О том, как человечество будет исследовать неизвестную Вселенную

Сразу два крупнейших в истории космических проекта этим летом начали свой путь к новым открытиям. В июле космический телескоп Джеймса Уэбба передал на Землю свои первые снимки. Затем в конце августа ракета Space Launch System и модуль Orion были приведены в полную готовность к первому беспилотному экспериментальному полету проекта Artemis.

Но пока эти знаковые миссии только начинают свою работу, их преемники уже выстраиваются в очередь. В течение последнего десятилетия в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) осуществлялось финансирование исследований в области новых космических технологий. Программа должна стимулировать изобретателей к использованию преимуществ новых технологий и отказу от традиционных представлений о том, каким должен быть космический корабль.

В то же время все большее число новых космических держав и частных компаний пытаются реализовать новые концепции. Эти идеи варьируются от инновационных до откровенно фантастических и неординарных, поэтому мы рассмотрим, как могут выглядеть космические корабли завтрашнего дня.

Наступает новая эпоха космических полетов. В этой статье мы предлагаем ознакомиться с космическими аппаратами нового поколения, способных доставить нас в невиданные ранее уголки Вселенной.

Поиск в космосе

Если вы хотите исследовать большую территорию, лучший способ - подняться в небо.

19 апреля 2021 года марсоход Ingenuity Mars Helicopter Scout стал первым космическим аппаратом, совершившим управляемый полет на другую планету. Похожий на дрон винтокрылый агрегат приземлился на борту Perseverance - самого современного марсохода NASA, оснащенного тяжелыми роботизированными манипуляторами и приборами. И наоборот, Ingenuity, масса которого составляет всего 1,8 кг, имеет на борту всего две небольшие камеры.

Dragonfly spacecraft on Titan  Getty Images

Недостаток в инструментарии Ingenuity компенсировал дальностью полета. В то время как Perseverance пришлось потратить недели на осмотр исследуемой области Марса, Ingenuity пролетел над ним за считанные минуты и даже проложил новый маршрут. Учитывая такой потенциал, можно не сомневаться, что хотя Ingenuity и стал первым самолетом такого типа, он точно не будет последним. 

Еще до запуска Ingenuity NASA планировало отправить его преемника, Dragonfly, к луне Сатурна, Титану, в 2027 году. Этот спутник с одной стороны хорошо знаком учёным, а с другой - совершенно необычен. Подобно нашей планете, Титан имеет богатую азотом атмосферу с давлением, как на Земле, при этом рельеф спутника образуют горы и жидкие водоемы. Вот только температура окружающей среды составляет -180ºC. Вместо скальных пород в горах - лед, а озера заполнены не водой, а жидкими метаном и этаном. Считается, что именно такие углеводороды послужили строительным материалом для жизни на Земле. Но могли ли они образоваться на Титане? 

Чтобы получить хоть какой-то шанс ответить на эти вопросы, Dragonfly будет располагать значительно большей научной мощностью, чем его марсианский предшественник. Увеличенная подъемная сила восьми несущих винтов в сочетании с плотной атмосферой Титана и низкой гравитацией 1,4 м/с2 позволит Dragonfly при массе 450 кг нести на борту тяжелый радиотепловой генератор и серьезную полезную нагрузку.

Dragonfly будет оснащен спектрометрами для анализа атмосферы и почвы, а также метеорологическими датчиками и очень ценными камерами. Все эти приборы помогут кораблю в навигации, поскольку всего за 2,7 года он преодолеет по поверхности Титана более 175 км - вдвое больше, чем все марсианские роверы вместе взятые. Изображения, которые они отправят на Землю, будут лучшими из когда-либо сделанных кадров поверхности спутника и, наконец, покажут, что скрывается среди холмов и озер Титана.

Путешествие по штормовому небу

Ученые считают, что надувные аппараты похожие на ската манта могут прорваться сквозь кислотные облака Венеры.

В 2020 году группа экспертов под руководством Кардиффского университета объявила о возможном обнаружении фосфина в атмосфере Венеры. На Земле этот газ выделяют в процессе жизнедеятельности некоторые бактерии. Поэтому некоторое ученые предположили, что в сернистых облаках Венеры могут обитать аналогичные микроорганизмы. К сожалению, результаты целого ряда более поздних наблюдений заставили усомниться в том, что фосфин действительно присутствует на Венере. Однако такая гипотеза, несомненно, вернула Венеру на первое место в списках планет, желаемых к посещению.

Artist impression of BREEZE spacecraft in Venus clouds.  CRASH Lab, University at Buffalo

Облака на Венере располагаются на высоте от 50 до 70 км. Хотя давление на поверхности Венеры в 92 раза выше земного, на высоте 50 км оно составляет около одной атмосферы - такое же давление, как на уровне моря на Земле. Это означает, что наполненный гелием воздушный шар может легко доставить по воздуху полезный груз научных приборов. В 1985 году Советский Союз именно так и поступил, запустив на ночную сторону планеты аппараты "Вега-1" и "Вега-2". Достигнув Венеры в июне 1985 года, каждый космический аппарат развернул спускаемый модуль массой 1500 кг и основной модуль для исследования кометы Галлея в марте 1986 года. Каждый спускаемый модуль состоял из двух частей - посадочной ступени и ступени, которая была введена в атмосферу Венеры 11 июня и 15 июня соответственно. Атмосферный модуль "Вега-1" проработал 56 минут, а "Вега-2" - 46,5 часов. Обе посадочные ступени достигли поверхности Венеры и вернули ценные данные о составе атмосферы и почвы Венеры. После чего оба аппарата разрушились от воздействия температур и жёсткого излучения Солнца.

С тех пор инженеры разрабатывают способы, позволяющие лучше ориентироваться в штормовом небе Венеры. Вертолеты были бы разорваны на части, но. Так, например лаборатория Crashworthiness for Aerospace Structures and Hybrids (CRASH) в Университете Буффало, штат Нью-Йорк, предложила новую концепцию. В 2022 году лаборатория получила финансирование от NIAC на разработку Bioinspired Ray for Extreme Environments and Zonal Exploration (BREEZE), надувного космического корабля, вдохновленного скатом манта.

"В основе артикулированных крыльев BREEZE лежит опорно-двигательная система ската, использующая переплетенную, резервную сеть приводов, способную снизить вероятность полного отказа системы, - рассказывает д-р Джавид Баяндор, участник проекта. "В результате крылья аппарата будут совершать волнообразные движения, позволяя ему маневрировать в воздушных потоках, подобно тому, как скат движется по океанским течениям".

Совершая облет планеты раз в четыре-шесть дней, аппарат сможет отслеживать погодные условия, составлять карту поверхности с помощью радара и, возможно, даже обнаруживать биомаркеры (включая неуловимый фосфин). Поскольку аппарат надувной, он очень компактен, поэтому из одного спускаемого аппарата можно будет запускать одновременно два или три таких флаера. Возможно, в один прекрасный над поверхностью Венеры будет парить целая эскадрилья BREEZE.

В глубоких, темных глубинах...

Пробив ледяную кору Европы, можно обнаружить скрытый океан

Под ледяной корой спутника Юпитера Европы находится океан жидкой воды. Может быть, в самых глубинах этой тихой луны плавает инопланетная жизнь? В скором времени к Европе будут направлены два космических аппарата - Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) ЕКА и Europa Clipper NASA. В 2030-х годах оба этих аппарата будут изучать луну с ее орбиты. Однако главная задача ученых - в один прекрасный день высадиться на поверхность и исследовать скрывающийся внизу океан.

Graphic of the SWIM probe. Ethan Schaler

"При бурении ледяной Луны возникнет множество проблем", - объясняет Микуцки. "Лед на Европе намного холоднее, чем на Земле, и как обеспечить достаточное количество энергии? Испытания зондов для плавления льда в самых холодных местах нашей планеты могут помочь ученым и инженерам лучше оценить их параметры. Из моего опыта работы в Антарктиде и других ледяных уголках Земного шара могу сказать, что многое может пойти не так, когда вы вслепую летите в прорубь!".

Большинство концепций внеземных роботов для погружения в ледяной панцирь, так называемых криоботов, используют тепло радиоактивного источника. Другие варианты для прорезания льда планируют применять буры или лазеры. Однако большинство из них сосредоточены на том, как пробиться сквозь лед, а не на том, что делать после того, как они туда попадут.

Совсем иначе обстоит дело с проектом Sensing With Independent Micro-swimmers (SWIM) от NIAC. SWIM будет размещаться на борту криобота, а затем развернет рой свободно плавающих роботов размером около 10 см для навигации по океану.

"Рой роботов может покрыть больший объем воды по сравнению с одиночной машиной", - рассуждает д-р Азаде Ансари из Технологического института Джорджии, член команды SWIM. "Если один или несколько роботов выйдут из строя, миссия все равно будет продолжена".

Поскольку Европа находится в сильном магнитном поле Юпитера, боты могут получать всю необходимую энергию за счет создания электромагнитных потоков, что продлит время их жизни вдали от материнского корабля. Исследователи SWIM намерены измерить температуру, давление, pH и соленость воды, а также с помощью химического гравиметрического датчика обнаружить крупные молекулы, которые могут указывать на признаки жизни.

В настоящее время команда SWIM использует 3D-печатные прототипы для тестирования рулевого управления, двигательных, коммуникационных и сенсорных систем ботов. И вполне вероятно, что когда-нибудь стая подобных робо-рыб будет плавать в океанах Европы.

Скрываясь в тени

Жизнь на других планетах, скорее всего, можно найти под землей, где можно укрыться от радиации

В прошлом посадочные аппараты на Луне и Марсе базировались вблизи экватора, где много солнечного света для их солнечных батарей. Но теперь внимание переключилось на более темные регионы наших ближайших соседей. На южном полюсе Луны есть кратеры, на дно которых никогда не попадает солнечные лучи. Потенциально там может сохраниться водяной лед, а марсианские пещеры могут укрыть микроорганизмы от вредного излучения. Эти кратеры и пещеры могут однажды послужить фундаментом для постоянной базы человечества.

 Asagumo spider bot has legs to help it with tricky terrain.  Spacebit

Исследование таких областей требует нового типа транспортного средства, поскольку марсоходы, которые до сих пор перемещались по Луне и Марсу, плохо приспособлены к труднопроходимой местности пещер. Идея создания роботов с ногами возникла еще в начале космической эры, но только сейчас она стала технологически осуществимой. По сути, уже в следующем году первые шаги по лунной поверхности должен сделать лунный паукообразный Asagumo британской компании Spacebit.

Тем временем команда BRAILLE (Biological and Resource Analog Investigations in Low Light Environments) из Лаборатории реактивного движения НАСА разрабатывает инструменты, которые могут понадобиться такому роботу-исследователю. Боты должны быть автономными, поскольку возможность потери связи, не говоря уже о том, что сигнал между Землей и Марсом приходит существенными задержками, делает невозможным прямое управление со стороны человека. Специалисты проекта используют автономное программное обеспечение NeBula, которое позволяет роботу исследовать окружающую среду и адаптироваться к неожиданным сценариям без необходимости контроля со стороны человека.

Ученым BRAILLE удалось смоделировать миссию в Lava Beds National Monument в Калифорнии, тестируя программное обеспечение на группе роботов Boston Dynamics SPOT. Первый робот был оснащен LiDAR, чтобы составить карту сложных туннелей и определить важные цели. Затем в путь отправился второй робот - для более детального изучения и забора образцов пород. Третий SPOT дистанционно выполнил анализ химического состава объектов. Во время испытаний вся троица преодолевала неровные поверхности, способные остановить обычный ровер, и проползала через узкие проходы, в которые с трудом мог протиснуться даже человек.

Впрочем, даже таких ловких исследователей могут поставить в тупик более глубокие расщелины. Именно здесь может помочь проект NIAC - ReachBot. Этот робот использует выдвижные стрелы с манипуляторами на концах, чтобы ловко пробираться вверх и вниз по узким проходам.

Благодаря компактной конструкции несколько роботов можно перевозить вместе. При этом они смогут использовать друг друга в качестве рычагов. Такие машины могут быть отправлены в глубокие тесные пещеры или узкие колодцы для сбора образцов, которые в обычных условиях были бы недоступны. На спинах Spacebit или BRAILLE можно было бы легко перевозить десяток приборов, готовых в любой момент исследовать каждый уголок скалистой поверхности объектов нашей Солнечной системы.

Экспансия Солнечной системы

Попытка вместить километровую конструкцию в ракету диаметром в несколько метров - задача не из легких

В декабре 1972 года "Аполлон-17" совершил полет на Луну, ознаменовав тем самым последний выход человека за пределы низкой околоземной орбиты. По крайней мере, на данный момент. В августе мисси Artemis была подготовлена к первому испытательному беспилотному запуску в преддверии будущей высадки на Луну. В ближайшее десятилетие под руководством NASA группа международных партнеров займется созданием Lunar Gateway - космической станции, которая будет выполнять роль транзитного аванпоста на поверхности Луны и, возможно, даже на Марсе. Gateway, как и МКС и китайская космическая станция "Тяньгун" до этого, будет построена из модулей, которые помещаются в ракету.

Lunar Gateway will act as a waystation to the Moon surface. NASA/JPL

Но для межпланетных полетов нужны более крупные корабли. Отсутствие гравитации при длительном космическом путешествии приводит к атрофии мышц, проблемам с сердцем, потере костной массы, ухудшению зрения и иммуносупрессии. Решение заключается в создании космических кораблей, которые будут вращаться, чтобы создать искусственную гравитацию (вспомните фильм "2001 год: космическая одиссея").

 Проблема в том, что для того, чтобы вращать астронавтов, не вызывая у них болезненных ощущений, необходим корабль с манипуляторами длиной до одного километра. Для этого потребуются десятки дорогостоящих и сложных традиционных запусков. Но концепция NIAC доктора Зака Манчестера из Университета Карнеги-Меллон могла бы потенциально сделать это всего за один запуск.

"Наша цель - создать такую конструкцию, которая поместится в обтекатель одной ракеты - а это ограничивает нас всего несколькими метрами в поперечнике - и сможет при достижении орбиты увеличиться до километра в длину", - поясняет Манчестер. "Оказывается, что структуры, которые должны работать только в космосе, не должны быть очень жесткими или прочными, потому что силы, действующие на них, весьма слабы. В нашем случае, большие структуры, которые мы проектируем, будут запускаться в сложенном виде, поэтому они должны будут выдерживать большие нагрузки только в сложенном состоянии".

В настоящее время ученый работает над созданием структур сложной ножничной конструкции, которые способны увеличиться до 150 раз от своего первоначального размера. Обычно такие сложные механизмы требуют тысячи движущихся частей и относятся к разряду нерациональных вариантов, поскольку в космических кораблях нельзя просто выслать механика, если что-то сломалось.

"Это самая сложная задача в проекте, и мы очень беспокоимся о том, что механизмы могут заклинить во время развертывания", - говорит Манчестер. Одной из ключевых частей его текущей работы над проектом является совершенствование конструкции, чтобы свести к минимуму риск от любых производственных ошибок. "Мы думаем о том, как стратегически обосновать податливость (противоположность жесткости) конструкции, чтобы снизить риск заклинивания".

Ну, что ж, возможно, скоро космические корабли, упакованные в коробки, отправятся покорять другие планеты нашей Вселенной.