NASA испытывало марсоход Curiosity на гавайском вулканическом ландшафте, так похожем на марсианский. Для проекта лунной пусковой площадки команда проекта PISCES создала в уголке карьера неподалеку от города Хило скульптурную копию участка лунной поверхности, картографированного в ходе миссий «Аполлонов», воспроизведя каждую ее ямку и бугорок. Управляющий проектом Родриго Ромо с помощью робота выровнял территорию и вымостил ее центр подобием лунных кирпичей из базальтового щебня, имитируя миссию, предваряющую заселение Луны человеком.
Бюджет группы PISCES весьма скромен. Команда не строила робота с нуля, а переделала позаимствованный канадский вездеход Argo. Победитель соревнования среди второкурсников назвал робота Helelani — «Небесный путешественник». Вездеход сортировал, выравнивал и утрамбовывал каменную пыль, подготавливая место к строительству посадочной площадки. Робот не автономен, но для фазы мощения команда планировала ввести трехсекундную задержку, которая потребует скоординированного руководства из Хило и из Космического центра имени Кеннеди во Флориде. Когда мы беседовали с робототехниками, они монтировали руку робота для укладки плиток. Плитка производилась вручную силами практикантов.
Попытки приспособить оборудование к его применению в новом качестве сталкиваются с неожиданными затруднениями. Например, для автоматизации процесса изготовления кирпичей потребуется найти способ перемещения лунной пыли в невесомости. Но эта пыль так легка, а грани ее так остры, что она запросто засоряет трубы и причиняет вред механизмам. Даже при земном тяготении она пристает ко дну перевернутого контейнера.
Андерсен также работает с аэрацией материала для производства более легких блоков, измеряет их прочность и даже размышляет о неметаллической арматуре. Он печатал базальтовой пылью на 3D-принтере. Однако сейчас главная трудность заключается в том, чтобы сделать не ломающиеся литейные формы.
Как и на Гавайях, во внешней части Солнечной системы металлические элементы редки. За пределами Пояса астероидов элементы тяжелее кислорода в изобилии не встречаются. Когда планеты формировались из газопылевого облака, более тяжелые элементы сгустились в его более разогретых областях, ближе к Солнцу. Колонистам Титана придется строить все, что только возможно, из легких элементов — пластика и большинства применяемых нами синтетических материалов, а ради металла им придется слетать на Землю или астероид в окрестностях Земли. В системе Сатурна есть силикатная пыль, ее колонисты могли бы добывать для производства компьютерных чипов.
Уже десятилетия назад ученые осознали, что использование космических ресурсов может оказаться ключом к расселению за пределами нашей планеты. Эта область называется утилизацией местных ресурсов (In-Situ Resource Utilization, ISRU). Джерри Сандерс, который возглавляет это направление в NASA, говорит, что для марсианской миссии оно будет ключевым. Простая математика. Взлет с Марса на традиционной химической тяге потребует около 30 000 кг рабочего тела. Доставка каждого килограмма груза на Марс требует запуска примерно 8 кг на низкую околоземную орбиту. Если миссия будет способна произвести ракетное топливо на Марсе, это снизит стартовую нагрузку на Земле на сотни тонн.
Марсоходы и марсианские орбитальные аппараты помогают разобраться в том, какие химические ресурсы позволят производить рабочее тело на месте. «Сбор питьевой воды для астронавтов тоже позволит сэкономить», — говорит Джерри. Из водорода, кислорода и углерода можно производить пластик, которым астронавты смогут напечатать на 3D-принтере что угодно. Переработка вторсырья тоже поможет — измельченный упаковочный материал можно использовать в качестве рабочего тела. Джерри сказал, что даже отходы жизнедеятельности астронавтов могут стать ракетным топливом. «Это замечательный углеводородный ресурс, в нем содержатся водород, кислород и метан», — говорит он.
Станция заправки на Луне упростила бы доступ к Марсу и остальной солнечной системе, ведь благодаря слабому лунному тяготению для взлета с Луны потребуется вшестеро меньше энергии, чем для взлета с Земли. Робот может добывать воду и другие материалы, быть может, с периодическим обслуживанием астронавтами. Однако, как говорит Джерри, бензоколонка на Луне или каком-нибудь астероиде обойдется слишком дорого для разовой марсианской миссии.
Мысль о том, что создавать ресурсные базы в космосе пока рано, вызывает недоумение у Марка Сайкса, специалиста по ISRU и главы Института планетологии (в котором работает Аманда). Марк убежден в том, что строительство инфраструктуры за пределами Земли является единственным способом достичь Марса и более удаленных объектов. Он говорит, что NASA никогда не получит триллион долларов, необходимый на разовую, единичную марсианскую миссию. Но можно начать с работы над внеземными заправками, которые со временем сделают миссии на Марс и к другим пунктам назначения доступными, создав систему поддержки космических полетов, а не прикладывать огромные усилия к отправке горстки людей на другую планету и их возвращению обратно.
Но, как говорит Марк, NASA не делает домашнее задание по ISRU. Он выступал за проведение на МКС эксперимента по переработке в невесомости ресурсов с астероидов или суррогатного материала, чтобы понять, возможно ли это. «Если ответ положительный, если это практически осуществимо, экономически оправданно, то это открывает перед нами двери в Солнечную систему», — утверждает он.
Снижение стоимости запуска на порядки, которое наступает быстрее освоения технологий ISRU, может уменьшить важность добычи топлива в космосе, по крайней мере для марсианской миссии. Но защиту от радиации с Земли не увезешь. На данный момент технология запуска достаточного объема материала попросту невообразима. Кристиан Андерсен говорит, что для эффективной защиты на Луне понадобятся 27 м базальта. Это возможно только при использовании местных материалов. Например, было бы разумно спроектировать базу в лунной лавовой трубке.
Для более долгих путешествий критически важным становится производство питания. Как мы видели выше, долгие путешествия с большой командой требуют неподъемного количества пищи. Но и бесперебойно выращивать достаточный ее объем вряд ли возможно. Ключевой технологией может оказаться повышение эффективности фото-синтеза.
Даже без измененных генов, усиливающих фотосинтез, водоросли значительно превосходят наземные растения в преобразовании энергии в белки, жиры и углеводы. Природные сорта водорослей достигают эффективности преобразования солнечной энергии около 5%, что впятеро выше, чем у посевных культур, и способны неоднократно удваивать свою массу за сутки. Вероятно, эту эффективность можно повысить генетическими модификациями.
Компактный водорослевый реактор из стеклянных труб и стенок с искусственным освещением может быть крайне эффективным. Урожай можно собирать каждые несколько дней. Технологи могут подстраивать выход питательных водорослей, регулируя количество подаваемого азота. Разная подкормка позволит производить жиры, полезные для производства дизельного или ракетного топлива, или сахара и белки, ценные для других производств.
Все это выглядит многообещающе, но в последние годы восторги поутихли. По словам Ника Нейгла, инженера биопроцессов из Национальной лаборатории возобновляемой энергии, остается много нерешенных технических проблем. Проект стоимостью $49 млн, профинансированный в рамках экономической инициативой Обамы в 2010 г., продвинул науку, но и поднял эти проблемы.
