В ракетных двигателях, работающих на электричестве, нет ничего нового. Их запускали в космос на протяжении десятилетий, хотя и в гораздо меньших масштабах, чем требуется для полетов с участием человека. Вместо сжигания топлива и окислителя для выброса выхлопных газов из сопла, как это делается в обычной ракете, электрическая тяга использует электрическое поле для ускорения выброса заряженного топлива (ионизированные газы, такие как водород, ксенон или другие) из сопла, которым вместо традиционного металлического может быть магнитное поле, содержащее ионизированный газ. Преимущество такого двигателя заключается в использовании так называемой ракетной формулы, которую специально для космических полетов разработал в 1903 году русский ученый Константин Циолковский. Согласно этой формуле, скорость, с которой может двигаться ракета, напрямую зависит от скорости истечения выхлопных газов. Поскольку ионизированный газ вылетает из сопла в десять раз быстрее, чем обычный ракетный выхлопной газ, космический корабль с электрическим двигателем теоретически может передвигаться намного быстрее. Но есть одна загвоздка…
Вернемся к вопросу об электроэнергии. Чтобы запустить относительно небольшой спутник, вы можете использовать солнечную энергию для выработки электроэнергии, которая приведет в движение небольшой электрический двигатель. Фактически этот метод использовался более чем на 200 спутниках за последние несколько десятилетий. Но людям требуются большие, массивные космические корабли. Чтобы создать полезный электрический двигатель, который действительно смог бы заставить исполинский корабль двигаться со скоростью, необходимой для того, чтобы сократить путешествие на Марс до одного года, нам потребуется ядерный реактор, вырабатывающий около 50 мегаватт энергии. Хотя реакторы такого размера достаточно часто встречаются на Земле, они никогда не создавались для использования в космической отрасли. Пока у нас не будет политической воли для создания подобных АЭС, которые будут работать в космосе, мы будем вынуждены совершать полеты на Марс продолжительностью в три года. С большим количеством последствий, ни одно из которых не будет хорошим.
Запасы. Вам понадобится много еды, белья, воды, резервных компонентов для туалета, если ваша поездка продлится три года. Вам и на один год потребуется много всего, но на путешествие продолжительностью три года – до красной планеты и обратно – нужно будет запасов по меньшей мере в три раза больше. Уже не принимая во внимание, что стоимость в долларах будет более чем в три раза выше, потому что потребуется больше ракет-носителей для запуска с Земли. Вам будет нужен транспортный корабль больших размеров, чтобы доставить вас на Марс и затем обратно. Вам потребуется значительно большее количество необходимого оборудования, несколько дополнительных модулей, чтобы обеспечить 500-дневное пребывание на поверхности красной планеты, что не идет ни в какое сравнение с быстрым с 50-дневным путешествием. Каждый дополнительный килограмм наземного оборудования и материалов увеличит спрос на очень дорогие посадочные аппараты, которые также необходимо запускать с Земли, для этого потребуется гораздо больше дорогостоящих ракет. И так далее. Добавление двух лет к миссии – это не линейное увеличение стоимости: это увеличение стоимости полета по экспоненте.
Одна из самых точных цитат из фильма «Парни что надо»: «Нет денег – нет Бака Роджерса». Первые астронавты программы «Меркурий» постигли фундаментальную истину космических полетов, возможно, даже более важную, чем ракетная формула Циолковского. Настоящее топливо, которое запускает ракеты в космос, – это деньги. Итак, давайте поговорим о стоимости трехлетней миссии с использованием традиционных ракет. Ракета большой грузоподъемности, которую предпочитает НАСА, известна под очень привлекательной аббревиатурой SLS (Space Launch System – система космического запуска). Однако некоторые предпочитают расшифровывать ее по-другому (Senate Launch System – сенатская система запуска), но об этом я расскажу позднее. Начиная с 2005 года, мы тратим примерно два миллиарда долларов в год на эту ракету, которая получила название Ares V. Когда она в конце концов взлетит, что произойдет в 2022 или 2023 году, примерная стоимость каждого запуска будет составлять один миллиард долларов. Забудем обо всех затратах на ее создание, они уже преданы забвению. Разработчики этой миссии в НАСА сказали, что для одного трехлетнего полета на Марс потребуется по меньшей мере семь запусков SLS. Но подождите, это еще не все! Предполагается, что запуск SLS будет осуществляться один раз в год. Поэтому, если эта оценка верна, то потребуются семь запусков SLS для того, чтобы обеспечить одну миссию с экипажем. Тогда предположим, что количество запусков в год может быть удвоено, а это приведет к увеличению расходов. Это значит, что потребуется по меньшей мере три с половиной года только для того, чтобы построить на околоземной орбите космический корабль, который потом отправится на Марс. Стоимость запусков составит как минимум семь миллиардов долларов, и к этому стоит прибавить стоимость посадочных модулей, модулей для других целей, скафандров и оборудования, а также заработную плату персонала управления полетами и астронавтов (мечтать не вредно). Поскольку в нашей стране ежегодный дефицит составляет триллион долларов, я боюсь, что у нашего обремененного долгами правительства не будет неограниченных ресурсов на освоение космоса человеком в ближайшем будущем. Нам нужно найти более быстрый и менее дорогой способ.
На горизонте есть несколько других ракет большой грузоподъемности. Корпорация SpaceX Илона Маска несколько раз доставляла ракету Falcon Heavy; недавно он отправил на МКС свой первый живой экипаж после знаменитого запуска «звездного человека» на его Тесле в направлении Марса. SpaceX также разрабатывает гораздо более крупную ракету, которая первоначально была названа «BFR» (Big Falcon Rocket или Big F *! ng Rocket, в зависимости от того, кому вы зададите вопрос), но недавно она была переименована в Starship с ракетой-носителем первой ступени под названием Super Heavy. Blue Origin Джеффа Безоса все еще разрабатывает New Armstrong, еще одну огромную и мощную ракету. Все это обещает подъемную силу, приближающуюся к той, которой обладает SLS, но за гораздо меньшие деньги, практически в два раза меньше. Посмотрим, действительно ли они полетят; очень легко давать обещания в ракетно-космическом бизнесе, но доставить грузы до места назначения – совсем другое дело. Есть еще несколько подъемных устройств средней мощности, такие как Falcon 9 Илона Маска и New Glenn Джеффа Безоса, а также Vulcan компании United Launch Alliance и OmegA компании Northrop Grumman. Миссия на Марс, вероятно, будет включать серию запусков с использованием разных ракет, чтобы иметь возможность менее чем за год собрать межорбитальный транспортный корабль для полета. Тогда будет осуществлен запуск экипажа, стыковка, и затем он отправится к красной планете.
Если оставить в стороне опасения, связанные с запуском, я считаю, что нам нужно решить две большие проблемы, а именно: найти способ преуменьшить воздействие радиации на экипаж и снизить вероятность отказов оборудования. Разрешить эти проблемы поможет снижение сроков миссии до одного года. Космический корабль с ядерной установкой будет разгоняться в первой половине полета с очень медленной, но постоянной скоростью. Затем космический корабль выполнит разворот и начнет замедляться во второй половине полета. Чтобы помочь кораблю замедлиться, когда он прибудет на Марс, будет использован теплозащитный экран, затем включится тормозящее действие атмосферы. Потом на орбите останется транспортный модуль, а экипаж начнет спуск на поверхность Марса, где останется на месяц или около того. Астронавты спустятся к модулю, ожидающему их на поверхности Марса. Поскольку они будут спускаться на беспилотном аппарате, загодя подготовленные запасы можно отправить заранее более медленной ракетой, что сэкономит затраты на запуск и ядерные двигательные установки в космосе. Каждый последующий экипаж будет оставлять модуль после своего пребывания на Марсе, тем самым постепенно увеличивая присутствие человека на этой планете примерно таким же образом, как происходило строительство МКС, по частям. Экипаж вернется на Землю в том же самом транспортном модуле, который доставил его к Марсу, он снова воспользуется теплозащитным экраном, возвращаясь домой.
