Собравшись в общей комнате, скорбящие прощаются с телом геолога-первооткрывателя, умершего от аневризмы головного мозга. Мемориальная служба на марсианской базе чествует своего товарища-колониста, но также отмечает важную веху для человечества: 9 июня 2034 года она стала первым человеком, умершим естественной смертью на Марсе.
После церемонии прощания, пока скорбящие направляются в общественную рощу, которая служит безгробным кладбищем, пара техников раздевает тело и переносит его в комнату, окруженную контейнерами из нержавеющей стали. Это перевариватели тканей. Техники переносят тело в пустую капсулу и закрывают крышку. Вскоре он наполняется водой с добавлением гидроксида калия — едкой основы. Затем капсулу нагревают до 150°С и создают мощное давление.
Примерно через 12 часов щелочного гидролиза в скороварке контейнер осушается с автоматическим свистом, оставляя только кости. Бульон подается в анаэробный варочный котел колонии, где микроорганизмы расщепляют биоразлагаемые отходы для производства метана, который будет использоваться в качестве топлива для космических кораблей и других транспортных средств. Оставшаяся жидкость становится удобрением вместе с костями, которые высушиваются при нагревании и измельчаются в порошок, богатый азотом и минералами.
Азот является ключевым компонентом хлорофилла, что делает его ценным дополнением к удобрению, используемому для выращивания марсианских культур. Любые оставшиеся твердые вещества переносятся в ящики для компоста, чтобы в конечном итоге сформировать строительные материалы, такие как стены, доски для настила и древесностружечные плиты. Каждая молекула используется повторно. На Марсе нет свалок. Умереть на Марсе означает жить на Марсе.
Инженеры сегодня разрабатывают решения, которые завтра могут привести к марсианским похоронам. И первые люди могут приземлиться уже в 2029 году, если SpaceX сможет сохранить свои амбициозные сроки по заселению Марса.
Основатель SpaceX Илон Маск на конференции в сентябре 2020 года заявил:
Это очень тяжелое, опасное и трудное дело, не для слабонервных. Есть большая вероятность, что вы умрете. Это будет непросто, но если все получится, будет очень славно.
Чтобы все "сработало" на Марсе, потребуется разработать поколение нового оборудования, космических кораблей, посадочных модулей и инфраструктуры для доставки и поддержки постоянных жителей чужого мира. С того момента, как космический корабль покинет Землю, каждый шаг колонизации будет определяться инженерными решениями, призванными позволить поселенцам жить полноценной жизнью на Марсе.
Но написанный в начале короткий рассказ — это очень поздний сценарий, ведь опасностей перед колонистами будет стоять великое множество. Давайте пройдемся по ним подробно.
Опасное путешествие
Каждый иллюминатор — символ упрямства, человеческого неповиновения и биоцентризма. Это также признак психологической слабости человека. Глядя на что-то, что угодно, за пределами переборок космического корабля, это долгожданное облегчение как для ума, так и для глаз. Программа NASA по исследованию человека оценивает "изоляцию и заключение" как одну из ключевых угроз для здоровья человека во время длительного космического полета. Для того, чтобы добраться до Марса, нужно совершить путешествие протяженностью шесть месяцев на, вероятно, тесном, судне.
Пассажиры заняты ежедневными физическими упражнениями, работой и медицинскими осмотрами, и все это предназначено для поддержания себя и своих спутников в физической и умственной форме. Человеческое тело создано вокруг гравитации. По сути, это резервуар с жидкостью под давлением, и гравитация притягивает эту жидкость к нашим ногам. Но в космосе эта жидкость свободно течет в верхнюю часть тела, повышая артериальное давление в черепе настолько, что голова распухает, ухудшается зрение и снижаются когнитивные способности.
Наземные врачи борются с дисбалансом давления с помощью камер с отрицательным давлением в нижней части тела (LBNP), которые направляют жидкость тела к ногам. Космонавты привязывали себя к подобным машинам в конце 1970-х годов, чтобы подготовиться к приземлению с высокой перегрузкой.
Обновленная версия LBNP вскоре может вернуться в космос. В декабре 2019 года Алан Харгенс, доктор философии, космический физиолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего, опубликовал в журнале Aerospace Medicine and Human Performance статью, в которой описал свою конструкцию мобильного костюма LBNP.
Но изоляция и давление — только верхушка айсберга. Путешествие на Марс подвергнет путешественников (и их электронное оборудование) воздействию космического излучения от шести до девяти месяцев, если они не защищены. Средняя годовая доза космического излучения на Земле составляет 0,33 миллизиверта (мЗв), а медицинский компьютерный томограф выдает от 2 до 10 мЗв радиации за одно сканирование. Марсоход Curiosity включил детектор радиации во время полета на Марс и измерил в среднем 1,8 мЗв в день. Используя эти данные, Юго-Западный исследовательский институт подсчитал, что путешествие на Марс подвергнет путешественников колоссальным дозам 330 мЗв. Одна тысяча мЗв увеличивает риск смертельного рака на 5 процентов. Лимит NASA для астронавтов сегодня составляет 3 процента. Любой космический корабль, направляющийся к Красной планете, должен иметь надежные радиационные экраны, и исследователи разрабатывают новые подходы.
Легкая защита. Основным препятствием для защиты космического корабля от радиации является вес, но достижения в области материаловедения сделали физический щит более привлекательным. Например, исследование 2020 года показало, что редко используемый силиконовый полимер пергидрополисилаксан является хорошим поглотителем рентгеновских лучей, гамма-излучения и нейтронов. Другое исследование NASA 2020 года показало, что смешивание окисленного металлического порошка (ржавчины) с полимером, а затем включение его в обычно используемые покрытия помогает отталкивать заряженные частицы при минимальном увеличении веса.
Заряженная сеть. Элегантное решение проблемы радиации может быть получено путем развертывания большой легкой тонкой структуры, которая заряжена до высокого отрицательного напряжения, чтобы отталкивать все входящие положительно заряженные ионы. Этот электростатический щит защищает от протонных бурь, вызванных взрывами Солнца, называемыми выбросами корональной массы, и может быть развернут только во время этих событий, в то время как корабль полагается на другую систему для повседневной защиты.
Магнитный пузырь. Если магнитное поле защищает Землю от космической радиации, почему бы не взять его с собой в путешествие на Марс? NASA спонсировало годы исследований этой технологии. Наиболее многообещающая конструкция под названием "Магнитосферный диполярный тор" (MDT) оснащена огромным сверхпроводящим кольцевым магнитом, создающим магнитное поле для отражения большинства форм космического излучения. Компенсационная катушка с противоположно движущимся током отклоняет поле от самого корабля. Текущие исследования NASA направлены на создание небольшого прототипа MDT для испытаний.
Выжить при приземлении
Посадка на Марс, как известно, трудна. Атмосфера в 100 раз менее плотная, чем земная, поверхность часто покрыта пылью, а местность усеяна валунами, кратерами и склонами. И, как говорят космические инженеры, у Марса достаточно атмосферы, чтобы сильно мешать, и недостаточно, чтобы быть настолько полезным, как нам бы хотелось.
На протяжении многих лет космические агентства использовали комбинацию защитной обшивки, парашютов для сброса скорости и прыгающих коконов для приземления, чтобы доставлять марсоходы и посадочные модули на поверхность планеты. Прямая импульсная посадка, часто используемая космическим кораблем SpaceX, который в настоящее время строится и испытывается в Южном Техасе, может стать относительно безопасной альтернативой. Точная установка будет иметь жизненно важное значение для создания постоянного присутствия на Марсе, поскольку ракеты-носители должны будут приземляться рядом, а не на инфраструктуре колонии.
К счастью, у людей уже есть впечатляющие межпланетные мишени. 18 февраля 2021 года марсоход Perseverance сфотографировал землю во время прыжка с парашютом через атмосферу и сопоставил увиденное с бортовой картой, составленной марсианским разведывательным орбитальным аппаратом. Эта система позволила марсоходу приземлиться на территории немного больше футбольного поля, что сделало его самой точной посадкой на Марс за всю историю.
Космический корабль также должен обеспечить безопасность места посадки. В октябре 2020 года Blue Origin запустила капсулу с инопланетным посадочным устройством нового поколения NASA, Safe and Precise Landing-Integrated Capabilities Evolution (SPLICE). В шести километрах над зарослями западного Техаса SPLICE снял и сравнил 3D-изображения с картой, а затем автоматически отрегулировал спускаемый аппарат так, чтобы он оставался на цели, и подтвердил, что на местности нет препятствий.
К радости поклонников научной фантастики 1950-х, тормозные ракеты стали предпочтительным методом посадки космических кораблей. Но на Марсе эти шлейфы оставят глубокие борозды внизу, именно там, где должен приземлиться посадочный модуль. В сотрудничестве с отделом инновационных передовых концепций NASA компания Masten (теперь часть Astrobotic) разработала возможное решение под названием Instant Landing Pad, которое добавляет плоскую поверхность к кратеру по требованию.
Как это происходит:
- В нескольких сотнях метров над поверхностью Марса завис посадочный модуль.
- Алюминиевые гранулы подаются в выхлопное сопло двигателя, где частично расплавляются, и выбрасываются на поверхность.
- Гранулы образуют слой на поверхности места приземления, который почти сразу затвердевает в оболочку толщиной два сантиметра.
- После развертывания спрея в течение 15 секунд до пяти раз посадочный модуль садится на чистую, устойчивую поверхность под действием своих основных двигателей.
Опасности поверхности Марса
Солнечные вспышки превращают фоновое излучение на поверхности Марса еще более опасным. По этой причине первые марсиане, скорее всего, будут жить в подземных бункерах. По словам ученых, нужно будет принять меры предосторожности, например, положить метр или два земли поверх поселений. Вода также может обеспечить защиту, поэтому можно строить места обитания, покрытые резервуарами для воды.
Из двух вариантов использование грязи имеет больше смысла. Хотя молекулы водорода являются эффективными блокаторами излучения, в воде они распространяются. По этой причине требуется около 4 метров воды, чтобы снизить проникновение гамма-излучения до безопасного уровня, в отличие от всего нескольких сантиметров марсианского грунта в мешке или запеченных кирпичах.
Обнаружение приближающихся солнечных бурь так же важно для спасения жизней, как и система предупреждения о торнадо на Земле. Большой выброс может принести дозу радиации, которая может убить в течение нескольких минут, а накопление радиации от множества небольших штормов может вызвать долгосрочные проблемы со здоровьем, включая рак. Местные марсианские прогнозы космической погоды требуют, чтобы их собственные спутники и наземные станции работали вместе, одна из которых измеряла частицы, сталкивающиеся с планетой, а другая определяла, сколько частиц достигает поверхности и как быстро они перемещаются. Чем выше скорость, тем больше урон. Во время сильного шторма марсиане могли укрыться в подземных камерах, защищенных толстым слоем грязи или воды.
Атмосфера состоит из непригодного для дыхания 95-процентного углекислого газа. Температура колеблится между 21°С и -93°С. К счастью, колонистам будет гарантирован горячий душ. В отличие от Земли, здесь не обсуждают энергетическую политику: NASA, SpaceX и Китайское национальное космическое управление признают, что только ядерная энергетика надежна и достаточно эффективна для зарождающейся марсианской колонии.
Разница температур по всей планете вызывает огромные системы низкого давления и полярные фронты, что приводит к сезонным ураганам. Тонкая атмосфера Марса лишает ветер реальной силы даже на ураганных скоростях. Но мелкие поверхностные частицы, кружащиеся в этих порывах, создают пыльные бури, которые могут окутать большую часть планеты. Эта пыль опасна не только тем, что закрывает обзор и засоряет механизмы. Марсоходы и спутники обнаружили на поверхности Марса концентрации токсичных перхлоратов — соли, настолько реакционноспособной, что ее используют на Земле для производства ракетного топлива, — которые могут быть унесены ветром.
К тому времени, когда люди достигнут Марса, погода станет менее загадочной. Новейший марсоход NASA Perseverance прибыл в 2021 году с набором датчиков погоды под названием Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA) для регистрации изменений уровня пыли, скорости ветра, атмосферного давления, относительной влажности, температуры воздуха, температуры земли и радиации.
Несмотря на флот бесстрашных зондов NASA, имеется мало полезной информации, чтобы судить о рисках другой инопланетной особенности: гравитация на Марсе составляет около 38% от земной. Исследования показали, что микрогравитация может изменить форму мозга, мышц, кишечника и отдельных клеток сердца. Может скрываться еще более странный эффект, поскольку исследователи в 2020 году обнаружили закономерности изменений в геномах червей-нематод, побывавших в космосе. Эти генетические изменения включали уменьшение толщины толстых мышечных волокон, что может помочь объяснить, почему астронавты теряют мышечную массу в космосе. Структура цитоскелета червей также стала короче и толще, чем у червей, которые не летали в космос.
Через несколько лет после их прибытия подземные сооружения, в которых впервые жили марсиане, были заменены отдельно стоящими жилищами, которые выглядят так, как будто их построили гигантские осы.
Роботизированные руки напечатают красно-коричневые марсианские жилища, нанося влажный строительный материал — смесь армированных базальтовых волокон и полимолочной кислоты, полученную из биореакторов, работающих на отходах, — быстро затвердевающими слоями. Цилиндры — идеальная форма для сосуда под давлением, потому что их изогнутые поверхности могут выдерживать более высокие нагрузки. Они также обеспечивают наибольшее внутреннее пространство. Каждое из зданий, защищенных от непогоды и соединенных между собой подземными туннелями, разделено на этажи с комфортными по площади помещениями.
Каждая конструкция имеет двойной корпус из термопластичного материала. Пространство между внутренней и внешней стенами служит световым колодцем, пропуская естественные лучи от верхушки конструкции на другие этажи через окна во внутренних стенах. Прозрачная, наполненная водой крыша заливает тренажерный зал мягким солнечным светом. Цель — построить на поверхности Марса не утилитарную подводную лодку, а удобный дом.
Конец пути — начало производства
Авангард автоматизированной марсианской рабочей силы формируется уже сегодня. NASA уже десять лет проводит ежегодные соревнования роботов-горняков в Космическом центре Кеннеди, что привело к множеству возможных схем. В прошлом разработка была сосредоточена на одиночных сверхмощных автономных горнодобывающих роботах. Текущая ведущая концепция — это парк небольших роботов, каждый из которых предназначен для передвижения на гусеничных колесах и извлечения небольших порций льда. Преимущество роя в том, что некоторые могут сломаться, а живительная добыча продолжится.
Компания Masten Space Systems в какой-то момент предложила подход с большим объемом, который будет улавливать ледяные выбросы от ракетных взрывов в небольшом куполе. Колонисты могли бы собрать сотни тонн водяного льда за очень короткое время. Небольшой купол в основном создает давление, чтобы вы могли проводить глубокие раскопки, а затем также захватывает любые летучие вещества.
С наличием воздуха и воды следующим шагом будет выращивание пищи в гидропонных установках, подобных тем, что существуют на Земле. Воду нужно будет дезинфицировать перед использованием, а почва требует очистки от известных примесей, таких как соли и перхлораты. Марсианские фермеры также должны будут добавлять питательные вещества в почву.
Исследование, проведенное Центром использования биологической инженерии в космосе (CUBE) в сотрудничестве NASA с несколькими университетами для создания базовой технологии для создания самоподдерживающегося безотходного человеческого поселения на Марсе, раскрывает истинный масштаб проблемы. Исследователи CUBE изучают микробы, которые могут производить питательные вещества из токсичной земли, используя нанотехнологии для увеличения производства сложных молекул в живых клетках и проектируя теплицы, оптимизированные для тесных, ограниченных пространств.
Техники могли бы клонировать клетки животных, чтобы производить мясо, выращенное в лаборатории, в дополнение к веганской диете. Израильский стартап в области пищевых технологий Aleph Farms впервые выращивал мясо в космосе во время эксперимента 2020 года на Международной космической станции. Поедание мяса во время праздников может стать марсианской традицией.
И если по какой-либо причине ракеты замедлят или прекратят доставку, колонистам нужно будет самим делать лекарства, одежду, инструменты, витамины и ракетное топливо. Может помочь аддитивное производство, в котором используются обычные материалы для создания почти бесконечного количества продуктов с помощью одной машины. На МКС есть два финансируемых NASA 3D-принтера, которые штампуют детали с 2014 и 2016 годов. Космический врач может производить определенные лекарства по запросу из запаса основных ингредиентов.
Масштабы этого производства будут ошеломляющими, если колония действительно будет считаться самодостаточной. Илон Маск сказал, что для достижения полной устойчивости необходимо отправить на планету около 1 миллиона человек. Это больше, чем колония или даже город — в этот момент Марс станет самостоятельным политическим образованием.
На данном этапе своего развития меняется понятие технологического риска. Механизм, который поддерживал жизнь человечества, был усовершенствован, но может создать социальные угрозы. Небольшое количество конкретных людей будет контролировать основные элементы жизни: воздух, воду, свет, гидропонные системы. Гражданам космических поселений придется подчинить свои личные свободы чистому требованию способности технологии поддерживать жизнь.
Когда геолог, из начала этого метариала, был на пороге того, чтобы закончить свою жизнь на Марсе, он принял эти личные жертвы, так же как смирившись с переваривателем тканей. Его останки никогда не найдут здесь постоянного пристанища, но его роль ученого-первооткрывателя никогда не будет забыта. Может быть, те, кто остался на Земле в комфортных условиях, не до конца поняли бы, но для него Марс стал больше, чем миссия.