13 самых больших проблем в исследовании космоса

Космос, как известно, не самая гостеприимная среда. В этой статье вы узнаете самые большие проблемы космоса, которые стоят на пути его освоения.

Зародившись в Африке, более чем тысячи лет наши предки распространялись по всему континенту и затем покинули его. Когда они добрались до моря, они построили лодки и пересекли под парусом огромные расстояния до островов, о существовании которых они возможно и не знали. Почему?

Вероятно, по той же самой причине, почему мы смотрим на Луну и звезды и говорим: «Что происходит там? Мы могли туда добраться? Возможно, мы могли бы туда полететь.»

Космос, конечно, более враждебен к человеческой жизни, чем поверхность моря. Возможность избежать гравитацию Земли влечет за собой намного больше работы и расходов, чем отчаливать на лодке от берега. Но тогда лодки были передовой технологией своего времени. Путешественники тщательно планировали свои опасные поездки, и многие из них умерли, пытаясь узнать то, что было за горизонтом.

Покорение космоса с целью поиска новой среды обитания — это грандиозный, опасный, и, быть может, невозможный проект. Но это никогда не останавливало людей от попытки.

Если объект над поверхностью Земли хочет летать свободно, он должен буквально выстрелить вверх со скоростью, превышающей 43 000 км в час. Это влечет большие денежные затраты.

Например, чтобы запустить марсоход «Любопытство» на Марс, потребовалось почти $200 миллионов. А если говорить о миссии с членами экипажа, то сумма значительно увеличится.

Сэкономить деньги поможет многоразовое использование летающих кораблей. Ракеты Spacex Falcon 9 например, разрабатывались для многоразового использования, и как нам известно, уже есть попытки удачного приземления.

Лететь сквозь космос легко. Это — вакуум, в конце концов; ничто не замедляет вас. Но при старте ракеты возникают сложности. Чем больше масса объекта, тем больше силы нужно, чтобы переместить его. А ракеты имеют огромную массу.

Химическое ракетное топливо отлично подходит для первоначального ускорения, но драгоценный керосин сгорает за считанные минуты. Импульсное ускорение позволит долететь до Юпитера за 5-7 лет. Это чертовски долго. Нам нужен радикальный новый метод для развития скорости полета.

Поздравляем! Вы успешно запустили ракету на орбиту. Но прежде чем вы вырветесь в космос, обломок старого спутника может врезаться в ваш топливный бак. Все, ракеты больше нет.

Это проблема космического мусора, и это очень реально. «Американская Сеть Наблюдения» за космическим пространством обнаружила 17,000 объектов — каждый, размером с мяч. Они мчатся вокруг Земли на скоростях больше чем 28 000 км в час; и еще почти  500,000 обломков размером менее 10 см. Адаптеры запуска, крышки для объективов, и даже гораздо меньшие предметы могут пробить воронку в критических системах.

Щиты Уиппла — слои металла и кевлара — могут защитить от крохотных частей, но ничто не может спасти вас от целого спутника. Их насчитывается около 4000 на орбите Земли, большинство погибших в воздухе. Управление полетом помогает избежать опасных путей, но не идеально.

Вытолкнуть их из орбиты не реально — это займет целую миссию, чтобы избавиться лишь от одного мертвого спутника. Так что теперь все спутники будут падать с орбиты самостоятельно. Они будут выбрасывать за борт дополнительное топливо, а затем использовать ракетные ускорители или солнечный парус, чтобы направиться вниз к Земле и сгореть в атмосфере.

«Сеть Открытого космоса», антенны в Калифорнии, Австралии и Испании, являются единственным навигационным инструментом для космоса. Все, что запускается в космос — от спутников студенческих проектов до зонда «Новые горизонты», блуждающего через Пояс Копейра, зависит от них.

Но с большим количеством миссий, сеть становится переполненной. Коммутатор часто занят. Так что в ближайшем будущем, НАСА работает над тем, чтобы облегчить нагрузку. Атомные часы на самих кораблях сократят время передачи в половину, позволяя вычислять расстояния с единственной передачей информации из космоса. И увеличение пропускной способности лазеров будет обрабатывать большие пакеты данных, таких как фотографии или видео-сообщения.

Но чем дальше ракеты отдаляются от Земли, тем менее надежным становится этот метод. Конечно, радиоволны путешествуют со скоростью света, но передачи в глубокий космос по-прежнему занимают несколько часов. И звезды могут указать вам направление, но они слишком далеко, чтобы указать вам, где вы находитесь.

Эксперт по навигации открытого космоса Джозеф Гинн хочет проектировать автономную систему для будущих миссий, которая собрала бы изображения целей и соседних объектов и использовала бы их относительное местоположение, чтобы разбить на треугольники координат космического корабля, не требующее никакого наземного управления.

Это будет как GPS на Земле. Вы ставите GPS приемник на свое авто и проблема решена.

Еще одна большая проблема исследования космоса — радиация. Без атмосферы и магнитного поля Земли, вас ждет космическая радиация, и это смертельно. Помимо рака, она может также вызвать катаракту и возможно болезнь Альцгеймера.

Когда субатомные частицы стучат в атомы алюминия, из которого сделан корпус космического корабля, их ядра взрываются, испуская еще больше сверхбыстрых частиц, называемых вторичной радиацией.

Есть ли решение этой проблемы? Одно слово: пластик. Он легкий и крепкий, и он полон водородных атомов, маленькие ядра которых не производят много вторичной радиации. НАСА тестирует пластик, который сможет смягчить радиацию в космических кораблях и скафандрах.

В августе прошлого года астронавты на ISS съели несколько листьев салата, который они вырастили в космосе, впервые. Но крупномасштабное озеленение в нулевой гравитации — это сложно. Вода плавает вокруг в пузырях вместо того, чтобы сочиться через почву, поэтому, инженеры изобрели керамические трубы, чтобы направлять воду вниз к корням растений.

Некоторые овощи уже довольно эффективны для того, чтобы выращивать их в невесомости. Ученые работают над генетически модифицированной карликовой сливой, высотой меньше метра. Белки, жиры и углеводы могут восполнятся за счет более разнообразного урожая — как картофель и арахис.

Но все это будет зря, если вы исчерпаете всю воду. (На ISS системе переработки мочи и воды необходим периодический ремонт, и межпланетные экипажи не смогут рассчитывать на доукомплектование новых частей.) ГМО здесь тоже могут помочь. Майкл Флинн, инженер научно-исследовательского центра НАСА, работает над водным фильтром, сделанным из генетически модифицированных бактерий. Он сравнил это с тем, как тонкий кишечник перерабатывает то, что вы пьете. В основном вы — система рециркуляции воды, со сроком полезного использования 75 или 80 лет.

Само человеческое тело — это проблема в исследовании космоса. Невесомость разрушает тело: определенные иммунные клетки не в состоянии выполнять свою работу, а эритроциты взрываются. Это способствует появлению камней в почках и делает сердце ленивым.

Астронавты на ISS тренируются, чтобы бороться с атрофией мышц и потерей костной массы, но они все еще теряют массу кости в космосе, и те циклы вращения невесомости не помогают другим проблемам. Искусственная гравитация исправила бы все это.

В своей лаборатории в массачусетском технологическом институте, бывший астронавт Лоуренс Янг проводит испытания на центрифуге: испытуемые лежат на боку на платформе и вращают ногами педали на стационарном колесе, а вся конструкция постепенно раскручивается вокруг своей оси.

Тренажёр Янга слишком ограничен,  его можно использовать больше часа или два в день, для постоянной гравитации, целый космический корабль должен будет стать центрифугой.

Когда у человека случается инсульт или сердечный приступ, врачи иногда понижают температуру пациента, замедляя метаболизм, чтобы уменьшить повреждение от отсутствия кислорода. Это уловка могла бы работать и для астронавтов. Межпланетное путешествие в течение года, проживание в тесном космическом корабле с плохой едой и нулевой частной жизнью — рецепт для космического безумия.

Вот почему Джон Брэдфорд говорит, что мы должны спать во время космического путешествия. Президент проектной фирмы SpaceWorks и соавтор отчета для НАСА на длинных миссиях, Брэдфорд считает, что криогенная заморозка экипажа сократит расходы еды и воды, и сохранит команду от психического расстройства.

Представьте, что вы были в космосе в течение многих месяцев или даже несколько лет. Далекий мир наконец виднеется через ваш иллюминатор. Все, что вы должны сделать — приземлиться. Но вы мчитесь через лишенное трения пространство со скоростью 320 000 км в час. И еще есть гравитация планеты.

Проблема приземления все еще одна из самых актуальных, которую предстоит решить инженерам. Вспомните неудачную посадку «Скиапарелли» на Марс.

Когда космические корабли отправятся в долгое путешествие, они возьмут с собой запасы с Земли. Но вы не можете взять с собой все. Семена, кислородные генераторы, возможно несколько машин для строительства инфраструктуры. Но поселенцы должны будут сделать все остальное сами.

К счастью космос не совсем бесплоден. «На каждой планете есть все химические элементы, хотя концентрации отличаются», — говорит Иэн Кроуфорд, планетарный ученый из Биркбека, Лондонского университета. На Луне есть много алюминия. На Марсе — кварц и окись железа. Соседние астероиды — большой источник углеродных и платиновых руд и воды. Это все может быть доступным, как только первопроходцы выяснят, как взорвать материю в космосе. Если взрыватели и бурильщики слишком тяжелы, чтоб взять их на корабль, они должны будут извлечь ископаемые другими методами: таяние, магниты или переваривающие металл микробы. И НАСА изучает процесс 3D печати, чтобы напечатать целые здания — и не будет никакой потребности импортировать специальное оборудование.

Собаки помогли людям колонизировать Землю, но они не выжили бы на Марсе. Чтобы распространиться в новом мире, нам будет нужен новый лучший друг: робот.

Колонизация планеты требует много трудной работы, и роботы могут весь день рыть, не имея необходимость есть или дышать. Текущие прототипы — большие и громоздкие, они с трудом передвигаются по земле. Таким образом, роботы должны быть не похожи на нас, это может быть лёгкий управляемый бот с клешнями в форме экскаваторного ковша, разработанный НАСА, чтобы вырыть лед на Марсе.

Однако, если работа требует ловкости и точности, то тут не обойтись без человеческих пальцев. Сегодняшний космический скафандр разработан для невесомости, а не для пеших прогулок по экзопланете. У прототипа НАСА Z-2  есть гибкие суставы и шлем, который дает четкое представление о любой тонкой фиксации потребностей проводки.

Самой быстрой вещью, которую когда-либо строили люди, является зонд по имени «Гелиос 2». Он уже не функционирует, но если бы в космосе был звук, то вы услышали бы его крик, поскольку он до сих пор вращается вокруг солнца на скоростях больше чем 252 000 км в час. Это почти в 100 раз быстрее, чем пуля. Но даже в при такой скорости потребовалось бы приблизительно 19 000 лет, чтобы достигнуть ближайшую к нам звезду — Альфа Центавра. Во время такого длительного полета сменилось бы тысячи поколений. И вряд ли кто-то мечтает умереть от старости в космическом корабле.

Чтобы победить время нам нужна энергия — очень много энергии. Возможно вы могли бы добыть на Юпитере достаточное количества гелия для термоядерного синтеза. После того, как изобретем термоядерные двигатели, конечно же. Теоретически, околосветовых скоростей можно добиться с помощью энергии аннигиляции материи и антивещества, но заниматься подобным на Земле опасно.

«Вы никогда не хотели бы делать это на Земле», — говорит Ле Джонсон, техник НАСА, который работает над сумасшедшими идеями звездолета. «Если вы  сделаете это в открытом космосе, и что-то пойдет не так, вы не разрушаете континент».

Слишком сильно? Как насчет солнечной энергии? Все, что вам потребуется — это парус, размером с Техас.

Намного более изящное решение взломать исходный код вселенной —  физика. Теоретический двигатель Мигеля Алькубьерре сжал бы пространство-время перед вашим кораблем и расширил бы позади него, так вы могли бы перемещаться скоростью, превышающую скорость света.

Человечеству будут нужны еще несколько Эйнштейнов, работающих в таких местах как Большой Адронный Коллайдер, чтобы распутать все теоретические узлы. Вполне возможно, что мы сделаем некоторое открытие, которое изменит все, но этот прорыв вряд ли спасет сложившуюся ситуацию. Если вы хотите больше открытий, вы должны вкладывать в них большие деньги.

Пара десятилетий назад, научно-фантастический автор Ким Стэнли Робинсон изобразил схематически будущую утопию на Марсе, построенном учеными из перенаселенной, перенапрягшей Земли. Его  «Марсианская трилогия» сделала мощный толчок для колонизации Солнечной системы. Но, если задуматься, помимо научного интереса, почему мы стремимся в космос?

Потребность исследовать заложена в наши гены, это единственный аргумент — дух первопроходца и желание узнать свое предназначение. «Несколько лет назад мечты о покорении космоса занимали наше воображение», — вспоминает сотрудник NASA, астроном Хайди Хаммел. «Мы говорили на языке отважных покорителей космоса, но всё изменилось после того, как станция «Новые горизонты» пролетела мимо Плутона в июле 2015 года. Перед нами открылось всё многообразие миров Солнечной системы.»

А что же с судьбой и предназначением человечества? Историки знают лучше. Расширение Запада было  захватом земли, и великие исследователи были главным образом в нем ради ресурсов или сокровищ. Человеческая охота к перемене мест выражается только в обслуживании политического или экономического желания.

Конечно, нависшее разрушение Земли может быть стимулом. Исчерпайте ресурсы планеты, измените климат, и космос станет единственной надеждой на выживание.

Но это опасный ход мыслей. Это создает моральную опасность. Люди думают, что если мы испортим окончательно Землю, то можем начать с чистого листа где-нибудь на Марсе. Это неправильное мышление.

Насколько нам известно, Земля — единственное пригодное для жилья место в известной нам Вселенной. И если мы собираемся покинуть эту планету, то это должно быть нашим желанием, а не следствием безвыходного положения.