Главная » Hi-Tech » Выбрать планеход и скафандр, добраться до Марса и поселиться на нём

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

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

В закладки

Поделиться

Глава восьмая — колонизация Марса

Некоторые, руководствуясь личными причинами, потрудились вдохновить остальных; другие из-за своих опасений спорили, приводя множество доводов, необоснованных и несостоятельных; нам предстояло большое дело, и оно было связано со многими невообразимыми угрозами и опасностями… Это предложение, сделанное публично и относившееся ко всем, выявило много различных мнений среди людей и вызвало многие страхи и сомнения в их рядах.

Ответ на эти заявления был таков: все великие и благородные поступки сопровождаются большими трудностями, которые должно принять и преодолеть с подобающим мужеством.

Губернатор Уильям Брэдфорд

история колонии Плимут, 1621

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

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.

Действительно ли Марс может быть колонизирован? Таким образом, мы подошли к сути дела: фазе заселения Марса. 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.

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. Но насколько далеко мы имеем право зайти?

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. 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.

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

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

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. Поэтому, в конечном счете, осуществимость терраформирования зависит от того, насколько экономически успешными окажутся человеческие колонии на Марсе.

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

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. Звучит убедительно, но следует отметить, что те же аргументы когда-то приводились в пользу полной непрактичности заселения европейцами Северной Америки и Австралии.

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 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 период своего мирового господства испанцы игнорировали Северную Америку; для них она была всего лишь огромной бесполезной дикой территорией.

В 1867 году Александр II продал Аляску по схожей скромной цене. В 1803 году Наполеон Бонапарт продал треть современной территории Соединенных Штатов за два миллиона долларов. 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.

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

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. Почти невозможно узнать, какие предприятия будут экономически жизнеспособными через двадцать лет, а уж тем более через пятьдесят или сто.

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.

Уникальность Марса

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

Среди внеземных тел в нашей Солнечной системе Марс выделяется тем, что он обладает всеми необходимыми ресурсами, чтобы не только поддерживать жизнь колонистов, но и создать новую ветвь человеческой цивилизации.

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. Эта уникальность проявляется особенно отчетливо, если сравнить Марс с нашей Луной, которую чаще всего называют местом, где мог бы поселиться человек.

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. Углерод и азот имеются на Луне в ничтожных количествах: несколько частиц на миллион.

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. 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.

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. 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.

На Марсе все они имеются в изобилии. 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.

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

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. Ученые сравнили геологическую историю Марса с геологической историей Африки и сделали очень оптимистичные выводы по поводу его минеральных богатств.

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.

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

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).

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

Один акр растений на Земле требует 4 МВт энергии солнечного света, а на 1 км² понадобится 1000 МВт. 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.

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

И от нее все равно не было бы толку, потому что растения не могут адаптироваться к суточному циклу длиной 28 дней. 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.

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

На Марсе же сильный парниковый эффект, созданный такими куполами, обеспечит внутри оптимальный умеренный климат. 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.

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. 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.

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

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

Марс — это место, где люди могут жить, заводить детей, увеличивая численность колонии, и обеспечивать себя всем необходимым благодаря местным ресурсам. 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.

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

Межпланетная торговля

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. Марс является лучшим объектом для колонизации в Солнечной системе, поскольку на сегодняшний день он имеет наибольший потенциал для самообеспечения.

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

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

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. Именно этот вопрос заставил многих думать, что колонизация Марса трудновыполнима или по крайней мере уступает по выполнимости колонизации Луны. 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.

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

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

Ядерные реакторы канадского производства, известные как CANDU, сегодня работают по этому принципу. 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.

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.

Когда отряд норвежского сопротивления и «Би-17» Соединенных Штатов разрушили это место в серии налетов в 1943 году, немецкая ядерная программа фактически была уничтожена.) (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.

И это сегодня, пока мы стоим еще только на пороге появления промышленного термоядерного синтеза. 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).

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

Каждому человеку на Марсе потребуется около 10 тонн электролизированной воды в земной год. 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.

Это позволит производить в год 1000 тонн дейтерия, чего достаточно для получения 11 тераватт электроэнергии — примерно столько же, сколько все человечество потребляет сегодня. 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.

(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. При современных ценах на дейтерий это могло бы приносить годовой экспортный доход в 10 миллиардов долларов.

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. Идеи могут стать еще одним экспортным товаром для марсианских колонистов.

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. Благодаря этому будут множиться изобретения в сферах энергетики, автоматизации и робототехники, биотехнологий, а также многих других.

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

Например, Джон Льюис из Университета штата Аризона рассмотрел случай простого астероида диаметром всего 1 км. 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.

В сумме это составит 150 миллиардов долларов для одной только платины. 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.

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. В этом почти нет сомнений, так как у нас имеется много образцов астероидов в виде метеоритов.

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.

е. 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. от Солнца).

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. 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.

Разумная оценка будет примерно такой: астероиды главного пояса превосходят по численности околоземную группу по меньшей мере в тысячу раз. 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.

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

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.

Таким образом, возникнет потребность в импорте продуктов питания и других необходимых товаров или с Земли, или с Марса. Шахтеры, работающие на астероидах, не смогут производить бóльшую часть необходимого им продовольствия на месте. 1 ниже, у Марса в этом отношении будет масса преимуществ. Как показано в таблице 8.

В таблице 8. 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. 1 в качестве примера рассматривается Церера, крупнейший астероид*, расположенный самом центре главного пояса.

Несмотря на то что она намного ближе к Земле, с точки зрения реактивного движения, гораздо легче достичь Луны с Марса! Однако вы заметите, что я также упоминаю Луну как потенциальный порт назначения. 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. 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.

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. Все строки в таблице 8.

Топливо из смеси водорода и кислорода хоть и имеет более высокий удельный импульс (450 секунд), не может долго храниться в космосе. 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.

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).

Такие системы РОСД и ЯЭР, хотя и кажутся сегодня фантастикой, в будущем обещают стать надежной основой для технологии межпланетных перевозок. 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.

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. 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.

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. На самом деле расчеты в таблице 8. 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.

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. Если появляются ядерные электрические ракеты, расклад меняется, но не очень значительно. Но это всего лишь отношения масс, а как отмечалось выше, дело не только в них.

Сравнение показателей приведено в таблице 8. Теперь давайте сравним от начала до конца некоторые миссии, стартующие к Церере с Земли или с Марса. Обе миссии доставляют 50 тонн груза. 2, причем и для варианта только с химической системой двигателей, и для сочетания химической и ЯЭР транспортных систем. Кроме того, и ЯЭР, и химическая система должны включать топливные баки, массу которых я оценил в 7% от массы топлива, которое они несут.

д.), исключая массу баков, равную массе их полезной нагрузки, то есть 50 тонн. 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. 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.

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. Ядерные электрические двигатели в таблице 8. (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.)

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

В таблице 8. 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. Ясно, что общие требования к запуску, вероятно, будут разделены между множеством ракет-носителей. 2 массы приведены для полной миссии.

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. 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.

Более того, приведенный мной анализ предполагает, что корабли вернутся из пояса астероидов без груза. 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. Если дополнительно обременить миссию достаточным количеством топлива, чтобы доставить добытый металл с астероида без дозаправки на Марсе, миссия с Земли станет еще более безнадежной.

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

Эта схема аналогична той, что сложилась между Великобританией, ее североамериканскими колониями и Вест-Индией во время колониального периода. 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.

Сходный торговый треугольник, включающий Великобританию, Австралию и Моллукские острова, также поддерживал британскую торговлю в Ост-Индии в 19 веке. 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.

Заселяя Марс

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. Из-за сложности межпланетных путешествий колонизация Марса может казаться невыполнимой задачей.

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

1 мы видим одну из версий концепции, которую можно использовать для транспортировки мигрантов на Марс. На рисунке 8. 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.

Дополнительная площадь доступна на пятом (верхнем) этаже, после того как тот освободят от груза по прибытии на Марс. 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.

Теперь предположим, что начиная с 2030 года каждый год с Земли в среднем запускаются четыре такие ракеты-носителя. Таким образом, за один запуск ракеты-носителя с Земли к Марсу можно отправить 24 человека, снабженных продовольствием и инструментами. Результаты показаны на рисунке 8. Если далее мы введем несколько обоснованных демографических предположений, можно будет рассчитать демографические кривые для Марса. 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 означает, что расстояние до Марса и задача транспортировки, с ним связанная, не станут основным препятствием для человеческой цивилизации на Красной планете. Это само по себе очень важный результат. Скорее, ключевыми будут вопросы использования ресурсов, выращивания еды, строительства жилья и изготовления различных полезных товаров на поверхности Марса.

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. Более того, прогнозируемые темпы роста населения хоть и не очень велики, но в историческом масштабе выглядят довольно значительно.

Такие расходы по силам государству (какое-то время), но не частным лицам или группам. Однако при цене запуска около 1 миллиарда долларов расходы на одного иммигранта будут составлять 40 миллионов долларов. Поэтому давайте изучим альтернативную модель, чтобы понять, как можно сделать ее более выгодной. 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.

Для доставки на орбиту каждого килограмма полезной нагрузки требуется около 70 килограммов топлива. Еще раз рассмотрим нашу РОСД на смеси метана и кислорода, используемую для транспортировки полезной нагрузки с поверхности Земли до низкой околоземной орбиты. 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.

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. Давайте предположим, что есть космический корабль, постоянно курсирующий между Землей и Марсом, который повторно использует воду и кислород с эффективностью в 95%.

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. 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, 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. 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.

Очевидно, что в приведенном выше расчете я сделал много предположений и изменение этих условий может значительно повлиять на цену билета. 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.

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. 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.

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.

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 «челнок» оснащен магнитным парусом (см.

Таким образом, есть основания ожидать, что транспортные расходы по маршруту Земля — Марс снизятся еще на порядок, примерно до 30 тысяч долларов на пассажира. 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. 8. Изменения стоимости перевозки, которые произойдут благодаря постепенному введению каждой из этих инновационных концепций, показаны в табл. 3.

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. Тем не менее сумма в 320 тысяч долларов для первых иммигрантов довольно интересна. А почему они захотят? Такую сумму люди могут потратить, если очень захотят.

Поэтому и заработная плата может оказаться значительно выше. 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. 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.

С 17 по 19 век многие европейские семьи откладывали средства на то, чтобы один из членов семьи мог эмигрировать в Америку. 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.

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

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. Как упоминалось ранее, нехватка рабочей силы послужит марсианской цивилизации стимулом для технологического и социального развития.

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

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

Этот процесс оздоровления, как мы обсудим в последующих главах, в конечном счете станет наибольшим преимуществом, которое колонизация Марса предложит Земле. 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. И больше всего выиграют те земные общества, которые имеют самые тесные социальные, культурные, языковые и экономические связи с марсианами.

Продажа марсианской недвижимости

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

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

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

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

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). Вполне достаточно будет патента о регистрации имущества, выданного сильным государством, например Соединенными Штатами Америки.

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.

Но будь то Соединенные Штаты, НАТО, Организация Объединенных Наций или Марсианская Республика, для объявления бесполезной местности недвижимостью следует заручиться одобрением правительства какого-нибудь государства. 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.

При средней цене в 20 долларов за акр Марс стоил бы около 700 миллиардов долларов. А уже после того как это будет претворено в жизнь, даже недостроенная открытая недвижимость на Марсе станет постоянным источником финансирования для первых марсианских поселений. 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.

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

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

При таких ценах массовое создание жилых площадей под куполами окажется одним из крупнейших видов бизнеса на Марсе и основным источником дохода для колонии. 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.

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

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

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. Когда разногласия, вызванные таким угнетением, перерастут в неизбежные бунты и войны, появятся проигравшие.

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

Исторические аналогии

Наша Луна, близкая к «столичной» планете, но бедная с точки зрения ресурсов, напоминает Гренландию. Основная аналогия, которую я хотел бы провести, — это аналогия между Марсом в грядущую эпоху освоения и Северной Америкой прошлого. 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.

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. Только Марс имеет полный набор ресурсов для развития местной цивилизации, и только Марс является подходящей целью для настоящей колонизации.

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.

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. 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.

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

Дополнительный раздел. Передовые межпланетные перевозки

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. Выбор транспорта зависит от места назначения. Давайте посмотрим, что может нам принести будущее. Эти новые системы, гораздо более производительные, чем нынешние, уже существуют в виде проектов и дожидаются своего часа.

Воздушно-реактивные пусковые установки

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

Почему бы не пытаться использовать хотя бы какую-то его часть? Ракеты-носители по пути на орбиту летят через огромные количества окислителя. 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.

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

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.

Такие ракеты, которые могут развить удельный импульс более 1000 секунд, были продемонстрированы на испытательном стенде компанией Маркуардт в 1966 году. 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.

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. К сожалению, из-за очередных прихотей бюрократической системы программу отменили до того, как двигатели начали тестировать в полетах.

Колонизация Марса, таким образом, занимает центральное место в развитии технологий, которые предоставят нам дешевый доступ в космос. 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.

Электродвигатель

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. Ключевым показателем производительности ракеты является ее удельный импульс, количество секунд, за которое двигатель использует фунт топлива, чтобы получить фунт тяги.

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

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

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. Но, если необходимо создать большую тягу, понадобится много электроэнергии.

Космический корабль с ядерным электрическим двигателем мог бы достичь такого невероятно большого значения ΔV только при отношении масс около 1,82. 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.

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.

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. 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.

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.

Солнечные паруса

Это заставило его предположить, что свет, исходящий от Солнца, развивает силу, которая отталкивает хвост кометы от него. 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.

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

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?

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. Ответ таков: мы можем, но понадобится чрезвычайно много солнечного света, чтобы сдвинуть корабль под его действием хоть чуть-чуть. Итак, чтобы солнечный парус стал практичной двигательной системой, нужно изготовить его из очень тонкого материала и сделать огромным.

В этом случае парус будет весить 10 тонн и сможет разогнать себя до 32 км в секунду всего примерно за год. 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. Конечно же, если бы парус тащил полезную нагрузку, равную его собственному весу, это замедлило бы его в два раза.

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

К сожалению, предложение не получило поддержки, то есть Конгресс отказался финансировать миссию. 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.

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. Любительские группы, такие как Всемирный космический фонд Роберта Штеле и французский Союз в защиту фотонных двигателей, создали солнечные паруса.

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.

Давайте надеяться, что марсиане поступят лучше. 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.

Магнитные паруса

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

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

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

Работая в сотрудничестве, Дан и я вывели уравнения и запустили компьютерное моделирование солнечного ветра, который воздействует на космический аппарат, генерирующий большое магнитное поле. 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.

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.

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. Более того, в отличие от ультратонкого солнечного паруса, магнитный парус будет нетрудно развернуть.

В дополнение магнитный парус полностью ограждал бы корабль от солнечных вспышек. 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.

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. Магнитный парус может создать достаточное усилие в направлении от Солнца, чтобы полностью или частично (за счет выключения электрического тока) противодействовать его гравитационному притяжению.

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

Синтез

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%.

Чем больше водорода будет добавлено, тем выше будет тяга, но ниже скорость истечения. 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.

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.

Возможно, что космические аппараты на термоядерном синтезе будут развиваться с быстротой, обеспечиваемой земными заводами, но и обратное по меньшей мере равновероятно. 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.

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

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

Вынуждая нас разивавать технологии термоядерного синтеза, рост марсианской цивилизации вполне может послужить основой для выживания технологического общества. 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.

#космос #марс


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Первая искусственная роговица, напечатанная на 3D-принтере, уже готова для трансплантации

Она очень легко подвержена травмам и различным заболеваниям, в результате которых человек может лишиться зрения. Роговица — это крайне важная, но очень хрупкая часть нашего органа зрения. Потому что одна из медицинских компаний, занимающихся вопросами 3D-биопечати смогла создать готовую к ...

Суд постановил заблокировать сайты «Кэшбери» из-за жалобы прокуратуры на финансовую пирамиду

Суд постановил заблокировать сайты «Кэшбери» из-за жалобы прокуратуры на финансовую пирамиду — Финансы на vc.ru Свежее Вакансии… Написать Уведомлений пока нет Пишите хорошие статьи, комментируйте,и здесь станет не так пусто Войти Первомайский районный суд Ростова-на-Дону признал информацию, опубликованную на сайтах ...