставляли продовольственное сырье и ремесленные изделия в Вест-Индию, а Вест-Индия посылала сахар в Великобританию. Сходный торговый треугольник, включающий Великобританию, Австралию и Моллукские острова, также поддерживал британскую торговлю в Ост-Индии в 19 веке.

Из-за сложности межпланетных путешествий колонизация Марса может казаться невыполнимой задачей. Однако колонизация, по определению, есть путешествие в один конец, и именно тот факт, что колонии в новом мире необходимо обеспечить успех, позволит транспортировать большие количества людей.

Рассмотрим две модели того, как люди могли бы эмигрировать на Марс: при государственном и частном финансировании. Государственное финасирование сделало бы технические средства, необходимые для массового переселения на Марс, доступными уже сегодня.

На рисунке 8.1 мы видим одну из версий концепции, которую можно использовать для транспортировки мигрантов на Марс. Тяжелая ракета-носитель на базе конструкции шаттла поднимает 145 тонн (почти как у «Сатурн-5») на НОО, затем ядерная ракета (например, такая, какую продемонстрировали в Соединенных Штатах в программе NERVA в 1960-х годах) с удельным импульсом в 900 секунд забрасывает 70-тонный обитаемый модуль повышенной вместимости на семимесячную траекторию к Марсу.

Прибыв на Марс, модуль использует свою коническую оболочку как систему парашютов для аэродинамического торможения, а затем спускается с помощью более или менее обычного парашюта и производит посадку, используя собственный набор метаново-кислородных двигателей.

Увеличенный жилой модуль имеет восемь метров в диаметре и состоит из четырех жилых этажей общей площадью 200 м², что позволит удобно разместить 24 человека и во время пребывания в космосе, и на Марсе. Дополнительная площадь доступна на пятом (верхнем) этаже, после того как тот освободят от груза по прибытии на Марс.

Таким образом, за один запуск ракеты-носителя с Земли к Марсу можно отправить 24 человека, снабженных продовольствием и инструментами. Теперь предположим, что начиная с 2030 года каждый год с Земли в среднем запускаются четыре такие ракеты-носителя. Если далее мы введем несколько обоснованных демографических предположений, можно будет рассчитать демографические кривые для Марса. Результаты показаны на рисунке 8.2.

Рассматривая график, мы видим, что при таких усилиях (и с технологическим оснащением, замороженным на уровне начала 21 века) человеческая популяция Марса в предстоящем столетии будет расти приблизительно в пять раз медленнее, чем население колониальной Америки в 17 и 18 веках.

Это само по себе очень важный результат. Это означает, что расстояние до Марса и задача транспортировки, с ним связанная, не станут основным препятствием для человеческой цивилизации на Красной планете. Скорее, ключевыми будут вопросы использования ресурсов, выращивания еды, строительства жилья и изготовления различных полезных товаров на поверхности Марса.

Более того, прогнозируемые темпы роста населения хоть и не очень велики, но в историческом масштабе выглядят довольно значительно. И если предположить, что запуск обойдется в 1 миллиард долларов, программу стоимостью в 4 миллиарда долларов в год в течение какого-то времени могла бы стабильно финансировать любая крупная земная держава.

Однако при цене запуска около 1 миллиарда долларов расходы на одного иммигранта будут составлять 40 миллионов долларов. Такие расходы по силам государству (какое-то время), но не частным лицам или группам. Если мы хотим построить марсианское общество на энтузиазме и энергии большого числа иммигрантов, стремящихся оставить свой след в новом мире, плата за перевозку должна будет стать значительно ниже. Поэтому давайте изучим альтернативную модель, чтобы понять, как можно сделать ее более выгодной.

Еще раз рассмотрим нашу РОСД на смеси метана и кислорода, используемую для транспортировки полезной нагрузки с поверхности Земли до низкой околоземной орбиты. Для доставки на орбиту каждого килограмма полезной нагрузки требуется около 70 килограммов топлива. Затраты на двухкомпонентное метаново-кислородное топливо составят около 20 центов за один килограмм, так что доставка к орбите каждого килограмма груза на топливо обойдется в 14 долларов.

Если затем мы предположим, что расходы на функционирование всей системы будут в семь раз выше расходов на топливо (примерно в два раза больше соотношения «общей стоимости и стоимости топлива» для авиакомпаний), то стоимость доставки на НОО может составлять около 100 долларов за килограмм.

Давайте предположим, что есть космический корабль, постоянно курсирующий между Землей и Марсом, который повторно использует воду и кислород с эффективностью в 95%. Такие межпланетные «челноки», предложенные астронавтом «Аполлон-11» Баззом Олдрином в качестве основного транспорта для маршрута Земля — Марс, позволяют с комфортом перевозить множество людей, поскольку такие аппараты достаточно запустить лишь один раз, при этом полет в оба конца будет занимать 2,2 года и повторяться практически бесконечное количество раз.

Купив билет на такой «челнок», каждый пассажир с 100 килограммов личных вещей вынужден будет взять около 400 килограммов продовольствия, чтобы обеспечить себя пищей, водой и кислородом во время 200-дневного полета на Марс. Таким образом, понадобится перевезти 500 килограммов со скоростью ΔV около 4,3 км в секунду, чтобы переместить иммигранта с НОО Земли на челночный межпланетный космический корабль.

Капсула, используемая для транспортировки иммигрантов с НОО к «челноку» и с «челнока» на поверхность Марса, вероятно, должна иметь массу из расчета 500 килограммов на одного пассажира. Таким образом, на орбиту «челнока» нужно доставить для каждого пассажира в общей сложности 1000 килограммов, что при удельном импульсе в 380 секунд для метаново-кислородной двигательной системы на транспортной капсуле переводится в 3200 килограммов на низкой околоземной орбите.

При цене доставки на НОО в 100 долларов за килограмм и в предположении, что стоимость самого «челнока» амортизируется за очень большое число миссий, затраты на одного пассажира, летящего на Марс, составят 320 тысяч долларов. Очевидно, что в приведенном выше расчете я сделал много предположений и изменение этих условий может значительно повлиять на цену билета.

Например, использование прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) сверхзвукового самолета, для того чтобы получить значительную часть ΔV по пути с Земли на НОО, может сократить затраты на доставку к орбите в тысячу раз. Чтобы поднять транспортную капсулу почти до вывода из поля силы тяжести Земли, можно использовать ракету с электрическим двигателем, после чего капсула будет сброшена, чтобы выполнить управляемый пролет на небольшом расстоянии от Земли с использованием разгонного блока на химическом топливе.

Это позволит ей уйти с орбиты и достичь «челнока» с ΔV, развитой химическим двигателем, всего лишь в 1,3 км в секунду, тем самым полезная нагрузка удваивается, а затраты снижаются.

Если «челнок» оснащен магнитным парусом (см. дополнительный раздел в конце главы), а не движется по естественным межпланетным орбитам с помощью гравитационных маневров, гиперболическая скорость капсулы для отправления с Земли, требуемая для стыковки с «челноком», может равняться нулю, что позволит преодолеть весь путь с НОО Земли к челноку с помощью электрического реактивного двигателя, или, предположительно, даже с помощью солнечных или магнитных парусов.

Если увеличить эффективность системы жизнеобеспечения на «челноке» с базовых 95% повторного использования воды и кислорода до 99%, можно будет везти меньше продовольствия, что опять же снизит затраты. Таким образом, есть основания ожидать, что транспортные расходы по маршруту Земля — Марс снизятся еще на порядок, примерно до 30 тысяч долларов на пассажира. Изменения стоимости перевозки, которые произойдут благодаря постепенному введению каждой из этих инновационных концепций, показаны в табл. 8.3.

Тем не менее сумма в 320 тысяч долларов для первых иммигрантов довольно интересна. Это не те деньги, которые легко просто взять и потратить, но это сравнимо со стоимостью дома из тех, в которых живет верхушка среднего класса в американских пригородах. Такую сумму люди могут потратить, если очень захотят. А почему они захотят?

Примерно по следующей причине: из-за малого населения Марса и большой стоимости собственно транспортировки, несомненно, труд на Марсе будет обходиться намного дороже, чем на Земле. Поэтому и заработная плата может оказаться значительно выше. В то время как на Земле инженер заработает 320 тысяч долларов приблизительно за шесть лет, на Марсе, скорее всего, он получит ту же сумму за два года.

Эта разница, аналогичная той, что существовала между доходами в Европе и Америке в течение большей части последних четырех столетий, может сделать эмиграцию на Марс желанной и достижимой целью для отдельного человека. С 17 по 19 век многие европейские семьи откладывали средства на то, чтобы один из членов семьи мог эмигрировать в Америку.

Такой эмигрант, в свою очередь, копил деньги на то, чтобы перевезти к себе родных. Сегодня к тому же способу прибегают иммигранты из стран третьего мира, где заработная плата может быть гораздо меньше цены авиабилета. Поскольку, чтобы заработать на Марсе, туда нужно сначала добраться, поездку можно оплатить в кредит. Так поступали в прошлом, почему бы не поступить так и в будущем?

Как упоминалось ранее, нехватка рабочей силы послужит марсианской цивилизации стимулом для технологического и социального развития. Если вы платите зарплату в пять раз больше земной, вы не захотите тратить время ваших подчиненных на ручной труд в теплицах или заполнение форм, и вы не станете строить бюрократических препятствий тому, кто обладает нужными навыками.

Короче говоря, марсианская цивилизация будет практичной, поскольку ей придется быть такой, как пришлось американской цивилизации в 19 веке. Этот вынужденный прагматизм даст Марсу огромное преимущество в конкурентной борьбе с менее напряженным и, следовательно, более связанным традициями обществом оставшейся позади Земли.

Если необходимость — мать изобретательности, то Марс обеспечит колыбель. Общество фронтира, основанное на технологическом совершенстве и прагматизме и состоящее из людей, которые сами развили в себе инициативность, обязательно породит множество изобретателей. Их изобретения будут удовлетворять потребности не только Марса, но также и земного населения.

Поэтому они станут приносить Марсу доход (через предоставление земных лицензий) и в то же время препятствовать стагнации, к которой склонно земное общество с его избытком рабочей силы. Этот процесс оздоровления, как мы обсудим в последующих главах, в конечном счете станет наибольшим преимуществом, которое колонизация Марса предложит Земле. И больше всего выиграют те земные общества, которые имеют самые тесные социальные, культурные, языковые и экономические связи с марсианами.

Марсианская недвижимость может быть разбита на две категории: жилая и открытая. Под жилой недвижимостью я подразумеваю все, что находится под куполом и позволяет поселенцам жить в относительно привычной среде без скафандров. Открытая недвижимость, в противоположность, это те помещения, которые находятся вне куполов.

Очевидно, что жилая недвижимость гораздо более ценная, чем открытая. Тем не менее оба вида можно купить и продать, и как только транспортные расходы упадут, марсианская недвижимость начнет расти в цене. Единственный вид земли, существующей на Марсе прямо сейчас, это открытые (то есть не находящиеся под куполом) площади. Они невероятно обширны — 144 миллиона км², — но могут показаться абсолютно бесполезными. Однако это не так.

Огромные участки земли были куплены и проданы в Кентукки за большие суммы за сто лет до того, как прибыли поселенцы. На месте региона к западу от Аппалачей в 1600-х годах можно представить себе Марс. Две вещи делали эти далекие земли ценными и продаваемыми.

Во-первых, кое-кто предвидел, что когда-нибудь территории будут использоваться, поэтому продавались патенты на землю английской короны, разрешавшие частное владение. Если бы существовал механизм, который позволял бы владеть частной собственностью на Марсе, участки на планете можно было бы покупать и продавать. Такой механизм не требует создания патрулей или других служб, чтобы следить за тем, соблюдается ли право собственности.

Вполне достаточно будет патента о регистрации имущества, выданного сильным государством, например Соединенными Штатами Америки. Например, если Соединенные Штаты решили выдать патент на горные работы любой частной группе, которая обследовала кусок марсианской территории с какой-то определенной долей точности, это повысит спрос на участок за счет его гипотетической будущей ценности (и, вероятно, частные инвесторы захотят организовать роботизированное разведывание земель с помощью зондов).

Более того, такие исследования будут инициироваться на международном уровне по всей Солнечной системе, если американская таможня станет штрафовать за любые материалы из любого уголка Солнечной системы, добытые с нарушением правил.

Подобный механизм предполагает примерно такой же суверенитет США над Марсом, как текущая деятельность патентного бюро США по превращению идей в интеллектуальную собственность предполагает суверенитет правительства США над вселенной идей. Но будь то Соединенные Штаты, НАТО, Организация Объединенных Наций или Марсианская Республика, для объявления бесполезной местности недвижимостью следует заручиться одобрением правительства какого-нибудь государства.

А уже после того как это будет претворено в жизнь, даже недостроенная открытая недвижимость на Марсе станет постоянным источником финансирования для первых марсианских поселений. При средней цене в 20 долларов за акр Марс стоил бы около 700 миллиардов долларов. Если Марсу суждено быть терраформированным, вероятно, цены на открытую недвижимость вырастут в сто раз, и тогда всю площадь планеты можно грубо оценить в 70 триллионов долларов.

Если удастся найти способ терраформирования Марса, при котором его общая стоимость окажется меньше этой суммы, у владельцев земель появятся все основания заняться планетарной инженерией. Конечно, вся открытая недвижимость на Марсе не будет иметь одинаковую ценность. Какие-то участки будут содержать ценные минералы, воду, геотермальные источники энергии или другие ресурсы, какие-то — находиться ближе к жилым зонам.

Разумеется, такие земли будут стоить дороже. Из этих соображений владельцы открытых неисследованных территорий на Марсе, как и землевладельцы прошлого, станут всеми силами способствовать дальнейшему исследованию и заселению собственных участков. Жилая недвижимость под куполами будет цениться гораздо выше, чем открытая. Каждый купол диаметром 100 метров и массой около 80 тонн будет покрывать площадь около двух акров.

Если предположить, что внутри разместятся жилые помещения для 20 семей и каждая семья готова заплатить 50 тысяч долларов за участок (надел со стороной 20 метров), то общая стоимость недвижимости, заключенной под одним куполом, составит 1 миллион долларов. При таких ценах массовое создание жилых площадей под куполами окажется одним из крупнейших видов бизнеса на Марсе и основным источником дохода для колонии.

В 21 веке из-за роста населения недвижимость на Земле продолжит дорожать, поэтому людям будет все труднее приобретать собственное жилье. Продолжится и бюрократизация повседневной жизни, которая будет все сильнее мешать энтузиастам найти средства для воплощения своих творческих замыслов на Земле. Законы, защищающие сложившиеся порядки, будут становиться всё более обременительными для тех, кто попытается эти порядки изменить.

Замкнутый мир будет ограничивать возможности личности и стремиться обеспечить соблюдение поведенческих и культурных норм, неприемлемых для многих. Например, рассмотрим оскорбление человеческой природы, которое представляет собой нынешняя политика Китая «одна семья — один ребенок».

Когда разногласия, вызванные таким угнетением, перерастут в неизбежные бунты и войны, появятся проигравшие. Смотря сегодня на весь мир, не сложно выделить десятки малых народов в Азии, Африке, на Ближнем Востоке и в странах бывшего Советского Союза и Европы, примыкающие к большим народам, которые проявляют или когда-то проявляли желание завоевать своих соседей.

Опять же, будут войны и побежденные, и миллионы эмигрантов, которые не захотят подчиниться и предпочтут тяготы жизни в новом мире. Им понадобится планета-убежище, и Марс станет такой планетой.

Основная аналогия, которую я хотел бы провести, — это аналогия между Марсом в грядущую эпоху освоения и Северной Америкой прошлого. Наша Луна, близкая к «столичной» планете, но бедная с точки зрения ресурсов, напоминает Гренландию. Другие объекты, такие как астероиды главного пояса, могут быть богаты ресурсами для возможного экспорта на Землю в будущем, но на них вряд ли удастся создать полноценное самобытное общество — их я сравниваю с Вест-Индией.

Только Марс имеет полный набор ресурсов для развития местной цивилизации, и только Марс является подходящей целью для настоящей колонизации. Как и Америка в ее взаимоотношениях с Великобританией и Вест-Индией, Марс обладает преимуществом благодаря своему расположению — близости к астероидам, которые позволят ему эффективно вести добывающую деятельность в интересах Земли.

Но из-за близоруких расчетов европейских государственных деятелей и финансистов 18 века Америку никогда не считали удобной базой для торговли сахаром и специями из Вест-Индии или внутренней торговли мехом и не рассматривали как потенциальный рынок для промышленных товаров.

У Америки было другое предназначение — стать домом для новой ветви человеческой цивилизации, местом, где гуманистические идеалы сочетаются с пограничными условиями, и в результате — двигателем для небывалого прогресса и экономического роста. Богатство Америки одновременно состояло и в том, что она могла дать своим новым жителям все, и в том, что в нее приезжали люди правильного склада ума.

Особенности жизни в новом мире, которые в случае Америки создали культуру практичных, находчивых и изобретательных людей, будут с сто раз актуальнее применительно к Марсу. Марс суровее, чем любое место на Земле. Но, если человек сможет приспособиться к таким условиям, его жизнь станет лучше. Марсиане будут благоденствовать.

Выбор транспорта зависит от места назначения. Точно так же, как открытие Нового Света подготовило почву для революции в европейском кораблестроении, основание марсианской базы потребует новых видов космических двигательных систем, которые сделают колонизацию Марса достижимой с коммерческой точки зрения. Эти новые системы, гораздо более производительные, чем нынешние, уже существуют в виде проектов и дожидаются своего часа. Давайте посмотрим, что может нам принести будущее.

Современные ракетные системы запуска лишь на 2% превосходят реактивные самолеты в эффективности переноса грузов. Причина проста: ракеты приходится нагружать необходимым для их собственного движения окислителем, в то время как реактивные самолеты получают его из воздуха. Поскольку окислитель составляет около 75% от общего веса топлива, это чрезвычайно уменьшает производительность ракет.

Ракеты-носители по пути на орбиту летят через огромные количества окислителя. Почему бы не пытаться использовать хотя бы какую-то его часть? К сожалению, развитию сверхзвукового воздушно-реактивного двигателя препятствуют технические трудности и отсутствие желания вести такую работу.

Текущие ПВРД, используемые на некоторых ракетах, могут развивать скорость до 5,5 Маха, но, если повышать ее дальше, нельзя будет замедлить воздух, который входит в реактивный двигатель, до дозвуковых скоростей так, чтобы не нагревать его слишком сильно.

Таким образом, сжигание топлива в двигателе должно происходить в сверхзвуковом потоке. На это способен двигатель нового типа, сверхзвуковой ПВРД, в некотором смысле он превосходит существующие реактивные двигатели так же, как реактивные самолеты превзошли пропеллерные.

Национальная программа разработки воздушно-космического самолета была отменена в США в 1993 году, когда ее сочли недостаточно значимой, но ученые успели провести обширные компьютерные вычисления, показавшие, что сверхзвуковые реактивные двигатели будут работать.

Несколько менее сложный с технической точки зрения вариант, который может обладать многими преимуществами сверхзвукового ПВРД, — это ракета с двигателем, дожигающим топливо в воздушном пространстве, то есть ракета, получающая часть необходимого ей окислителя из атмосферы во время взлета. Такие ракеты, которые могут развить удельный импульс более 1000 секунд, были продемонстрированы на испытательном стенде компанией Маркуардт в 1966 году.

К сожалению, из-за очередных прихотей бюрократической системы программу отменили до того, как двигатели начали тестировать в полетах. Использование сверхзвуковых прямоточных воздушных реактивных двигателей или двигателей с дожиганием топлива хотя бы во время части полета одноступенчатой ракеты (РОСД) к орбите значительно увеличило бы возможную полезную нагрузку.

Это именно то, что нужно, чтобы удовлетворить логистические требования развивающейся программы заселения Марса, для которой потребуются дешевые поставки большого количества груза на орбиту и за ее пределы. Колонизация Марса, таким образом, занимает центральное место в развитии технологий, которые предоставят нам дешевый доступ в космос.

Ключевым показателем производительности ракеты является ее удельный импульс, количество секунд, за которое двигатель использует фунт топлива, чтобы получить фунт тяги. Лучшие химические ракеты, доступные сегодня, имеют удельный импульс около 450 секунд, в то время как для ядерного ракетного двигателя он может составлять около 900 секунд.

Но есть еще один способ достичь высокого удельного импульса. Это ионизация газа путем удаления части электронов из его атомов, а затем его ускорение с помощью сил притяжения и отталкивания электростатической решетки. Этот метод известен как электрическое реактивное движение, или «ионный привод». В сходной концепции газ преобразуется в плазму, которая затем выбрасывается из магнитного сопла, создавая тягу.

В любом случае, используя электрические двигатели, можно генерировать удельные импульсы до многих тысяч секунд, даже не нагревая выхлопной газ до очень высоких температур. Это не просто теория, но реальный факт — ионные приводы сегодня используются для маневров по поддержанию стационарных орбит многих спутников.

Но, если необходимо создать большую тягу, понадобится много электроэнергии. Например, для 120-тонного космического корабля потребуется мощность 5 МВт (это примерно в 70 раз больше, чем запланировано для МКС), чтобы сгенерировать тягу в 280 ньютонов (около 60 фунтов) с удельным импульсом в 5000 секунд.

Однако если предположить, что у вас есть такое большое количество энергии, можно сгенерировать ΔV = 30 км в секунду, необходимую для путешествия с низкой околоземной орбиты к Марсу и обратно, примерно за один год непрерывного создания тяги. Космический корабль с ядерным электрическим двигателем мог бы достичь такого невероятно большого значения ΔV только при отношении масс около 1,82.

Траектории, по которым должны двигаться транспортные средства с электрическим двигателем, обычно требуют гораздо бóльших ΔV (как правило, в два раза), чем химические двигательные установки, чтобы добраться из одной точки Солнечной системы в другую, но, так как удельный импульс примерно в 10 раз выше, можно спокойно улететь значительно дальше, если не позволять самой массе ядерной электрической двигательной системы чрезмерно возрасти.

Электрические ионные двигатели с мощностями в киловатты уже существуют, а усовершенствование их до мощностей в несколько мегаватт, необходимых для систем транспортировки на основе ядерных электрических ракет (ЯЭР), — задача вполне решаемая.

Реальная проблема при разработке двигательных систем с ЯЭР на сегодняшний день состоит в том, чтобы получить государственную поддержку и средства, необходимые для разработки многомегаваттного космического ядерного реактора для питания ЯЭР.

В этом контексте следует отметить, что у тверждения некоторых ярых сторонников электрических двигателей, таких как группа VASIMR во главе с бывшим астронавтом Франклином ЧангДиазом, что их технология плазменного двигателя позволит совершать быстрые (около 40 дней) полеты на Марс при наличии 200-мегаваттного ядерного реактора, просто смешны.

Даже если оптимистично предположить, что отношение массы к энергии для систем космических реакторов конца XXI века восьмикратно уменьшится по сравнению с прогнозами, сделанными на основе современных технологий (от сегодняшних 40 тонн на мегаватт до будущей производительности в 5 тонн на мегаватт), 200-мегаваттный реактор будет иметь массу в 1000 тонн и перевесит свою полезную нагрузку на порядок.

Но, так как реактору потребуется толкать не только относительно небольшую полезную нагрузку, но еще и себя, независимо от размеров, он никогда не сможет ускорить космический корабль до скорости, необходимой для быстрого полета к Марсу. Таким образом, заявления группы VASIMR о том, что они обладают прорывной двигательной системой, необоснованны, и это довольно печально, так как к группе примыкают те, кто выступает против отправки человека на Марс до тех пор, пока такие фантастические космические двигатели не станут доступными.

Однако, если отбросить иллюзорную цель использовать ЭРД для быстрого полета на Марс, размер системы ядерного реактора по отношению к полезному грузу может быть небольшим и тем самым снизить массу ракеты при запуске, а значит, и уменьшить расходы на будущую межпланетную торговлю.

Почти четыреста лет назад наш старый друг Кеплер сделал наблюдение, что независимо от того, движется ли комета в сторону Солнца или от него, ее хвост всегда направлен прочь от светила. Это заставило его предположить, что свет, исходящий от Солнца, развивает силу, которая отталкивает хвост кометы от него.

Он был прав, хотя тот факт, что свет оказывает давление, был доказан только в 1901 году. Что ж, если солнечный свет может оттолкнуть хвосты комет, почему мы не можем использовать его, чтобы заставить передвигаться космические корабли?

Почему мы не можем просто развернуть большие зеркала на нашем космическом аппарате, солнечные паруса, если угодно, и использовать солнечный свет, который будет оказывать на них давление, чтобы создать движущую силу?

Ответ таков: мы можем, но понадобится чрезвычайно много солнечного света, чтобы сдвинуть корабль под его действием хоть чуть-чуть. Например, на 1 астрономической единице, расстоянии от Земли до Солнца, солнечный парус размером в 1 км² получит силу 10 ньютон, действующую на него со стороны Солнца. Итак, чтобы солнечный парус стал практичной двигательной системой, нужно изготовить его из очень тонкого материала и сделать огромным.

Скажем, мы изготовили парус площадью в 1 км² и толщиной в 0,01 миллиметра, или 10 микрон — это приблизительно одна четверть толщины кухонного мусорного мешка. В этом случае парус будет весить 10 тонн и сможет разогнать себя до 32 км в секунду всего примерно за год. Конечно же, если бы парус тащил полезную нагрузку, равную его собственному весу, это замедлило бы его в два раза.

Тем не менее солнечный парус толщиной в 10 микрон, чтобы стать эффективным средством перевозок между Землей и Марсом, должен быть размером с бейсбольный стадион. А если бы удалось создать парус толщиной в один микрон, тогда мы бы действительно полетели…

Никто еще никогда не запускал миссию на солнечных парусах, но в 1970-е годы в ЛРД НАСА провели очень серьезное исследование по использованию этой технологии, чтобы отправить зонд к комете Галлея во время ее появления в 1986 году. К сожалению, предложение не получило поддержки, то есть Конгресс отказался финансировать миссию.

Любительские группы, такие как Всемирный космический фонд Роберта Штеле и французский Союз в защиту фотонных двигателей, создали солнечные паруса. Они надеялись провести регату на солнечных парусах к Луне в 1992 году, в честь юбилея открытия Колумбом Америки, но не нашли ракетносителей, с которыми могли бы доставить их творения в космос.

Существуют некоторые реальные технические проблемы, связанные с упаковкой, распаковкой и развертыванием без повреждений огромных космических структур, изготовленных из очень тонкого материала, а также с управлением.

Тем не менее следует сказать, что демонстрации солнечного паруса помешали в первую очередь не технические препятствия, а отказ мировых космических агентств выделить хотя бы сколь-нибудь значительные средства на их разработку и тестирование. Давайте надеяться, что марсиане поступят лучше.

Солнечный свет — это не единственная значительная сила, исходящая от Солнца. Существует еще одна, и имя ей солнечный ветер. Солнечный ветер представляет собой поток плазмы, протонов и электронов, который постоянно истекает с Солнца во всех направлениях со скоростью около 500 км в секунду.

Мы никогда не сталкиваемся с ним здесь, на Земле, потому что защищены от него магнитосферой нашей планеты. Если магнитосфера Земли блокирует солнечный ветер, она должна создавать противодействие. Почему бы на космическом корабле не создать искусственную магнитосферу, чтобы использовать тот же эффект для работы двигателей? Эта идея посетила инженера «Боинг» Дана Эндрюса и меня в 1988 году.

Она оказалась своевременной. В 1987 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники. Они необходимы, чтобы магнитный двигатель действительно смог работать, так как низкотемпературные сверхпроводники требуют слишком много тяжелого охлаждающего оборудования, а обычные проводники — слишком много энергии.

Величина силы на 1 км² солнечного ветра значительно меньше силы, создаваемой солнечным светом, но площадь, противодействующая магнитному полю, может быть намного больше, чем у любого созданного на практике жесткого солнечного паруса. Работая в сотрудничестве, Дан и я вывели уравнения и запустили компьютерное моделирование солнечного ветра, который воздействует на космический аппарат, генерирующий большое магнитное поле.

Наши результаты таковы: если можно изготовить практичный высокотемпературный сверхпроводящий кабель, который будет проводить электрический ток той же плотности, что современные низкотемпературные сверхпроводники, такие как сплав ниобия и титана (NbTi), — около 1 миллиона ампер на квадратный сантиметр, — то можно будет создать магнитные паруса, которые будут иметь отношение тяги к весу в сто раз лучше, чем у солнечного паруса 10-микронной толщины.

Более того, в отличие от ультратонкого солнечного паруса, магнитный парус будет нетрудно развернуть. Он будет сделан не из тонкой пластиковой пленки, а из прочного кабеля, который за счет магнитных сил сможет автоматически «надувать» себя до формы жесткого обруча, как только начнется подача электрического тока.

Потребуется энергия, чтобы заставить ток течь через кабель, но, поскольку сверхпроводящий провод не имеет электрического сопротивления, как только ток потечет по кабелю, дальнейшие затраты энергии на его поддержание не потребуются. В дополнение магнитный парус полностью ограждал бы корабль от солнечных вспышек.

Магнитный парус может создать достаточное усилие в направлении от Солнца, чтобы полностью или частично (за счет выключения электрического тока) противодействовать его гравитационному притяжению. Не вдаваясь в подробности, скажу, что эта возможность позволит аппарату, вращающемуся вокруг Солнца вместе с Землей, переходить на орбиты по направлению к любой планете Солнечной системы, просто увеличивая или уменьшая энергию магнитного паруса.

И все это можно сделать, не потратив ни капли топлива. Магнитные паруса в настоящее время не используются на практике, так как высокотемпературных сверхпроводящих кабелей для них не существует. Однако исследования в этой области ведутся очень активно. Я думаю, очень велики шансы того, что через десять или двадцать лет тип кабеля, необходимый для отличного магнитного паруса, будет широко доступен.

Реакторы термоядерного синтеза работают с использованием магнитных полей, которые в вакуумной камере ограничивают плазму, состоящую из отдельных видов сверхгорячих заряженных частиц, способных сталкиваться и реагировать.

Поскольку частицы высоких энергий имеют способность постепенно выбираться из магнитной ловушки, камера реактора должна быть определенного минимального размера, позволяющего предотвращать побег частиц достаточно долго, чтобы хватило времени на протекание реакции.

Это требование минимального размера делает производство термоядерной энергии для проектов с низким энергопотреблением не самым привлекательным занятием, но в мире будущего, где энергетические потребности человечества вырастут в десятки или сотни раз, энергия термоядерного синтеза, несомненно, будет самой дешевой альтернативой ее традиционным источникам.

В дополнение к тому, что термоядерные реакторы создадут энергетическую базу для социального роста, они же могут стать частью очень перспективных двигательных систем космических аппаратов в первую очередь потому, что в условиях космоса вакуум, требуемый для реакции, можно получить бесплатно в любом желаемом объеме.

Реакция дейтерия и гелия-3 (D/3He) обеспечивает наилучшую производительность, потому что топливо имеет самое высокое отношение энергии к массе среди известных нам веществ, а производительность гораздо более дешевой реакции на чистом дейтериевом топливе (D-D) ниже примерно на 40%.

Ракетный двигатель на основе контролируемого термоядерного синтеза мог бы работать так, что плазма просто текла бы из одного конца магнитной ловушки, к утекшей плазме добавлялся бы обычный водород, а затем выхлопная смесь направлялась от корабля с помощью магнитного сопла. Чем больше водорода будет добавлено, тем выше будет тяга, но ниже скорость истечения.

При полете на Марс или во внешние части Солнечной системы выхлоп будет примерно на 99% состоять из обычного водорода, и скорость истечения будет более 100 км в секунду (удельный импульс в 10 тысяч секунд).

Если вообще не добавлять водород, теоретическая конфигурация может дать скорости истечения выше, чем 18 тысяч км в секунду (удельный импульс 1,8 миллиона секунд), или 6% от скорости света при использовании дейтерия и гелия-3, или 4% от скорости света при использовании чистого дейтерия!

Хотя сила тяги для таких ракет на чистом D/3He или D-D будет слишком низкой для полетов по Солнечной системе, потрясающая скорость истечения означает, что теоретические рейсы к ближайшим звездам можно было бы осуществить менее чем за столетие.

Такому кораблю с двигателем на термоядерном синтезе сжигание топлива потребуется, только чтобы развить ускорение, а остановки можно будет достичь путем развертывания магнитного паруса, чтобы создать противодействие межзвездной плазме.

Двигатели на термоядерном синтезе в конечном счете могут сократить полет на Марс с месяцев до недель, полет к Юпитеру и Сатурну — с нескольких лет до месяцев, а путешествие к другим солнечным системам — до десятилетий вместо тысячелетий. Возможно, что космические аппараты на термоядерном синтезе будут развиваться с быстротой, обеспечиваемой земными заводами, но и обратное по меньшей мере равновероятно.

Вспомните, что первые действительно эффективные паровые двигатели были построены для снабжения энергией пароходов, а первые практичные ядерные энергетические установки использовались на атомных подводных лодках. Тому есть причина. Системы передвижения постоянно требуют более высокого уровня технологий, тогда как статические системы не требуют.

Для потребителя киловатт остается киловаттом вне зависимости от того, производится ли он благодаря термоядерному синтезу или при горении угля. Но космический корабль с двигателем на термоядерном синтезе предлагает совершенно новые и значительно улучшенные технологии. Таким образом, самым сильным начальным толчком для внедрения термоядерного синтеза вполне может быть появление космических двигателей, которые ускорят транспортировку товаров между Землей и Марсом.

В настоящее время мировые исследовательские программы термоядерного синтеза развиваются черепашьими темпами, бюджеты урезаются из-за близоруких политиков, у которых нет ни желания, ни дальновидности, чтобы задуматься о потребностях будущего. Вынуждая нас разивавать технологии термоядерного синтеза, рост марсианской цивилизации вполне может послужить основой для выживания технологического общества.

#космос #марс