Как победить радиацию при полете на Марс

Марс сейчас как красная тряпка для пилотируемой космонавтики. Для космических сверхдержав запустить на орбиту Марса зонд или, еще лучше, доставить на поверхность планеты марсоход, является делом чести и демонстрацией амбиций.

В то же время первый пилотируемый полет на Красную планету принесет стране, которая сможет его осуществить, огромный нематериальный актив. Эта страна сможет обосновано сказать, что она впереди планеты всей, и что настоящее лидерство за ней.

Но сколь бы ни был сладок этот приз, на пути к нему вырастают огромные препятствия, преодолеть которые пока не может никто в мире. И тут, конечно, дело в том, чтобы путь на Марс не превратился в полет в один конец. Чтобы космонавты смогли вернуться, и не инвалидами, а здоровыми людьми.

Если первая пилотируемая миссия окажется неудачной, если в расчетах и прогнозах ученых и инженеров окажутся неверные выводы о безопасности полета и это приведет к смерти экипажа первой межпланетной миссии, человеческая мечта о космосе, конечно, пострадает.

Главной проблемой, которая мешает осуществить пилотируемый полет на Марс, является радиация, способная за время полета нанести непоправимый вред здоровью космонавтов. В лучшем случае за один полет к Марсу и обратно космонавт получит максимально допустимую дозу облучения, что закроет для него возможность летать в космос на всю оставшуюся жизнь. Второй полет приведет к тяжелым болезням, и не факт, что и первый будет безопасным.

На сегодняшний момент речь не идет о попытках полной защиты экипажа от космического излучения, решается вопрос, как хотя бы уменьшить это воздействие. Бытует мнение, что можно защититься от радиации за более толстым корпусом корабля. Частично это так, однако создать корабль с достаточно толстыми стенами, чтобы закрыть всё излучение — невозможно. Такой корабль получится очень тяжелым, абсолютно неподъемным.

Более того, любая дополнительная защита корабля от радиации увеличивает массу аппарата, а значит, уменьшает его скорость и увеличивает длительность полета. Конечно, нужно применять все возможные способы экранировать экипаж, не увеличивая при этом массу корабля. Но от радиации лучше всего защищает именно масса, отсюда использование плотных металлов вроде свинца. Нельзя наращивать защиту корабля от радиации выше определенного значения, поскольку с какого-то момента скорость корабля упадет на столько, что даже получая меньшую дозу облучения в каждый момент, космонавты в итоге получат больше радиации за счет длительности полета.

Но это было бы еще полбеды, если бы не различная природа космической радиации. Казалось бы, главным источником облучения является Солнце, а далекие звезды не наносят особого вреда космонавтам. Но в реальности всё ровно наоборот. Так называемое галактическое излучение несет гораздо большую опасность, поскольку представляет собой частицы далеких звезд, которые были разогнаны до огромных скоростей при вспышках сверхновых или под действием пульсаров. Эти частицы, встречая препятствие в виде массивной радиационной защиты, вызывают вторичное излучение, которое и несет наибольшую угрозу для экипажа. Чем больше корабль, чем толще его защита, тем больше вреда получит экипаж от жесткого галактического излучения.

Если бы корабль не имел защиты вообще, то галактическое излучение нанесло бы гораздо меньше вреда, поскольку меньшее количество частиц попало бы в космонавтов. Но в таком случае космонавты получат гораздо более тяжелый вред от Солнца. Покорители межпланетного пространства оказываются зажатыми между двух различных источников излучения, без возможности оградиться от воздействия радиации. Если защищаться от солнечной радиации, то пострадаешь от галактической, если свести к минимуму опасность галактического излучения, то пострадаешь от Солнца.

Есть только один по-настоящему эффективный способ уменьшить дозу облучения в течение полета — уменьшить срок пребывания в космосе. Для этого нужно преодолеть расстояние между планетами с большей скоростью, а значит, особое внимание нужно уделить двигателям будущего корабля.

Всё, чем сейчас располагает человечество, — это двигатели на трех принципиально различных схемах. Среди них химические, ядерные и электрические ракетные двигатели. Из названия понятен источник энергии для каждого.

Химический ракетный двигатель

Один из проектов покорения Марса, популярный в медиасфере и раскручиваемый компанией SpaceX, основан на масштабном использовании химических двигателей и попытке разыграть основное их преимущество — огромную мощность. Для водителей должно быть понятно, что мощность — это важный показатель, но для того, чтобы мощность превратилась в скорость, нужна коробка передач.

Какой бы мощной ни была машина, если она не может сменить первую передачу, то ни о какой скорости говорить не приходится. Так вот, в космосе не может быть никаких коробок передач и невероятно мощный химический двигатель хуже всего подходит для разгона в космосе.

Огромная мощность химических двигателей необходима, чтобы преодолеть земное притяжение. Кроме них с этим ничто не может справиться.

Есть известная формула Циолковского. Чем тяжелее корабль, тем больше нужно топлива, чтобы его разогнать. Чем больше у вас топлива, тем тяжелее корабль. Налицо замкнутый круг, выходом из которого является только эффективность каждого килограмма топлива. То есть топливо можно потратить с разным эффектом. Химические двигатели крайне неэффективны, но способны очень быстро тратить топливо, только за счет этого удается преодолеть земное притяжение.

Основываясь на этом качестве, SpaceX предлагает делать сразу большой и тяжелый корабль и отправлять на нем сразу много людей. Чтобы приблизить это к реальности, создаются сложные схемы с использованием воздушного торможения и нескольких дозаправок корабля.

Воздушное торможение нужно для того, чтобы сбросить скорость, которую корабль набрал на старте. Чем больше скорости можно сбросить, тормозя в атмосфере, тем меньше придется тратить топлива для торможения по прибытию на Марс. Но это очень рискованное дело, любая ошибка приведет к катастрофе. Ведь нужно не только мягко приземлиться, а еще и попасть точно в ту точку, где можно дозаправиться.

Космическим аппаратом нельзя управлять, когда он входит в атмосферу на большой скорости и тормозит за счет воздуха. В этот момент он летит как камень, в какой точке он сбросит достаточно скорости, чтобы обрести управляемость, — сказать очень трудно. Чтобы точно прицелиться, нужно провести большое количество испытаний в реальных, марсианских условиях.

Заправка ракеты на поверхности Марса топливом, которое создано автоматическим заводом, является красивой идеей, для воплощения которой потребуется мощный источник энергии для завода. И сам завод должен иметь большую производительность, поскольку на обратный путь нужны тысячи тонн топлива. Вполне возможно, что даже крупного завода на Марсе хватит только на то, чтобы заправить одну ракету раз в два года. Как раз ко времени противостояния Земли и Марса, поскольку в другое время расстояние между планетами увеличивается настолько, что перелет на химическом двигателе становится нереальным.

Также нужно отметить, что противостояния Земли и Марса каждые два года отличаются друг от друга. Примерно один раз в 16 лет происходит великое противостояние, когда расстояние между планетами минимальное. За два года перед этим и спустя два года открываются окна запуска с приемлемыми для химических двигателей условиями. В другое время лететь на Марс на химических двигателях нельзя, потому что длительность полета вырастет в несколько раз, и экипажу потребуется гораздо больше запасов.

Таким образом, для полета на Марс на химическом двигателе открывается только три стартовых окна в течение 16 лет.

Ядерный ракетный двигатель

Ракетные двигатели, которые используют тепловую энергию распадающегося ядерного топлива для нагрева газа до огромных температур и за счет этого создают тягу, имеют эффективность в два с лишним раза выше, чем у химических. Это значит, что для полета потребуется в два раза меньше топлива, а значит, корабль будет в два раза легче и наберет большую скорость.

Всё бы хорошо, если бы не то обстоятельство, что ядерный двигатель имеет строго ограниченный ресурс работы, после которого его необходимо заменить полностью. Активную зону реактора нельзя заменить или дозаправить. Тогда как вполне можно себе представить химический двигатель повышенной надежности, который при регулярных дозаправках отработает дольше ядерного.

Также ядерный двигатель плохо подходит для взлета с поверхности планеты. Во-первых, мощность ниже, а во-вторых, раскаленные газы, которые он выбросит при взлете, будут очень радиоактивны. Поэтому его использование оправдано только на орбите. Для взлета и посадки придется использовать химический двигатель.

Исследовательский центр имени М. В. Келдыша в 2020 году предложил проект экспедиции на Марс с использованием ядерных двигателей. Весь экспедиционный комплекс рассчитан на один полет туда и обратно с поэтапной отстыковкой отработанных частей комплекса. После экспедиции на Землю вернется только спускаемая капсула с космонавтами и немногочисленными образцами с красной планеты. Тогда как в начале пути его масса на орбите Земли составила бы 590 тонн. Для сравнения, МКС имеет массу 417 тонн.

Электрический ракетный двигатель

Электрический ракетный двигатель обладает рядом несомненных преимуществ, которые полностью обуславливают его использование, его технические свойства настолько сильно отличаются от ядерных или химических, что их тяжело даже сравнивать. Дело в том, что эффективность этих двигателей в десятки раз превосходит эффективность химических. Но мощность электрических двигателей в сотни тысяч раз меньше, чем у тех же самых химических двигателей.

С одной стороны, космический корабль на электрических двигателях сможет достичь гораздо большей скорости, а значит добраться не только до Марса, но и до любой точки Солнечной системы значительно быстрее кораблей с другими двигателями. А с другой стороны, ничтожная мощность этих двигателей сделает разгон корабля очень долгим. Там, где химический двигатель сожжет весь запас топлива за несколько минут и резко получит большое ускорение, электрический едва сдвинет ракету с места.

Поэтому на относительно коротких по масштабам Солнечной системы дистанциях полет на электрическом двигателе займет больше времени, чем на химическом или ядерном. Настоящий смысл его использования появляется на огромных дистанциях, которые, в свою очередь, означают длительный перелет, несовместимый со здоровьем космонавтов.

Получается, что для коротких дистанций электрический двигатель плох по причине длительного разгона. А на длинных, для которых он предназначен, нельзя осуществлять пилотируемый полет — только беспилотный.

Резюмируя, на текущий момент более-менее реально только короткое посещение Красной планеты. Как бы ни разрасталась инфраструктура для перелетов на химических двигателях — ее не хватит для создания постоянного поселения на Марсе.

А поскольку обойтись только ядерными двигателями нельзя, и для сообщения между планетами всё равно нужны химические (вместе с фантастическими автономными заводами топлива на Марсе), то и в этом варианте колония на Марсе выглядит невозможной.

Что касается электрических двигателей, то они практически не имеют отношения к полетам на Марс. Пока их мощность не вырастет хотя бы на один порядок, их уделом будут только беспилотные миссии.