В рамках знаменитых Рождественских лекций Королевского института 2015 года британский врач и бывший специалист NASA доктор Кевин Фонг представляет захватывающий анализ вызовов, стоящих перед человечеством на пути к Марсу. Программа «Миссия на Марс» объединяет ведущих ученых и инженеров, чтобы продемонстрировать передовые технологии выживания в глубоком космосе. В центре сюжета — преодоление радиационной угрозы, критического дефицита ресурсов и экстремальных условий посадки ради величайшего научно-технического путешествия нашего поколения.
🌌 Наследие «Аполлона» и современные горизонты космонавтики 0:01
История новой эры космических исследований тесно переплетена с личными воспоминаниями участников. Ведущий лекции доктор Кевин Фонг вспоминает, как в 1975 году родители привели его к телевизору, чтобы показать трансляцию экспериментального полета «Союз — Аполлон». Знаменитое первое рукопожатие советских и американских космонавтов на орбите заложило фундамент для международного научно-технического сотрудничества. Спустя сорок лет плоды этого сближения материализовались в совместной работе на Международной космической станции (МКС), где в момент проведения лекции проходила миссия британского астронавта Тима Пика. Лектор подчеркивает, что орбитальная платформа служит отправной точкой для грядущих путешествий в глубокий космос, которые предстоит совершить новому поколению исследователей.
В истории освоения космоса можно выделить ключевые вехи, сформировавшие современную карту полетов:
- 1957 год — запуск первого искусственного спутника Земли;
- 1961 год — первый полет человека в космос, совершенный Юрием Гагариным;
- Конец 1960-х годов — реализация лунной программы, в ходе которой шесть экипажей (12 человек) высадились на поверхность спутника;
- 1964 год — запуск аппарата Mariner 4, сделавшего первые снимки Марса;
- Последующие десятилетия — успешные миссии к Венере, Меркурию, Юпитеру, Сатурну и Плутону с использованием гравитационных маневров.
На сегодняшний день самым удаленным от Земли рукотворным объектом является зонд Voyager, находящийся на расстоянии около 50 миллиардов миль. Однако, несмотря на колоссальные успехи автоматических станций, присутствие человека в космосе до сих пор жестко ограничено рамками низкой околоземной орбиты и кратковременными визитами на Луну. По словам Кевина Фонга, ракетная техника представляет собой огромную сложность сама по себе, еще до того, как инженеры пытаются включить людей в состав полезной нагрузки. Тем не менее накопленный опыт позволяет заявить о готовности к возвращению на Луну и подготовке пилотируемого полета на Марс.
🌙 Возвращение на Луну: геологический архив Земли 4:55
Доктор Кевин Фонг признается, что считает себя сторонником марсианской программы, однако приглашенная в студию планетолог доктор Кэти Джой приводит веские аргументы в пользу возобновления лунных экспедиций. По мнению исследовательницы, человечество лишь поверхностно ознакомилось с Луной, собрав образцы грунта всего из шести локаций на ее видимой стороне. Доставленные астронавтами программы «Аполлон» образцы лунной породы до сих пор изучаются в лабораториях по всему миру для понимания эволюции Солнечной системы.
Основная научная ценность Луны для жителей Земли, как утверждает доктор Джой, заключается в возможности воссоздания истории нашей собственной планеты. Она выдвигает гипотезу, что на Луне могут быть обнаружены фрагменты древней земной коры, сохранившиеся со времен зарождения жизни. На самой Земле эти древние породы были безвозвратно уничтожены из-за тектоники плит, активности океанов и эрозии атмосферы. В то же время падения крупных астероидов на раннюю Землю могли выбивать обломки пород в космос, и часть из них осела на поверхности Луны, превратившейся в своеобразную «капсулу времени».
Для демонстрации этого механизма ученые провели интерактивный эксперимент с симулятором гиперскоростного удара. Обычный бросок камня, сымитированный волонтером Джозефом, не способен придать объекту достаточную энергию. Чтобы выбить вещество за пределы гравитационного поля планеты, требуется скорость порядка 11 километров в секунду, что и было успешно продемонстрировано с помощью специальной высокотехнологичной установки.
В качестве подтверждения геологического богатства спутника Кэти Джой продемонстрировала под микроскопом подлинный тонкий срез лунной породы, доставленный астронавтами миссии «Аполлон-12». Шлиф камня под проходящим светом напоминает витражное стекло, где каждый цвет обозначает конкретный минерал. Этот образец сформировался в бушующем лавовом потоке во время лунного вулканического извержения около 3,2 миллиарда лет ago. Кэти Джой, изучавшая данные образцы в рамках своей докторской диссертации, подтвердила, что подавала заявку в отряд астронавтов и надеется продолжить исследования непосредственно на лунной поверхности.
☢️ Космическая радиация: невидимый враг за пределами земного щита 10:51
Главная опасность удаления от Земли заключается в потере естественной защиты — атмосферного слоя и глобального магнитного поля. Находящийся на МКС Тим Пик непрерывно фиксирует уровни радиационного фона с помощью детектора Timepix. Ведущий наглядно демонстрирует работу счетчика Гейгера: при наведении прибора на зрителей или в небо щелчки практически отсутствуют, поскольку планета надежно защищена.
Для демонстрации скрытой угрозы куратор Шарлотта предоставила из архивов Королевского института раритетный артефакт — рабочую тетрадь физика Уильяма Крукса 1903 года. Страницы рукописи, где описывались эксперименты с солями радия, до сих пор испускают мощное ионизирующее излучение, заставляя прибор непрерывно трещать. В архиве данный документ хранится исключительно в специальном металлическом боксе. При подключении книги к детектору Timepix на экране мгновенно материализуются сотни ярких точек, отражающих попадание высокоэнергетических частиц.
Профессор солнечной физики Люси Грин поясняет природу этой угрозы. Детектор фиксирует электроны, протоны и тяжелые атомные ядра, летящие из глубин нашей галактики со скоростями, близкими к скорости света. С помощью лабораторной установки «Планетелла» профессор наглядно показывает, как магнитное поле Земли отклоняет потоки заряженных частиц, направляя их к полюсам и вызывая свечение верхних слоев атмосферы — полярное сияние. На кадрах с МКС отчетливо виден этот зеленый светящийся слой кислорода, выступающий щитом для человечества.
По мнению Люси Грин, Солнце в контексте космических путешествий выступает одновременно и другом, и врагом:
- С одной стороны, солнечное магнитное поле простирается далеко в космос и отклоняет часть галактических космических лучей, снижая общий радиационный фон в зависимости от фазы солнечного цикла;
- С другой стороны, Солнце само является мощным ускорителем частиц, способным генерировать колоссальные вспышки.
Обычный солнечный ветер преодолевает расстояние в 150 миллионов километров до Земли примерно за четыре дня. Однако при возникновении мощного солнечного протуберанца высокоэнергетические частицы долетают до орбиты Земли всего за 30 минут. Выходя за рамки земной магнитосферы, астронавты теряют защиту — космические лучи настолько энергичны, что магнитный щит их попросту не задерживает.
По оценке профессора Грин, попадание человека под прямой удар солнечной вспышки чревато радиационной болезнью, потерей ориентации и летальным исходом. Именно поэтому выход в открытый космос экипажа МКС категорически запрещен при фиксации солнечной активности; астронавты обязаны укрываться в наиболее защищенных модулях станции. Создание свинцовой брони для корабля невозможно из-за ограничений по массе. В качестве альтернативы Люси Грин упоминает концепцию использования бортовых запасов воды: легкие элементы, такие как водород, отлично поглощают радиацию, поэтому размещение водяных баков в стенах жилых модулей считается весьма перспективным решением.
🐛 Сверхспособности тихоходок и генетический ремонт 20:07
Для изучения выживаемости биологических видов на внешней стороне МКС был размещен специализированный британский экспериментальный контейнер. В нем бактерии, грибы и семена подвергались воздействию условий, имитирующих Марс, Луну и открытый вакуум. Самым поразительным участником теста стали тихоходки, известные также как «водяные медведи».
Эти микроскопические существа демонстрируют невероятную живучесть:
- Их можно кипятить и замораживать до температур, близких к абсолютному нулю;
- Они выдерживают колоссальное давление и пребывание в космическом вакууме без скафандра;
- Они невосприимчивы к огромным дозам ионизирующего излучения.
Радиация разрушает живые организмы на молекулярном уровне, разрывая цепочки ДНК и лишая клетки возможности нормально делиться. Посредством игровой интерактивной аналогии с участием команд волонтеров Кевин Фонг наглядно показал разницу между защитными системами человека и тихоходки. В то время как «человеческие механизмы» под воздействием хаотичной бомбардировки совершают критические ошибки при сборке разрушенной структуры ДНК, тихоходки справляются с задачей безупречно. Ученые связывают это с тем, что тихоходки обладают уникальной, эволюционно совершенной системой генетического восстановления: их внутренние ферменты способны безошибочно и мгновенно «склеивать» разорванную радиацией ДНК по имеющимся маркерам-шаблонам.
📦 Логистика марсианской миссии: искусство тотального ресайклинга 26:32
Масштаб марсианской миссии поражает: если Луна находится на расстоянии 250 тысяч миль от Земли, то путь до Марса исчисляется сотнями миллионов миль, а сама экспедиция продлится от полутора до трех лет (около 1000 дней). Взять с собой весь необходимый запас провизии, одежды и кислорода для экипажа из шести человек физически невозможно — ракета получится настолько массивной, что ее не удастся запустить с Земли. К примеру, одному взрослому астронавту требуется не менее 3 литров воды в день только для питья.
Единственным выходом становится создание замкнутых систем жизнеобеспечения с полной переработкой отходов. Доктор Фонг демонстрирует технологию прямого осмоса с помощью специального двухсекционного пакета. В одну секцию заливается загрязненная вода или моча, а во вторую — концентрированный сахарный сироп. Полупроницаемая мембрана пропускает молекулы чистой воды под воздействием высокого осмотического давления, задерживая токсичные соли, мочевину и креатинин. На глазах у изумленной публики ведущий выпивает полученный очищенный сироп, подтверждая, что после осмоса жидкость абсолютно безопасна, хотя внешне и по запаху все еще напоминает исходный продукт.
На борту МКС Тим Пик использует куда более сложную систему регенерации: фильтрации и очистке подвергается не только урина, но и пот, а также влага из выдыхаемого космонавтами воздуха, что позволяет восстанавливать до 98% всей циркулирующей на станции воды.
Параллельно рассматривается интеграция биологических систем. Специалист Королевского садоводческого общества Алистер продемонстрировал компактный замкнутый гидропонный комплекс для выращивания пищевых культур в условиях невесомости. Вода в этой установке циркулирует по полностью изолированным контурам, иначе в отсутствие гравитации она бы просто разлетелась по всему кораблю. Освещение обеспечивается комбинацией красных и синих светодиодов, поскольку растения эффективнее всего поглощают свет именно в этих спектрах для фотосинтеза хлорофилла.
На МКС данная технология развернута под названием Veggie. Из-за специфического освещения и накопления растительного пигмента антоциана листья салата приобретают фиолетовый оттенок. В рамках марсианской диеты ученые тестируют выращивание риса, пшеницы, базилика, сои и томатов. В финале демонстрации волонтер Финли и повар Кристиан прямо на сцене приготовили «космическую пиццу» с использованием соевого сыра и свежесрезанного бортового базилика.
👨🚀 Внекорабельная деятельность: уроки выживания в открытом космосе 38:21
Выход в открытый космос (ВКД) признается экспертами одной из самых опасных технологических операций. Американский астронавт Дэн Тани детально прокомментировал реальную аварийную ситуацию, произошедшую в самом начале экспедиции Тима Пика. Из-за непредвиденного сбоя на внешней ферме МКС намертво заклинило мобильный транспортер — специальную платформу-тележку, перемещающую роботизированный манипулятор Canadarm2.
По словам Тани, поломка заблокировала работу главного механического манипулятора станции, что сделало невозможным захват и пристыковку грузовых кораблей с Земли, доставлявших еду, кислород и научное оборудование. Ситуация угрожала полной остановкой всех программ МКС.
Для устранения неисправности за борт вышли астронавты Тим Копра и Скотт Келли. Дэн Тани обращает внимание на то, как легко полностью потерять пространственную ориентацию в безвоздушном пространстве, особенно когда станция заходит в тень Земли и 45 минут пребывает в абсолютной темноте, освещаемой лишь налобными фонарями скафандров. Работа велась под жестким контролем Центра управления полетами:
- Координаторы с Земли диктовали пошаговые инструкции, указывая номера поручней (например, «поручень 3523 в отсеке 02») для закрепления страховочных фалов;
- Точное следование маршруту критически важно, чтобы астронавты не перепутали и не завязали узлом свои страховочные тросы;
- Находившийся внутри станции Тим Пик непрерывно мониторил перемещение коллег, готовый в любой момент активировать экстренный шлюз.
В итоге Копра и Келли сумели вручную разблокировать заклинившую рукоятку тормоза на тележке. После этого операторы из ЦУПа смогли дистанционно переместить транспортер в рабочую зону, зафиксировав успешное завершение миссии. Перед возвращением в шлюзовую камеру Скотт Келли даже успел сделать ставшее знаменитым космическое селфи на фоне напарника.
🏋️♂️ Борьба с невесомостью и концепция искусственной гравитации 44:41
Длительное пребывание в условиях микрогравитации губительно для человеческого организма: без нагрузки стремительно атрофируются мышцы, вымывается кальций из костей и ослабевает сердечно-сосудистая система. За всю историю космонавтики лишь 15 человек провели на орбите более 200 дней подряд. Находящийся в годовой экспедиции Скотт Келли вынужден ежедневно тратить по несколько часов на изнурительные тренировки в специализированном орбитальном спортзале, чтобы избежать необратимых изменений в организме.
Кевин Фонг утверждает, что радикальным решением проблемы может стать создание искусственной гравитации за счет центробежной силы и центростремительного ускорения. Ведущий демонстрирует архивные видеозаписи экспериментов NASA 1960-х годов, в ходе которых испытуемых подвешивали на лонжах боком к вращающемуся полу для оценки их переносимости вращения.
Исследования показали, что вестибулярный аппарат человека адаптируется к постоянному вращению, если его скорость не превышает 4 оборота в минуту. Лектор приводит математический расчет: чтобы при такой скорости вращения (4 об/мин) сгенерировать комфортную земную силу тяжести в $1g$, радиус жилого отсека космического корабля должен составлять 62,5 метра. По размерам это сопоставимо с колесом обозрения «Лондонский глаз». Постройка объекта подобного масштаба в условиях глубокого космоса — колоссальный вызов, учитывая, что на сборку сравнительно небольшой МКС ушло 15 лет.
В качестве альтернативы Фонг описывает свой личный опыт работы в NASA в 2007 году над проектом короткорадиусной центрифуги, способной поместиться внутри стандартного ракетного модуля. По мнению исследователей, гравитацию можно дозировать подобно лекарственному препарату. Космонавту достаточно проводить на такой скоростной центрифуге всего по одному часу утром и вечером: создаваемая повышенная перегрузка эффективно нагружает кости и мышцы, предотвращая их деградацию в оставшееся время полета.
🛬 Посадка на Марс: «Семь минут ужаса» и возвращение домой 50:23
Когда космический корабль достигает цели, отсутствие гравитации сменяется другой проблемой: необходимостью экстренного гашения колоссальной кинетической энергии. Доктор Фонг напоминает, что две самые сложные вещи в ракетной науке — это начать движение и суметь остановиться. О тонкостях этого процесса рассказала ведущий инженер Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) доктор Анита Сенгупта, руководившая разработкой посадочной системы марсохода Curiosity.
Разреженная атмосфера Марса накладывает жесткие ограничения: аппарат входит в нее на гиперзвуковой скорости, а раскрытие парашюта происходит на сверхзвуке. Доктор Сенгупта продемонстрировала уменьшенную до 3% копию уникального парашюта типа Disc-Gap-Band (диск-кольцо-купол). Полноразмерный парашют марсохода весил всего 100 фунтов (около 45 кг), но в момент раскрытия выдерживал чудовищную динамическую нагрузку в 65 000 фунтов силы (почти 30 тонн).
Инженер детально описывает хронологию посадки тяжелого аппарата размером с легковой автомобиль:
- На этапе гиперзвукового полета тепловой щит снижает скорость до 1000 миль в час;
- На скорости 2 Маха (900 миль в час) вводится в действие сверхзвуковой парашют;
- После торможения до субзвуковой терминальной скорости парашют отстреливается, и аппарат переходит в свободное падение;
- Включаются 8 тормозных ракетных двигателей, гасящих скорость до 200 миль в час близ поверхности;
- Активируется уникальная система «Небесный кран» (Sky Crane): платформа зависает на ракетных двигателях, а сам марсоход плавно опускается на трех прочных тросах, что исключает поднятие туч пыли, способных повредить научные приборы;
- После касания грунта тросы перерезаются пиропатронами, посадочная платформа улетает в сторону для жесткого краш-лендинга, а чистый марсоход приступает к работе.
Особое внимание инженеры уделили наличию конструктивного зазора (щели) в куполе парашюта. Анита Сенгупта продемонстрировала уникальные кадры испытаний в аэродинамической трубе при скорости 2,7 Маха. Без специального зазора парашют подвержен «сверхзвуковой нестабильности» — он начинает ритмично схлопываться и надуваться подобно медузе, что резко снижает аэродинамическое сопротивление и приводит к мгновенному разрыву ткани.
Успешная посадка открывает путь к исследованию марсианской геологии, например, изучению 780-метрового кратера Виктория, чьи осадочные слои хранят историю климатических изменений планеты. Чтобы решить проблему обратного вылета и не везти с Земли тяжелое топливо для возвращения, ученые предлагают использовать ресурсы самого Марса. Его атмосфера на 99% состоит из углекислого газа ($CO_2$). Посредством химической реакции Сабатье, смешивая углекислый газ с небольшим количеством привезенного с Земли водорода, можно прямо на месте производить чистую воду и метан ($CH_4$), служащий отличным и энергоемким ракетным топливом. Рождественская лекция завершается эффектным взрывом метано-кислородной смеси, символизирующим успешный старт ракеты на пути домой.
