Астероид как роскошь и средство передвижения

28.10.2022
Астероид как роскошь и средство передвижения

Подумывая о том, не возобновить ли мне переводы в основном блоге, я вспомнил, что одну из самых масштабных дискуссий в этом блоге вызвал перевод «Мечта о межзвёздных путешествиях умирает». Статья собрала 209 комментариев от 87 человек (не считая меня) – и суть её сводилась к непреодолимым техническим и моральным проблемам поколенческих кораблей. Как сама статья, так и комментарии заставили меня задуматься: а каким, в самом деле, должен быть нефотонный корабль для многолетних экспедиций даже в пределах Солнечной системы? Мне показалось, что наиболее правдоподобными моделями являются «Лексс» из одноимённого сериала и «Рама» из романа Артура Кларка «Свидание с Рамой». Вернуться к этой теме я решил именно сейчас, поскольку счёл, что наиболее подходящей «заготовкой» для такого корабля является управляемый астероид. Не так давно уважаемая @ancotir разместила на Хабре новость о том, как удалось изменить траекторию астероида Диморф, прицельно попав в него кораблём DART. Я подумал, что это событие можно считать точкой отсчёта, после которой мы начали управлять астероидами – пока что только отклонили небольшой камень. А в этой статье будет рассказано о теоретических и перспективных разработках, связанных с использованием астероидов в качестве космического транспорта со «встроенными» запасами минералов и противорадиационной защитой.  

В настоящее время ещё очень преждевременно всерьёз рассуждать о любых межзвёздных экспедициях, особенно на таком фантастическом транспорте, как управляемый астероид. Но идея о том, чтобы увести удобный астероид с орбиты и использовать в нуждах цивилизации, буквально витает в воздухе. Баллистические свойства астероидов в течение последней трети XX века привлекают пристальное внимание учёных, так как изыскиваются способы не допустить столкновения астероида и Земли. Геологические разработки на астероидах также обсуждаются как ближняя техническая перспектива, в особенности с учётом химической чистоты металлов, содержащихся в астероиде, а также дефицита важных минералов на Земле. Перспективным кажется использование астероида в качестве космической станции или околомарсианской базы – в таком качестве рассматривался Фобос, так как это, вероятно, один из астероидов, отклонившийся от основного пояса и захваченный Марсом. Освоение астероидов позволило бы отработать навыки долгосрочного автономного существования в толще пород (что могло бы пригодиться при конструировании долговременных марсианских поселений). Наконец, обживание астероида – уникальный проект, который потребовал бы разработать искусственную гравитацию и синтез или добычу воды в условиях крайней ограниченности ресурсов. Все эти предварительные навыки действительно позволили бы нам подготовиться к межзвёздным путешествиям, но вполне возможно, что для такой цели использовался бы не ракетоподобный звездолёт, а окультуренный астероид, оборудованный для дальнего перелёта.

Петрохимический состав астероидов

Рассматривая астероиды в качестве ресурсной базы, давайте уточним, каков минеральный состав астероидов, их структура и распространение в Солнечной системе.

В совокупности на все астероиды приходится около 3-3,6·1021 кг вещества, что составляет примерно 4 % массы Луны. Все астероиды могли бы образовать небесное тело около 1400 км в поперечнике. Большая часть всей этой массы содержится в Церере, чей диаметр составляет около 900 км, а большинство прочих каменных тел сосредоточено в поясе астероидов между Марсом и Юпитером.

Притом, что большинство астероидов сосредоточено в поясе между Марсом и Юпитером, наибольший интерес представляют как раз те астероиды, которые в этот пояс не входят, а движутся по орбитам, пересекающим земную. Последствия столкновения с таким астероидом могут быть катастрофическими, но именно эта небольшая группа (входящие в неё тела называются «атоны» по астероиду 2062 Атон) наиболее доступна для перехвата и освоения. В англоязычной литературе существует термин «NEO» (близкие околоземные объекты) – к ним относят все астероиды с перигелием менее 1,3 астрономической единицы. Пока не предпринималось попыток составить полный каталог этих астероидов, отыскав их при помощи телескопов, но можно предположить, что к NEO относится порядка 1 000 000 космических тел диаметром более 100 м.  

Астероиды образовались из того же газопылевого околосолнечного диска, что и внутренние планеты Солнечной системы, поэтому по минеральному составу они в целом схожи с Землёй. Однако, поскольку Земля гораздо массивнее астероидов, породы в её коре претерпели стратификацию, а в глубоких недрах сформировались ядро и мантия, обеспечивающие геологическую активность. На астероидах ничего подобного не происходило, поэтому по составу они более однородны и недифференцированы, чем земная кора. С точки зрения геологической разведки это и хорошо, и плохо. В данном случае хорошо, что о составе астероида можно уверенно судить буквально по его поверхности (там даже реголита нет), а не забуриваться в породы. Все металлы в астероиде распределены равномерно, поскольку не происходило их перемешивания, которое на Земле обусловлено тектонической активностью. Ярким примером такого перемешивания является высокая концентрация редкоземельных элементов в Фенноскандии: лантаноиды скопились в древней коре полуострова за миллиарды лет, поскольку близки по атомному весу и в соответствии с периодическим законом. Но относительно недавно по геологическим меркам Скандинавию перепахал ледник, счесавший осадочные породы и обнаживший более древние, изобилующие  лантаноидами. На астероиде любые металлы, в том числе, платиновые, добывать гораздо легче, чем на Земле; кроме того, они не тяготеют к железному ядру (за отсутствием такового) и не растворяются в нём. Поэтому рений и иридий предпочтительно добывать именно на астероидах. Основной недостаток связан с обратной стороной такой доступности: в астероиде минералы не кластеризуются, поэтому для добычи некоторого количества металла придётся перелопатить гораздо больше породы, чем на Земле. Это один из доводов, стимулирующий разработку астероида «из глубины – наружу, во все стороны», а не путём приповерхностного бурения.     

Когда астероид достигает в диаметре не десятков и сотен метров, а от 1 до 100 километров, у него уже имеется собственная гравитация, позволяющая удерживать на поверхности камни и реголит. Астероиды такого размера пористые и напоминают конгломерат слабо слежавшихся пород. Внутреннего давления и тепла в них по-прежнему не наблюдается, поэтому там нет ни расплавленных, ни метаморфических пород. Более мелкие астероиды, в свою очередь, напоминают однородные глыбы. Кроме того, на мелких астероидах центробежные силы перевешивают гравитацию (и это заметно по вращению таких тел), поэтому астероид сохраняет целостность лишь при условии стабильного внутреннего сцепления пород, например, магнитного.  

Чем астероид лучше конвенционального звездолёта

При таких исходных данных возникает вопрос: как логичнее поступить – просто разобрать небольшой астероид на сырьё, либо попытаться превратить более крупный астероид в космический корабль (в том числе, для отлова или буксировки астероидов) или в долговременную космическую станцию? В 2017 году стартап «Made in Space» подал в НАСА амбициозное предложение под названием «проект RAMA», описав, как переоборудовать астероид в корабль для межпланетных и даже межзвёздных путешествий. Авторы опирались на идеи подобного проекта, высказанные Саганом в его «Голубой точке». Суть проекта в том, чтобы направить к астероиду корабль, который высадит там роботов – и в дальнейшем роботы углубятся в астероид, очистят содержащиеся в нём минеральные ресурсы, а далее добудут в планетоиде потенциальное топливо, проделают полости-сопла и под руководством ЦУП направят астероид в точку, где его можно будет методично разрабатывать. Предположительно, речь может идти об одной из точек Лагранжа либо об околоземной орбите. Вот как выглядит этот процесс:

Для выбора наиболее перспективных астероидов компания разработала программу под названием «Rock Finder». В программу закладывается обновляемый каталог всех известных и охарактеризованных околосолнечных астероидов, после чего в ней можно сформулировать запрос, какой именно астероид нам нужен и когда. Как только астероид найден, к нему направляется небольшой корабль-«сеятель», снабжённый инструментами и софтом для сборки роботов; сборка выполняется на месте.

Пилотируемые экспедиции к астероидам и кометам также представляются принципиально осуществимыми, но, чтобы воплотить их в реальность, нужно решить сложные, пусть и хорошо концептуализированные проблемы. Здесь мы возвращаемся к примеру Фобоса, освоение которого можно считать ближайшей целью после создания постоянных баз на Марсе. Как упоминалось выше, Фобос – типичный астероид радиусом 11,3 км. Как раз такие тела нас и интересуют, а Фобос «уже доставлен» к Марсу и надёжно припаркован на его орбите.

В потенциальных жилых отсеках на разрабатываемом астероиде в первую очередь потребовалось бы обеспечить противорадиационную защиту, климат-контроль, получение воды и кислорода. Добыча кислорода уже опробована на МКС: его стабильно выделяют водоросли в специальном биореакторе. Ещё понадобилось бы оснастить базу 3D-принтерами, в том числе, для производства пищи.

Также к первоочередным задачам относится обеспечение искусственной гравитации. Уже известно, что человеку вредно длительно пребывать в невесомости: отсутствие тяготения приводит к атрофии мышц, истончению костей и множеству прочих неприятностей. По-видимому, минимальное тяготение, при котором человек способен стоять, составляет около 38% процентов от земного, примерно столько же, сколько на поверхности Марса.

Но именно на небольших астероидах проблема с гравитацией решается вполне бесхитростно: как было указано выше, эти глыбы вращаются и испытывают центробежные силы. Вот как выглядит вращение астероида Эрос:

Соответственно, нам потребовалось бы просто раскрутить или замедлить астероид, чтобы сымитировать привычное нам тяготение. В таком случае направление «вверх» сориентировалось бы по оси вращения, а направление «вниз» — против оси. При этом, чем меньше астероид, тем активнее его придётся раскручивать — поэтому такой метод наиболее применим к сравнительно крупным астероидам, таким, как изображён на заглавной картинке к этой статье.  В 2017 году в Венском университете вышла статья, анализирующая показатели такого вращения и возможности их контроля. Тем не менее, авторы затрудняются ответить, как инициировать вращение астероида по нужной оси.

Вероятно, как и в «Раме» из романа Кларка, внутренняя обитаемая полость астероида должна быть продолговатой (цилиндрической) и содержать собственное водохранилище. Если этот цилиндр будет ориентирован вертикально по оси астероида, то его можно организовать в виде многоэтажной шахты. В нижней части шахты расположится вода и топливо (например, ядерный реактор), в верхней – входной шлюз, а по всей высоте шахты пойдёт лифт. Астероид вполне можно было бы запитать и солнечной энергией, а не (только) ядерной, поскольку практически всю его поверхность можно было бы покрыть солнечными панелями.  

Для защиты экипажа от радиации (а приборов – от солнечного ветра) потребовался бы слой реголита мощностью не менее 6 метров. При этом наладить искусственное освещение во внутренней полости было бы, вероятно, не так просто – и гораздо удобнее было бы воспользоваться системой зеркал, которые отражали бы в жилой отсек солнечный свет. Управляя положением и свёртыванием этих зеркал, можно было бы имитировать смену дня и ночи. Астероид потребовалось бы пронизать, как минимум, тремя видами туннелей: светоносными, транспортными (для выгрузки добытой руды на корабли) и пассажирскими для впуска новых смен и движения к выработкам и местам проживания, а также для перехода на пристыковывающийся транспорт.

Естественно, гораздо реалистичнее обживать астероид постепенно, отсек за отсеком, а не заселять в него первую смену после «чистовой отделки» всех его недр. Поэтому внутреннее пространство астероида можно было бы осваивать при помощи проходческого щита, как будто выстраивая линию метро со станциями.  

Проекты DSTART и MELiSSA

Астероид для межзвёздных путешествий
Астероид для межзвёздных путешествий

В 2018 году группа под руководством Анджело Вермёлена из Делфтского технического университета представила в Европейское Космическое Агентство проект по переоборудованию астероида в звездолёт. Проект называется DSTART. Авторы предполагают, что в течение некоторого времени астероид будет находиться на орбите, представляя собой подобие долговременной космической станции. Тем временем на нём будут отрабатываться технологии безотходного производства, обустраиваться жилые отсеки и проверяться системы безопасности. Для добычи кислорода в таком корабле предполагается использовать биореактор на основе водорослей, подобный тому, что уже успешно работает на МКС.

Параллельно 11 европейских государств участвуют в разработке программы MELiSSA, цель которой – выстроить искусственную водно-кислородную систему, эффективно преобразующую органические отходы и углекислый газ в кислород, воду и пищу.

Пилотный цех MELiSSA уже действует в Автономном Университете Барселоны. Комплекс представляет собой герметичный замкнутый цикл с биореактором, работающем на солнечной энергии. В нём организовано бесперебойное производство воды и кислорода при помощи водорослей, а также месяцами живут «экипажи» подопытных крыс – остающихся активными и здоровыми. На момент подготовки этой статьи также планировалось оснастить барселонский цех полностью автоматическими 3D-принтерами и попробовать изготовить на них инструменты для бурения астероидов.

Заключение

При всей фантастичности описанных проектов астероидная космонавтика кажется не менее перспективной, чем лунная и марсианская. Ближние астероиды сравнительно легко доступны даже по сравнению с Луной, но при этом опасны, так как невозможно исключить или предотвратить столкновение астероида с Землёй. Простое разрушение такой глыбы на околоземной орбите мгновенно привело бы к неуправляемому синдрому Кесслера и привело бы в негодность большинство ИСЗ. Поэтому аккуратная разработка астероидов и стаскивание их в точки Лагранжа видится логичным продолжением уже не лунных, а марсианских экспедиций. Спутники Марса (в сущности, являющиеся астероидами) вполне могли бы послужить тестовыми стендами для таких проектов.