Как колонизировать космос

Мечта человечества о космической экспансии и колониях на других небесных телах давно реализовалась в виртуальности — строить межзвездную империю можно в Galactic Civilizations, колонизировать другие миры — в Sid Meier’s Civilization: Beyond Earth или Rimworld. В реальности же получилось «подпрыгивание» до Луны и застревание на земной орбите. Да, государственные космические агентства и частные компании объявляли о планах экспедиции на Марс. Но даже у наиболее серьезного и подкрепленного деньгами проекта NASA сроки марсианской экспедиции установлены не раньше 30-х годов. Это слишком далеко для серьезного планирования. И, напоминаю, это экспедиция с посадкой и возвращением, а не постоянная колония.

Вы могли что-то слышать про появившуюся в 2012 году идею компании Mars One отправить людей в одну сторону. Увы, за прошедшие пять лет выяснилось, что у Mars One нет ни серьезного технического проекта, ни, что самое важное, денег.

Даже у SpaceX, наиболее продвинутой и богатой частной космической компании, срок запуска беспилотного марсианского зонда съехал с 2018 на 2020-й. Заняться космической колонизацией в ближайшие годы можно будет только в мечтах и играх. Почему? И раз уж так получилось, на какие виртуальные колонии лучше потратить время?

Колонизация в истории

Расселение людей по Земле по данным анализа гаплогрупп

Люди как вид появились в Африке и, по сути, колонизировали Землю. Колонистами выступали сравнительно небольшие группы. По оценке генетиков, все население доколумбовой Америки произошло от примерно 70 человек, которые пересекли Берингов перешеек (сейчас это пролив). Что двигало ими? Мы не можем знать непосредственно, но вряд ли это были абстрактные идеи «а давайте пойдем в неизвестность». Причины были скорее прагматичными. Нехватка еды или проигранный конфликт с соседями за ресурсы означали либо голодную смерть, либо бегство. Логично предположить, что многие племена оказывались в такой ситуации и уходили в никуда, потому что им нечего было терять. Наверняка многие погибли, оказавшись на непригодных для жизни территориях. Но те, кому повезло, давали жизнь народам и целым расам.

История колонизации в античности уже достаточно хорошо известна по археологическим и письменным источникам. И двумя основными причинами древнегреческой колонизации называют голод и торговлю. Основание колонии часто было осознанным решением общины. Колония поддерживала связь с метрополией, получала и оказывала помощь при необходимости. Колонии Римской империи сначала были главным образом военными лагерями для контроля покоренных территорий и, только когда граница отодвигалась, вырастали в полноценные города. В играх этот момент лучше всего показан в Rome: Total War, градостроительные стратегии вроде серии Caesar слишком уж мирные.

Колумб и Васко да Гама искали морской путь в Индию для ведения торговли и получения дохода. Колонии приносили прямую прибыль, в течение нескольких столетий экспансия и колониализм были крайне выгодным делом. Экономические аспекты этого очень хорошо отображены в серии Europa Universalis. На вершине своего влияния Британская империя с колониями занимала почти 24% суши. Но весь XX век прошел под знаменем борьбы колоний за независимость и на сегодняшний день под контролем Британии остаются в основном отдельные острова.

Зачем колонизировать

Из истории мы можем вынести причины, которые двигали колонистами в прошлом и наложить их на вопрос космической экспансии.

Изгнание. На текущем месте жить по каким-то причинам больше нельзя. Природная катастрофа или враги вынуждают отправиться на новую территорию. Человечеству в глобальном смысле это сейчас не грозит. Да, есть астероидно-кометная опасность, но с существующими наблюдательными приборами большие астероиды обнаруживаются легко, а маленькие могут устроить только локальное бедствие. Да и в целом сценарий опасного астероида требует скорее мер по устранению угрозы, а не срочного переезда на другую планету. Земле, несмотря на потенциальные проблемы, не грозит сценарий сравнительно быстрой потери обитаемости, и в этом случае приспособление к новым условиям выглядит вполне разумной стратегией. Солнечная система будет устойчивой еще миллионы лет, торопиться некуда.

Нехватка ресурсов. Увеличение населения или исчерпание ресурсов заставляют двигаться дальше. Несмотря на то что хватает людей, считающих, что наша планета перенаселена, и есть серьезные работы, обещающие катастрофу к 2100 году, непосредственной угрозы нехватки ресурсов нет, а отдаленная никого особо не пугает. Наоборот, успехи с добычей сланцевой нефти и развитие технологий в целом могут (и будут) использоваться в качестве аргумента, что человечество найдет все новые и новые виды ресурсов для жизни.

Выгода. С XV по XIX век экспансия и колонизация были выгодны. Васко да Гама привез из Индии груз, продажа которого принесла в 60 раз больше денег, чем было потрачено на экспедицию. В далеких и неизведанных землях смелого и решительного человека ждали золото, экзотические товары и прочие ценности. Увы, наши знания о космосе говорят, что на других планетах нет ничего крайне ценного. Гипотетический «шишдостаниум», который можно было бы намазать на хлеб, залить в бензобак, ввести в организм для пользы или удовольствия действительно мог бы очень серьезно подстегнуть космическую экспансию. Но «шишдостаниум» не обнаружен, а майнить криптовалюты пока выгоднее, чем астероиды.

Момент мотивации редко продуман в играх как следует. Часто колонии являются способом стать больше и сильнее и их необходимость очевидна. Но есть и интересные находки. В Civilization: Beyond Earth сценаристы объясняют трудную и затратную колонизацию других звезд некой Большой Ошибкой, которая делает Землю непригодной для жизни. В игре Freelancer колониальные корабли запускает проигрывающая войну в Солнечной системе сторона. В Mass Effect: Andromeda колониальные корабли отправляют аж в другую галактику из-за угрозы для галактики Млечный Путь.

Пустые территории

Достаточно частый аргумент против освоения космоса звучит так: «Посмотрите, у вас не освоена Антарктида, пустыни, дно океана, зачем вам в космос?». На мой взгляд, неосвоенные территории не являются аргументом против колонизации сами по себе, а, скорее, показывают человечеству его возможности. Колонии древних греков не удалялись от моря. Продвижение римлян на север остановила нулевая изотерма января — дальше на северо-восток было слишком холодно для сельского хозяйства того времени. В эпоху колониализма дальность плавания кораблей и возможности борьбы с местными проблемами определяли доступные для колонизации территории. Уровень технологий ограничивает возможности колонизации. Несколько государств заявляли свои претензии на Антарктиду, и она сохранила статус ничейной территории исключительно по причине невыгодности ее освоения. Мало того, бывает, что люди уходят с вроде бы уже освоенных территорий. В одной из самых сухих пустынь, Атакаме (территория Чили, Южная Америка), стоят примерно 170 заброшенных шахтерских поселков. Там добывали селитру, но с появлением технологии ее дешевого синтеза в 1940-х шахты были закрыты, а людям пришлось уехать.

Заброшенный поселок в пустыне Атакама

Теперь перенесемся в космос. Строительство Международной космической станции началось в 90-х годах и за двадцать с лишним лет общая стоимость проекта составила примерно $100 млрд. Каждый год на ее содержание уходит суммарно несколько миллиардов долларов от пяти космических агентств. При этом постоянный экипаж в последние годы составлял 6 человек, масса станции немногим более 400 тонн и она находится на околоземной орбите. На МКС проводится множество интересных и важных научных исследований, некоторые эксперименты вроде мониторинга рыбных ресурсов несут прямую пользу, но в целом станция убыточна. При этом МКС вполне можно сравнить с труднодоступной территорией вроде пустыни Атакама — и там, и там работают ученые (в Атакаме отличные условия для астрономических наблюдений), и туда, и туда наведываются туристы. В Атакаме еще работают несколько шахт, но на орбите производство остается пока только на уровне идей. И в ближайшие годы население и там, и там не увеличится кардинально.

В играх очень часто существуют разные типы потенциальных мест для колонии, из которых только часть можно использовать сразу (или на максимальную мощность), а технологии для остальных нужно изучить. Колонии не теряют привлекательность и не становятся убыточными, особенно если ученые вытаскивают «волшебную палочку» — терраформинг, превращающий недружелюбные места в райские уголки. На начальном этапе колония могла приносить серьезный убыток в Sword of the Stars и такое решение геймдизайнеров было редкостью. А одна из настроек игры в Space Empires 5 делает ресурсы на планетах конечными, но даже тут колония из добывающей превращается, например, в научную.

Время узнать больше

Не стоит думать, что космонавты и астронавты на МКС теряют время зря. Хотя технологические возможности слетать на Марс есть примерно с 70-х годов, такая экспедиция на существующих технологиях будет не только крайне дорогой, но и очень опасной. И сейчас станция дает возможность узнать больше о поведении людей и техники в космосе, потренироваться перед будущими полетами.

Знаете ли вы, что российские космонавты после посадки проверяют возможность посадить марсианский корабль? Обычная вахта на МКС занимает полгода, и после длительного воздействия невесомости любая тяжесть нарушает работоспособность организма, людям плохо и некомфортно. Та же самая ситуация будет у тех, кому придется сажать марсианский посадочный модуль после нескольких месяцев перелета от Земли. И уже сейчас вырабатываются методики подготовки к этой сложной задаче.

Центрифуга после полугода невесомости — серьезное испытание

Полет до Луны занимает примерно трое суток, за это время человеческий организм не успевает потерять адаптацию к тяжести. Экспедиция на Марс займет примерно 500 суток. Рекорд по непрерывному пребыванию человека в космосе (437 суток) принадлежит Валерию Полякову, который установил его на станции «Мир» в 1994-1995 годах. Недавняя годовая миссия Михаила Корниенко и Скотта Келли в 2015-2016 годах продлилась меньше, но все равно позволила проверить новые идеи обеспечения длительных полетов.

Радиационное воздействие при перелете Земля — Марс смогли хорошо измерить только сравнительно недавно. В 2012 году радиационный датчик марсохода «Кьюриосити» летел под оболочкой, в условиях, похожих на те, в которых бы находились люди. И его результаты говорят, что суммарная доза облучения, полученная при марсианской экспедиции, составит примерно 1 зиверт. Такая доза, полученная за короткий период времени, вызывает лучевую болезнь, но распределенная на месяцы, «всего лишь» повышает вероятность заболеть раком в будущем. Именно 1 зиверт составляет максимальная суммарная доза облучения для астронавтов NASA за всю карьеру.

До сих пор никак не изучено длительное воздействие на организм человека пониженной гравитации. В свое время полет «Союза-9» длительностью 17 суток принес неприятный сюрприз — несмотря на то что космонавты выполняли комплекс физических упражнений, после посадки они чувствовали себя заметно хуже, чем ожидалось.

Основная цель

Параллельно научным изысканиям идут споры, какой вариант лучше всего подходит в качестве следующего шага космической экспансии. Рассмотрим их.

Околоземная орбита. В этом сценарии предлагается расширить уже имеющееся присутствие человека на околоземной орбите, построить станции еще большего размера. Околоземная орбита является самым близким и соответственно самым доступным вариантом. Но на ней нет местных ресурсов, все нужно будет привезти с собой. Невесомость, с одной стороны, является проблемой для человека, а с другой стороны, позволит попробовать выращивать кристаллы или производить белковые молекулы, которые невозможно создать в условиях тяжести и атмосферного давления. Чтобы отправиться дальше с околоземной орбиты, надо достаточно серьезно разогнаться, превысить вторую космическую скорость для Земли и вырваться из ее гравитационной ямы.

Точки Лагранжа

Точки Лагранжа системы Земля-Луна или Земля-Солнце. В этих особенных точках можно находиться в квазиустойчивом равновесии, описывая вокруг точек сложные кривые. Эти точки уже успешно используются научными космическими аппаратами, например, точка L1 системы Земля-Солнце никогда не затеняется Землей или Луной и там работают солнечные телескопы. До этих точек дальше и дольше добираться, чем до низкой околоземной орбиты, и там так же нет местных ресурсов. Зато покинуть ее, чтобы отправиться к другим небесным телам легче, чем низкую околоземную орбиту.

Орбита Луны. Самая свежая идея здесь — Deep Space Gateway — посещаемая станция, которую предлагают использовать как промежуточный пункт для миссии с посадкой на поверхность Луны или полета на Марс. Лучше всего такая станция подходит для высадки на Луну — туда можно привезти заранее припасы и расходные материалы, топливо нужно будет потратить только на торможение, посадку, взлет и стыковку.

Поверхность Луны. Здесь впервые появляются местные ресурсы — на полюсах достаточно много водяного льда, реголит можно использовать как строительный материал. Кроме того, как и на Земле, можно провести геологоразведку и добывать металлы, кремний, редкоземельные элементы. А вот распиаренный гелий-3 никакой панацеей не является. Говоря просто и коротко, реакция с его участием требует гораздо более высокой температуры, чем та, которую с трудом и на короткое время пытаются реализовать в экспериментальных термоядерных реакторах, что делает гелий-3 бесперспективным вариантом на сегодняшних технологиях. На Луне нет атмосферы и она образует свой гравитационный колодец — надо будет тратить драгоценное топливо на посадку и старт. Зато на поверхности нет невесомости, что не требует бороться с ее негативными последствиями для здоровья. Луна достаточно близко, до нее примерно трое суток полета, и даже в случае серьезной аварии (пример — «Аполлон-13») можно благополучно вернуться.

Марс. Здесь тоже есть местные ресурсы. Водяного льда очень много на полюсах, в отличие от Луны, кроме вулканических, есть еще и осадочные породы. На Марсе уже обнаружили железную руду гематит, а марсианские дюны, кроме железной руды, предположительно, содержат руды хрома и титана. А вот тонкая атмосфера скорее мешает, чем помогает. Она состоит из углекислоты и давление на поверхности составляет примерно 0,6% земного. Ею невозможно дышать непосредственно, она затрудняет посадку и старт. Да, можно тормозить об атмосферу, экономя топливо, но теплозащита и парашюты добавляют килограммы, а посадочные двигатели все равно нужны. Сложность посадки резко растет с увеличением размера аппарата и, если на Луну в условиях вакуума можно без проблем сажать тяжелые, большие и хрупкие конструкции, то на Марсе потребуется и теплозащита, и конструкция, выдерживающая серьезные перегрузки при торможении. Взлет с поверхности тоже потребует аэродинамического корпуса. Марс далеко, перелет туда по экономичной траектории занимает примерно полгода. Можно долететь быстрее, но это — дополнительный расход топлива. А в случае аварии на полпути не будет никакой возможности вернуться быстро.

Разные люди и организации поддерживают различные варианты. NASA в глобальном смысле собирается на Марс, это же направление поддерживает Марсианское общество (основатель — Роберт Зубрин) и, например, астронавт «Аполлона-11» Базз Олдрин. А нынешнему директору Европейского космического агентства больше нравится идея базы на Луне. Возвращение на Луну также было главным планом NASA в нулевых годах.

Лично мое мнение: самый подходящий вариант для следующего шага космической экспансии — база на Луне. Марс слишком далеко, его условия в целом не лучше лунных, а атмосфера скорее является недостатком. У орбитальных вариантов нет местных ресурсов. Низкую околоземную орбиту стоит пытаться развивать дальше, например, все-таки попробовать производить что-то полезное. А на Луне можно решать научные задачи и разрабатывать технологии будущей колонизации.

Чем заняться на Луне

Итак, допустим, следующим шагом человечества в космос действительно будет база на поверхности Луны. Чем там заняться?

Астрономия. На Луне нет атмосферы. Следовательно, нет искажений от колебаний воздуха, с которыми приходится бороться наземным телескопам. Диаметр главного зеркала космического телескопа «Хаббл» всего 2,4 метра (у наземных телескопов диаметр достиг уже 10 м), на Луне можно построить заметно больший. Далее, для исследований в радиодиапазоне очень интересной является обратная сторона Луны — она защищена самой поверхностью Луны от радиопомех с Земли. А теперь комбо — если разместить базу на Луне в районе лимба (на границе видимого диска), то можно рядом поставить и оптический, и радиотелескоп. И, что еще лучше, они смогут работать вместе с наземными телескопами, образуя интерферометр со сверхдлинной базой, который будет на порядки зорче, чем каждый из них в отдельности.

Принцип работы интерферометра со сверхдлинной базой

Геология. До сих пор ведутся споры о том, как именно образовалась Луна. Господствующая сейчас гипотеза гигантского столкновения пока не может объяснить, почему у лунных камней и земных практически совпадает изотопный состав. Совпадение по изотопному составу Земли и гипотетической Тейи, с которой Земля столкнулась, весьма маловероятно. Также очень интересна история Луны. Давно застывшее глобальное море магмы, последующие метеоритные удары, вакуум, перепады температур — все это сформировало не только известные на Земле горные породы, но и другие. Например, известен минерал армолколит, названный по первым буквам фамилий астронавтов «Аполлона-11».

Технологии. По большому счету, условия на Марсе не будут сильно отличаться от лунных. И там, и там огромные перепады температур, жесткое космическое излучение, невозможность выйти наружу без скафандра. Луна — отличное место по отработке технологий жизни за пределами Земли. И направлений их развития очень много. Крайне полезно было бы научиться строить базу с максимальным использованием местных ресурсов, например, формируя как минимум внешнюю метеоритную и радиационную защиту при помощи роботизированных 3D-принтеров. А еще лучше печатать базу целиком на месте заранее присланными роботами. Также крайне полезно научиться извлекать из местных ресурсов необходимые для жизни и работы элементы — кислород, водород, металлы, углерод, азот. Лунная база будет отличным тестом замкнутых систем жизнеобеспечения, когда кислород, еда и вода будут вырабатываться оранжереями. Решение вопросов ремонта долго работающего во враждебных условиях оборудования позволит не возить с собой склад запчастей, как это происходит сейчас на МКС. И, наконец, на лунной базе можно протестировать невозможные на Земле из-за атмосферы проекты систем запуска грузов на орбиту, к примеру, электромагнитные катапульты. Даже орбитальный лифт на Луне можно построить из уже существующих материалов — кевлара, дайнемы (из них сейчас делают стропы).