Митио Каку
Будущее человечества. Колонизация Марса, путешествия к звездам и обретение бессмертия
К Луне
Люди отовсюду съехались во Флориду, надеясь хотя бы одним глазком увидеть первую капсулу, которая должна доставить людей на Луну. Лунная капсула унесет трех астронавтов в путешествие, равного которому не было в истории человечества, – на встречу с другим небесным телом. Путь к Луне займет около трех суток, и астронавты на себе испытают то, с чем человек прежде не сталкивался и чего никогда не ощущал, например невесомость. После героического путешествия корабль благополучно приводнится в Тихий океан, а его пассажиры прославятся как герои, открывающие новую главу мировой истории.
Все расчеты по полету делались с использованием Ньютоновых законов движения, что гарантировало точное следование по маршруту. Но есть одна проблема. Все это описано Жюлем Верном в его пророческом романе «С Земли на Луну», опубликованном в 1865 г., сразу после окончания Гражданской войны в США. Правда, организаторами лунного запуска в нем были не ученые НАСА, а члены Балтиморского Пушечного клуба.
Поистине замечательно, что Жюль Верн, писавший свой роман более чем за 100 лет до первой высадки на Луну, сумел предсказать так много черт реального лунного проекта. Он верно описал размеры капсулы, место старта и метод приземления при возвращении с Луны.
Единственным серьезным недостатком описанного им проекта было то, что для отправки астронавтов на Луну использовалась гигантская пушка. Внезапное ускорение при выстреле примерно в 20 000 раз превышало бы силу земного тяготения и, конечно, убило бы всех, кто находился внутри корабля. Однако в те времена, до появления ракет на жидком топливе, Верн просто не мог как-то иначе представить себе это путешествие.
Писатель также постулировал, что астронавты потеряют вес, но лишь в одной точке – ровно в середине пути между Луной и Землей. Он не догадался, что астронавты должны находиться в состоянии невесомости все время полета. (Даже сегодня комментаторы иногда делают ошибку, говоря, что невесомость объясняется отсутствием в космосе гравитации. На самом деле гравитации в космосе сколько угодно – по крайней мере, ее вполне хватает, чтобы заставить планеты-гиганты вроде Юпитера обращаться вокруг Солнца. Ощущение невесомости вызвано тем, что все вокруг падает с одинаковой скоростью. Поэтому астронавт внутри космического корабля будет падать ровно с той же скоростью, что и его корабль, и ему будет казаться, что тяготение просто выключили.)
Сегодня топливом новой космической гонки становятся не личные состояния членов балтиморского Пушечного клуба, а чековые книжки магнатов, таких как Джефф Безос. Не дожидаясь, пока НАСА позволит ему построить ракеты и стартовый комплекс за доллары налогоплательщиков, он основал собственную компанию Blue Origin и строит все сам, на собственные карманные деньги.
Этап планирования этот проект уже прошел. Компания Blue Origin изготовила собственную ракетную систему, получившую название «Нью Шепард» (New Shepard, в честь Алана Шепарда – первого американца, поднявшегося в космос на суборбитальной ракете). Мало того, ракета «Нью Шепард» стала первой суборбитальной ракетой в мире, успешно приземлившейся на собственную стартовую площадку (опередив в этом «Фалкон» Илона Маска – первую допускающую повторное использование ракету, которая доставила полезный груз на орбиту Земли).
«Нью Шепард» Безоса – ракета всего лишь суборбитальная. Это означает, что она не может разогнаться до 8000 м/с и выйти на околоземную орбиту. Она не понесет нас к Луне, но, возможно, станет первой американской ракетой, которая вполне буднично предложит обычным туристам заглянуть в космос. Не так давно компания Blue Origin выпустила видео о том, как будет выглядеть путешествие на их ракете; когда его смотришь, кажется, что находишься в каюте первого класса шикарного круизного лайнера. Входя в космическую капсулу, сразу же поражаешься ее просторности. В отличие от тесных помещений, которые часто видишь в научно-фантастических фильмах, места вполне достаточно для вас и пятерых других туристов. Вас усаживают в роскошные кресла с откидными спинками и пристегивают. Вы можете смотреть в большие окна размером приблизительно 75×100 см. «У нас каждое место – у окна, а окна наши самые большие, какие когда-либо бывали в космосе», – утверждает Безос. Космические путешествия никогда не были столь роскошными.
Поскольку предстоит путешествие в открытый космос, необходимо принять некоторые меры предосторожности. За два дня до назначенной даты вы прилетаете в Ван-Хорн в Техасе, где расположен стартовый комплекс Blue Origin. Там вы знакомитесь со своими попутчиками и выслушиваете короткие обращения членов экипажа. Поскольку полет полностью автоматизирован, обслуживающий персонал с туристами не летит.
Ваш инструктор объясняет, что все путешествие займет 11 минут. За это время вы взмоете вертикально вверх на высоту 100 км, достигнув условной границы между атмосферой и открытым космосом. Небо за окнами сменит цвет на темно-фиолетовый, затем станет чернильно-черным. Когда капсула поднимется в открытый космос, вы сможете отстегнуться от кресла и испытаете четыре минуты невесомости. В это время вы сможете плавать в воздухе, освободившись от сдерживающих пут земного притяжения.
Некоторые люди, попадая в невесомость, испытывают тошноту и рвоту, но это не создаст никому проблем, утверждает инструктор, ввиду скоротечности полета.
(Для тренировки астронавтов НАСА использует «рвотную комету» – самолет KC-135, способный имитировать невесомость. Он круто набирает высоту, затем внезапно отключает двигатели, и астронавты в течение примерно 30 с находятся в состоянии свободного падения. Когда двигатели включаются, астронавты падают на пол. В ходе тренировок этот процесс может повторяться на протяжении нескольких часов.)
В конце путешествия капсула «Нью Шепард» выпускает парашюты, а затем мягко приземляется, включив собственные ракетные двигатели. Плюхаться в океан уже не нужно. И, в отличие от «Спейс шаттлов», у этого корабля имеется система спасения, так что, если во время старта произойдет что-то непредвиденное, экипаж катапультируется. (На «Челленджере» не было системы катапультирования, и семеро астронавтов во время неудачного запуска погибли.)
Компания Blue Origin не объявляла еще цен на свое суборбитальное путешествие, но аналитики считают, что первое время билет мог бы стоить $200 000. Именно такова цена путешествия на конкурирующей суборбитальной ракете, которую разрабатывает Ричард Брэнсон – еще один миллиардер, оставивший свой след в анналах космических исследований. Брэнсон – основатель компаний Virgin Atlantic Airways и Virgin Galactic – финансирует работу аэрокосмического инженера Берта Рутана. В 2004 г. корабль Рутана SpaceShipOne попал в заголовки мировых СМИ, когда выиграл Ansari X Prize и получил оговоренный приз в $10 млн. SpaceShipOne сумел подняться до границы атмосферы (около 112,5 км) над поверхностью Земли. И хотя SpaceShipTwo в 2014 г. потерпел катастрофу во время полета над пустыней Мохаве, Брэнсон планирует продолжать испытания ракеты и сделать космический туризм реальностью. Время покажет, какая из этих ракетных систем добьется коммерческого успеха, однако ясно, что космический туризм уже здесь и никуда теперь не денется.
Безос готовит еще одну ракету, которая будет отправлять людей на орбиту Земли и, возможно, окажется более полезной с практической точки зрения. Это ракета «Нью Гленн» (New Glenn, названная в честь астронавта Джона Гленна – первого американского астронавта, облетевшего земной шар). Ракета будет иметь до трех ступеней, высота ее составит 95 м, а тяга, которую она будет создавать, достигнет 1700 т. Хотя «Нью Гленн» еще только проектируется, Безос, судя по его намекам, готовит еще более продвинутую ракету, которую собирается назвать «Нью Армстронг» (New Armstrong); не исключено, что она покинет орбиту Земли и доберется до Луны.
Еще ребенком Безос мечтал отправиться в дальний космос с экипажем корабля Enterprise из «Звездного пути». Он принимал участие в ролевых играх по сюжету телесериала и брал на себя роли Спока, капитана Кирка и даже компьютера. К окончанию школы, когда большинство подростков мечтают купить первую машину или произвести фурор на выпускном вечере, Безос составил себе план-мечту на следующее столетие. Он говорит, что хотел строить космические гостиницы, парки развлечений, яхты и колонии для двух-трех миллионов человек, живущих и работающих на околоземной орбите.
«Главная идея – сохранить Землю… Цель – получить возможность эвакуировать людей. Планета должна стать парком», – писал Безос[11]. По его мнению, загрязняющее земную среду промышленное производство можно было бы, в принципе, перенести в космос.
Подкрепляя слова делами, как и надлежит взрослому ответственному человеку, Безос основал компанию Blue Origin, чтобы строить ракеты будущего. Название его ракетной компании отсылает к нашей планете, которая из космоса выглядит как яркий голубой шар. Цель компании – «начать космические путешествия для частных клиентов. Концепция предельно проста, – говорит Безос. – Мы хотим видеть миллионы людей, живущих и работающих в космосе. Скорее всего, реализация нашей цели займет длительное время, но мне кажется, что это достойная цель».
В 2017 г. Безос объявил, что в ближайших планах Blue Origin – организация системы доставки грузов на Луну. Он представляет себе масштабную организацию, которая, в точности как Amazon, одним нажатием кнопки рассылающая товары в разные концы света, могла бы доставлять технику, строительные материалы и все необходимое на Луну. И тогда Луна станет уже не одиноким форпостом землян в космосе, а оживленным промышленным и торговым центром с постоянными обитаемыми базами и налаженным производством.
В большинстве случаев отвлеченные разговоры о городах на Луне можно смело отбрасывать как бредни чудака. Но, когда эти идеи исходят от одного из богатейших людей на Земле, имеющего возможность влиять и на президента, и на конгресс, и на редакторов The Washington Post, их стоит воспринимать серьезно.
Постоянная лунная база
Чтобы найти инвесторов для этих амбициозных проектов, астрономы изучают технические и экономические аспекты добычи полезных ископаемых на Луне. Пока выявлены по крайней мере три ресурса, которые потенциально могут быть интересны.
В 1990-е гг. ученые были впечатлены неожиданным открытием: оказалось, что на Южном полюсе Луны имеется лед в больших количествах[12]. Там, в тени высоких горных цепей и кратеров, стоит вечная тьма и температура не поднимается выше точки замерзания. Происхождение этого льда связано, вероятно, с попаданием в Луну комет в ранний период существования Солнечной системы. Кометы состоят в основном изо льда, пыли и камня, так что любая комета, столкнувшаяся с Луной в одном из затененных мест, должна была оставить после себя залежи воды и льда. Воду, в свою очередь, можно превратить в кислород и водород (которые, так уж совпало, являются основными компонентами ракетного топлива). Это обстоятельство могло бы сделать Луну космической заправочной станцией. Кроме того, воду можно очистить и использовать для питья или для создания небольших сельскохозяйственных ферм.
Между прочим, группа предпринимателей из Кремниевой долины создала компанию Moon Express, цель которой – начать процесс разработки лунного льда. Это первая компания, получившая от правительства разрешение на подобную коммерческую деятельность. Правда, предварительная задача Moon Express выглядит скромнее. Компания начнет с того, что доставит на Луну беспилотный вездеход, который займется систематическим поиском залежей льда. Moon Express уже собрала достаточно денег частных инвесторов для выполнения этой задачи. А если с финансированием все хорошо, значит, процесс пошел.
Ученые изучили лунный грунт, доставленный астронавтами в ходе программы «Аполлон», и считают, что на спутнике Земли, возможно, имеются и другие экономически значимые элементы. Для электронной промышленности необходимы редкоземельные элементы, но на Земле их запасы находятся в основном в Китае. Притом что Китаю принадлежит около 30 % всех мировых запасов, там производят до 97 % всего их количества, которое поступает на рынок. Несколько лет назад чуть не вспыхнула международная торговая война, когда китайские поставщики вдруг подняли цены и мир внезапно осознал, что Китай обладает чуть ли не монополией на этот ресурс. Согласно оценкам, в ближайшие десятилетия запасы начнут истощаться и перед нами встанет насущная задача поиска альтернативных источников. Редкоземельные элементы обнаружены в лунных породах, так что, возможно, когда-нибудь добывать их на Луне станет выгодно. Еще один важный элемент для электронной промышленности – платина: доказано наличие на Луне платиноподобных минералов, принесенных туда, возможно, древними астероидами.
Наконец, существует возможность найти на Луне гелий-3, который очень пригодился бы нам в термоядерных реакторах. Когда атомы водорода объединяются при чрезвычайно высоких температурах, ядра водорода сливаются, образуя ядра гелия и выделяя большое количество энергии и тепла. Однако этот процесс порождает также огромное количество нейтронов, которые представляют опасность. Преимущество процесса синтеза с участием гелия-3 заключается в том, что в нем вместо нейтронов высвобождается дополнительный протон, с которым проще иметь дело и который отклоняется электромагнитными полями. Реакторы термоядерного синтеза все еще находятся исключительно на экспериментальной стадии, и до сих пор на Земле не работает ни один такой реактор. Но если их разработка будет успешно завершена, то в будущем можно было бы добывать на Луне гелий-3 и снабжать этим топливом термоядерные реакторы.
В связи с этим возникает тонкий вопрос: а законно ли добывать на Луне полезные ископаемые? Можно ли там хотя бы застолбить участок?
В 1967 г. Соединенные Штаты, Советский Союз и многие другие страны подписали Договор о космосе, который запрещал отдельным государствам объявлять своими небесные тела, такие как Луна. Он запрещал доставлять ядерное оружие на орбиту Земли, размещать его на Луне и где угодно еще в космосе. Испытание таких вооружений также было запрещено. Договор о космосе – первый и единственный в своем роде – действует по сей день.
Однако в этом договоре ничего не говорится о частном владении территориями или об использовании Луны в коммерческих целях – вероятно, потому, что его авторы не предполагали, что частные лица когда-либо смогут достичь Луны. Однако уже скоро с этими вопросами так или иначе придется разбираться, особенно теперь, когда стоимость космических путешествий падает, а миллиардеры хотят коммерциализировать космос.
Китайцы объявили, что к 2025 г. доставят своих астронавтов на Луну[13]. Если они просто воткнут в лунный грунт свой национальный флаг, это будет по большей части символический жест. Но что произойдет, если некий частный предприниматель, добравшись до Луны на собственном частном космическом корабле, застолбит там участок?
Когда эти технические и политические вопросы будут решены, перед нами встанет новый вопрос: какой будет реальная жизнь на Луне?
Жизнь на Луне
Во времена первой лунной программы американские астронавты оставались на Луне очень недолго, как правило, несколько дней. Чтобы создать первые населенные форпосты, астронавтам будущего придется находиться на спутнике Земли продолжительное время. Им потребуется приспосабливаться к лунным условиям, которые, как вы понимаете, сильно отличаются от земных.
Одним из факторов, ограничивающих время пребывания астронавтов на Луне, является доступность пищи, воды и воздуха[14]. Припасов, которые они смогут привезти с Земли, хватит в лучшем случае на несколько недель. Вначале все это придется доставлять на Луну кораблями с Земли. Для снабжения станции автоматические лунные зонды с Земли придется отправлять каждые несколько недель. Эти поставки станут для астронавтов своеобразной линией жизни, и любой инцидент с их участием будет порождать чрезвычайную ситуацию. Когда лунная база, хотя бы временная, будет построена, одной из первых задач для астронавтов станет налаживание производства кислорода для дыхания и для выращивания урожая. Существует множество химических реакций, в ходе которых выделяется кислород, а присутствие воды гарантирует, что у них всегда будет некоторый запас. Эту же воду можно будет использовать в гидропонных огородах.
К счастью, связь с Землей не будет представлять особой проблемы, поскольку радиосигналу с Луны требуется чуть больше секунды, чтобы преодолеть расстояние до Земли. Если не обращать внимания на небольшую задержку, то астронавты смогут пользоваться своими сотовыми телефонами и интернетом ровно так же, как они это делают на Земле. Так что они смогут поддерживать постоянный контакт с близкими и получать последние новости.
Первоначально астронавтам придется жить в своей космической капсуле. Выйдя наружу, они первым делом должны будут установить большие солнечные панели, чтобы собирать энергию. Поскольку один лунный день примерно соответствует земному месяцу, в любом месте на Луне две недели непрерывно светит Солнце, а затем на две недели опускается тьма. Поэтому потребуются большие комплексы аккумуляторов, в которых можно будет запасать электроэнергию, собранную на протяжении двухнедельного «дня», чтобы затем использовать ее в течение долгой «ночи».
Оказавшись на Луне, астронавты, возможно, захотят добраться до ее полюсов, и тому есть несколько причин. В полярных регионах спутника высятся горные пики и никогда не заходит Солнце. Расположив там солнечные фермы с тысячами солнечных панелей, можно обеспечить надежное и бесперебойное снабжение лунной колонии энергией. Возможно, астронавты сумеют также использовать залежи льда в тени крупных горных цепей и кратеров на полюсах. По оценкам, запасы льда в северной полярной области Луны составляют 600 млн т и представляют собой слой в несколько метров толщиной. Как только удастся наладить его добычу, значительную часть льда можно будет собрать и очистить для пищевых целей, а также в качестве источника кислорода. Можно также использовать лунный грунт – реголит, в котором содержится на удивление много кислорода. Если быть более точным, то на каждую тонну реголита приходится около 100 кг кислорода.
На Луне астронавтам придется приспособиться к низкой гравитации. По теории всемирного тяготения Ньютона, сила тяготения на планете пропорциональна ее массе, так что на Луне сила тяготения вшестеро меньше, чем на Земле.
Это означает, что передвигать тяжелую технику на Луне будет намного проще, чем на Земле. И скорость убегания для Луны намного ниже, так что ракеты смогут и садиться на Луну, и взлетать с нее без особого труда. В будущем весьма вероятно возникновение оживленного лунного космического порта.
Но нашим астронавтам придется заново разучивать простые движения и заново, к примеру, учиться ходить. Астронавты «Аполлона» на собственном опыте убедились, что ходьба по Луне – непростое занятие и без привычки получается плохо. Они выяснили, что из-за низкого тяготения самый быстрый способ передвижения на Луне – прыжки, и контролировать свое передвижение при этом заметно проще.
Еще один фактор, с которым придется считаться, – это радиация. Для экспедиций длительностью в несколько суток она не представляет серьезной проблемы. Но если астронавты будут жить на Луне месяцами, то суммарная накопленная доза радиации сможет заметно повысить для них риск заболевания раком. (Простые медицинские проблемы на Луне легко могут обернуться смертельно опасными ситуациями. Всем астронавтам придется учиться оказанию первой помощи, а некоторые из них, вероятно, будут дипломированными врачами. Если у астронавта на Луне случится, к примеру, сердечный приступ или приступ аппендицита, врач, скорее всего, организует телеконференцию со специалистами на Земле и те, возможно, дистанционно проведут хирургическую операцию. Вероятно, для различных микрохирургических операций можно будет использовать роботов, управлять которыми станут квалифицированные специалисты на Земле.) Астронавтам понадобятся ежедневные «прогнозы погоды» от астрономов, отслеживающих солнечную активность. Вместо гроз и ураганов в этих прогнозах будут содержаться предупреждения о мощных солнечных вспышках, посылающих в пространство выбросы радиации. Если на Солнце произойдет гигантский выброс, астронавты получат команду спрятаться в убежище. После такого предупреждения у них будет несколько часов, прежде чем на базу обрушится смертельный дождь заряженных элементарных частиц.
Один из способов защититься от радиации на Луне – вырыть подземную базу в одной из лунных лавовых трубок. Среди этих остатков древних вулканов встречаются огромные – до 300 м в поперечнике; они способны обеспечить достаточную защиту от радиации со стороны Солнца и открытого космоса.
Когда астронавты возведут временное убежище, с Земли придется переправить на Луну большое количество техники и материалов, чтобы начать строительство постоянной базы. Возможно, этот процесс можно будет ускорить, если доставлять на Луну готовые сборные или надувные секции. (В фильме Стэнли Кубрика «2001 год: Космическая одиссея» астронавты живут на громадных подземных лунных базах, оборудованных посадочными площадками для ракет и служащих штаб-квартирой для координации горнорудных операций на Луне. Возможно, первая наша лунная штаб-квартира будет не настолько совершенной, но и вариант, показанный в фильме, вполне может быть реализован через некоторое время.)
При строительстве таких подземных баз неизбежно потребуются мощности для производства и ремонта запчастей машин. Хотя сами машины, бульдозеры, краны и другую технику придется доставлять с Земли, часть деталей можно производить на месте на 3D-принтерах.
В идеале на Луне следовало бы организовать мастерские по обработке металла. Домну там построить невозможно, поскольку нет воздуха для ее работы. Однако эксперименты показывают, что лунный реголит можно разогревать при помощи микроволн, плавить и спекать в твердые, как камень, керамические кирпичи, которые могут стать основным строительным материалом для лунной базы. В принципе, всю инфраструктуру можно строить из реголита, который будет прямо под ногами.
