Ядерные двигатели и астероиды стоимостью в триллионы долларов: как покоряют космос сегодня

В середине прошлого столетия тема космоса была в тренде. Если оставить за скобками космическую гонку СССР и США и ее политическую подоплеку, то первые шаги человечества в освоении пространства вне Земли выглядели весьма смело и успешно: первый полет Юрия Гагарина, высадка на Луну Нила Армстронга, запуск первого искусственного спутника, введение в строй первой пилотируемой орбитальной станции. И это верхушка айсберга — чего только стоит запуск «Вояджеров», первых созданных человеком аппаратов, покинувших пределы Солнечной системы.

Сейчас мальчишки гораздо охотнее обсуждают новый выпуск нецензурного юмористического шоу на Youtube, чем устройство новых космических аппаратов или результаты исследований далеких галактик. Пожалуй, известен каждому только Илон Маск, но и о нем зачастую вспоминают не из-за заслуг в качестве изобретателя или инженера, а как о глобальном меме. Это, однако, не значит, что на космос уж совсем «забили» — например, некоторые исследования проводятся в Казанском федеральном университете. О них и положении дел в отрасли в целом вкратце рассказал в выступлении научно-популярного проекта «PROНаука в КФУ» младший научный сотрудник НИЛ «Космическая навигация и планетарные исследования» института физики Казанского федерального университета Алексей Андреев.

В составе Солнечной системы сейчас восемь планет (до 2006-го года было девять, но Международный астрономический союз решил исключить Плутон). Четыре из них довольно сильно похожи — Меркурий, Венера, Марс и Земля. Оставшиеся — планеты-гиганты, которые делятся на газовые (Юпитер и Сатурн) и ледяные (Уран и Нептун). Однако до сих пор нога человека ступала лишь на одно небесное тело — Луну.

— Произошло это событие 20 июля 1969 года, в прошлом году американцы отмечали 50-летний юбилей. Первым человеком, ступившим на поверхность земли, был астронавт Нил Армстронг, — отметил спикер.

На спутнике американцы пробыли около 21 часа, «погулять» при этом по поверхности удалось в общей сложности 2,5 часа. Последняя пилотируемая миссия на Луну была запущена в 1972 году — астронавты «Аполлона-17» находились на поверхности уже более 3 суток, выполняя различные научные исследования. Однако с тех пор лунное направление перестало быть популярным.

Вопрос, который, как сказал Андреев, ему часто задают, как астроному — ну, слетали, а дальше что? В чем вообще смысл исследования космоса? Один из очевиднейших ученым ответов кроется на Земле, где существует проблема истощения природных ресурсов.

— В 2015 году аналитики финансового конгломерата Galdman Sachs опубликовали прогноз, согласно которому разведанных запасов золота, алмазов и цинка на Земле осталось на 20 лет добычи, а резервы платины, меди и никеля иссякнут через 40 лет, — говорит ученый.

Примерно такие же сроки обрисовывают аналитики и для прочих редкоземельных металлов. Казалось бы, ну кончится золото, и ладно — будем делать украшения из подручных материалов. Однако подобные материалы весьма активно используются для развития высоких технологий в области электроники, связи, автоматических и роботизированных систем, оборонной промышленности.

— Если их не будет в достаточном количестве на Земле присутствовать, то мы лишимся таких чудес современной техники как ноутбуки и смартфоны, — дает ужасающий для современного общества прогноз.

Допустим, на нашей планете ресурсов недостаточно, где их искать? Правильно, в космосе. По данным NASA в пределах системы «Земля — Луна» находится порядка 15 тысяч астероидов. За 7 лет больше 200 из них упали на поверхность Луны, примерно четверть из них — «медленные» (при столкновении с лунной поверхностью имеют скорость менее 12 км/с). А в таком случае до 50% астероида остается на поверхности.

— Диаметр кратера 500 метров, мог быть образован в результате столкновения астероида с поверхностью Луны, который по размерам соответствует площади здания Казанского федерального университета. Если предположим, что этот кратер состоит из астероидного вещества и хотя бы 20% этого вещества по Луне в результате столкновения оказались разбросаны, то в осколках должно быть порядка 20 тонн чистого железа, порядка 3,6 тонн никеля, около 180 кг кобальта и 1 кг платины, — рассказывает Андреев.

Кому в тоннах понять значимость сложно, есть данные и «в долларах». Спектральный анализ (исследование, позволяющее определить состав объекта) астероида 1986 DA, проведенный в 1994 году, показал, сколько может стоить небесный объект весом в 30 трлн кг и около 2 км в поперечнике.

— В основном этот астероид состоял из железа, но в его составе присутствовали никель, кобальт и платина. Эти элементы были оценены в рыночных ценах 1994 года. Оказалось, что такой астероид, если его разобрать на компоненты и продавать отдельно, может стоит около 25 трлн долларов, — приводит данные спикер. 

Аналогичные исследования в актуальных ценах провели в 2012 году — стоимость астероида выросла до 87 трлн долларов (для сравнения — государственный долг США на тот момент составлял всего 15,5 трлн долларов; пятой части летающей где-то в космосе глыбы хватило бы на его покрытие).

Неудивительно, что NASA разрабатывает проекты по утилизации астероидов, правда, небольших — до 7 метров в диаметре.

— Планируется, что в ближайшем будущем человечество будет захватывать небольшие астероиды, переводить на лунную орбиту. Далее будут выполняться либо роботизированные, либо пилотируемые миссии, будет происходить его разработка, — говорит ученый.

Развитие технологий позволило науке заглянуть и за пределы нашей домашней Солнечной системы. Оказалось, что поговорка «хорошо там, где нас нет» для космоса не слишком подходит — для человека критично отсутствие кислорода и воды, высокий уровень радиации, холод, голод. Да и сложно чувствовать себя комфортно, скажем, на планете с температурой у поверхности в 450 градусов Цельсия или практически полностью состоящей из алмазов и графита (да, есть и такая).

Однако есть и такие, условия на которых более или менее схожи с земными — экзопланеты. Первая такая была обнаружена в 1992 году, а сейчас ученые насчитали уже более 4 тысяч. Например, в 2017-ом году была открыта планета Росс 128 b — она находится в зоне обитаемости, а климат вполне допускает существование примитивной жизни. Другая, Глизе 667 Ce, открыта в 2011 году и находится «всего» в 22,7 световых годах от нас. Средняя температура атмосферы у поверхности здесь 27 градусов, а от своей звезды планета получает 90% энергии, которую Земле дает Солнце.

— Вероятно, повернута к звезде всегда одной и той же стороной, подобно тому, как Луна повернута к Земле. Тот парниковый эффект, который на планете наблюдается, может создать комфортные условия для существования примитивных форм жизни, — отмечает Андреев.

К сожалению, все экзопланеты для жителей Земли схожи с экспонатами в музее, на которых висит табличка «смотреть, но не трогать». Космический туризм для человечества на «карантине», и дело не в коронавирусе — чтобы добраться до ближайшей звезды Проксима Центавра нужно преодолеть расстояние в 4,24 световых года (т.е. нестись сквозь вакуум со скоростью света в 300 000 км/с в течение четырех с лишним лет).

— Для того, чтобы долететь до ближайшей к нам звезде Проксима Центавра на самом быстром из всех существующих космических аппаратов требуется порядка 20 тысяч лет. При том, что этот аппарат летит со скоростью порядка 70 км/с. На тех двигателях, которые существуют сейчас, даже к дальним границам Солнечной системы очень трудно долететь, — утверждает спикер. 

Полеты в космос начинались во многом с жидкостно-ракетных двигателей (ЖРД), разработка которых началась еще во время Второй мировой войны. Но сейчас эта технология выработана — увеличить производительность таких двигателей более чем на 1,5% не представляется возможным, отмечает ученый. На смену им ученые из российской организации «Энергомаш» разрабатываются детонационные, которые по оценкам могут превзойти ЖРД.

— Тип топлива такой же, горит смесь керосина и кислорода, но происходят контролируемые взрывы, за счет чего горение происходит гораздо быстрее, при этом наблюдается гораздо более высокие температура и давление. Такие двигатели были разработаны совсем недавно, наши российские ученые как раз первый образец и создали в 2016 году. До сих пор у этих двигателей есть такая проблема, как малая мощность, для старта с космодрома они не подходят — обеспечивают тягу примерно в 4 тонны, а нужна тяга в 200 тонн. Зато их можно использовать уже в космосе, устанавливать на верхние ступени ракеты, чтобы время полета до Луны или Марса сократить, — продолжает Андреев.

Существуют также ионные двигатели (именно с помощью таких до Красной планеты добирались персонажи фильма «Марсианин»). Режиссер не обманул — подобная техника уже довольно активно используется на автоматической межпланетной станции, различных зондах. Однако мощность и у них, и у плазменных двигателей, разрабатываемых на замену ионным, слишком низка для межзвездных перелетов.

Получается, что для того, чтобы улететь к другим планетам, придется использовать атомную энергию, резюмирует ученый. В России ядерные двигатели создаются с конца «нулевых». Их мощность, правда, только по слухам, достигает примерно 1 МВт, но технические характеристики держатся в строжайшем секрете.

— Если удастся высокие мощности собрать, то космический аппарат на ядерном двигателе смог бы долететь до Плутона всего за 2 месяца, а до Проксима Центавры — за 12 лет. Это гораздо лучше, чем те 20 тысяч лет, которые у нас есть сейчас, — отмечает ученый.

Еще один плюс ядерных двигателей — будущие колонизаторы смогут их использовать в качестве электростанций для обитаемых лунных и марсианских баз. И хотя сейчас подобные разговоры кажутся чем-то из области научной и не слишком фантастики, кто знает, каких достижений человечество добьется к концу уже этого столетия. Ведь о ноутбуках и смартфонах в 1920-м тоже вряд ли кто мог даже мечтать.