Зачем нам колонизировать Титан

Планетолог Аманда Хендрикс считает, что люди скорее научатся жить на самом крупном спутнике Сатурна Титане, чем на Марсе, как считалось раньше. Из книги «За пределами Земли» можно узнать не только о Титане, но и об организации межпланетных исследований, трудностях финансирования освоения космоса и бюрократических преградах на пути за пределы Солнечной системы. Публикуем главу о возможном новом жилье будущих землян с его плотной атмосферой, щадящим климатом и неисчерпаемыми запасами топлива и воды.

До прибытия «Кассини» оранжевая атмосфера Титана, одного из спутников Сатурна, скрывала его поверхность от взгляда. Сквозь её мглу способны проникнуть только лучи радара и некоторые волны инфракрасного диапазона. Учёные высказывали предположения о том, что там могут обнаружиться океаны этана и метана — углеводородов вроде земного природного газа, но жидких из-за низких температур. В момент прибытия, однако, «Кассини» ничего подобного не обнаружил. Он сбросил на поверхность Титана зонд «Гюи?генс» (Кассини и Гюи?генс — имена астрономов XVII века, открывших спутники Сатурна). «Гюи?генс» (Huygens) был разработан с таким расчётом, чтобы плавать на поверхности жидкости и измерять величину волн, но он приземлился на влажную, мягкую почву, по которои? была разбросана галька водяного льда.

Но когда «Кассини» стал пролетать над полярными регионами Титана, его радар увидел какую-то гладкую поверхность, напоминающую поверхность озера. По краям этои? области были ветвящиеся формы, в точности похожие на русла, заливы и бухты береговых линии? на Земле. Другои? инструмент позволял измерять отражённыи? солнечныи? свет. В нужныи? момент «Кассини» «посмотрел» в ту сторону, где можно было ожидать увидеть отблеск света от поверхности предполагаемого водоёма. К восторгу Аманды, он выглядел в точности как полуденныи? свет, отражённыи? водами земного озера.

Кроме Земли в Солнечнои? системе жидкость на поверхности встречается только на Титане. В его обширных озёрах содержится во много раз больше углеводородов, чем обнаружено на нашеи? планете. Гравитационные измерения «Кассини» указывают на то, что в глубине Титана находится водныи? океан, но облака, дожди, реки и озёра поверхности — этановые и метановые, как содержимое танкера со сжиженным газом. На Титане есть погода, пляжи и приливы, но там холоднее, чем в морозилке. Это место одновременно выглядит и знакомым, и очень странным.

Многое ещё только предстоит узнать. Когда у Аманды или у кого-то из её коллег появляется идея, например гипотеза о Титане, они могут предложить команде «Кассини» проверить её. Но необходимы оптимизм и терпение. Если такое измерение не было предусмотрено на выбраннои? траектории аппарата, учёные и инженеры собираются, чтобы сопоставить затраты топлива и рискованность манёвра с ценностью сведении?, которые могут быть получены.

Команда с Земли достигает «Кассини» через полтора часа. Ошибку не удастся исправить быстро, если удастся вообще. Если решение о проведении измерения принято, каждая команда моделирует его на Земле, чтобы проверить безопасность для аппарата. От идеи учёного до получения данных может прои?ти несколько месяцев, а иногда и лет.

Это медленныи? процесс, но он работает. Со временем удалось собрать удивительно подробные изображения Юпитера, Сатурна и их спутников. Это целыи? зверинец странных миров, к настоящему моменту — самых интересных в Солнечнои? системе мест для изучения. На Европе ледяная кора покрывает океан жидкои? воды. Учёные обнаружили этот океан, измерив электрические токи в нём, индуцированные магнитным полем Юпитера*. На южном полюсе Энцелада — спутника Сатурна — в космос бьют гигантские геи?зеры водяного пара и льда. Как и в случае спутников Юпитера Ио и Ганимеда, внутреннии? жар этих тел объясняется постояннои? деформациеи?, вызываемои? приливными силами от мощных полеи? тяготения Юпитера и Сатурна.

То, что мы уже знаем о Солнечнои? системе, говорит нам, что искать место для колонии нужно «снаружи», на этих спутниках.

*Тем не менее два из трёх утверждённых проектов программы New Frontiers имели целью исследования далёких объектов: Juno работает в настоящее время на орбите вокруг Юпитера, а New Horizons в июле 2015 года выполнил первыи? в истории пролёт Плутона. — Прим. науч. ред.

Поиск воды в космосе

Планеты зародились из газопылевого диска, обращающегося вокруг Солнца. Пока они ещё были свободны, тяжёлые элементы сосредоточились в более горячих его участках ближе к центру. Когда планеты сгустились, как комки в пюре, те, что были ближе к Солнцу, оказались сформированы из скальных пород и металлов. Планеты внешнеи? части Солнечнои? системы вобрали в себя более лёгкие элементы и в основном состоят изо льда и газов.

Вода в жидкои? и твёрдои? форме вдали от Солнца встречается в изобилии. В глубинах спутников Сатурна и Юпитера содержатся скальные породы, но вода составляет куда большую долю их объёма, чем у внутренних планет. Например, Титан крупнее Меркурия, его радиус на 50 % превышает радиус Луны, но его плотность ниже, а тяготение, соответственно, слабее — ведь вода менее плотна, чем камень и металл.

У Юпитера примерно 67 спутников, четыре из которых были открыты Галилео Галилеем и достаточно крупны, чтобы рассматривать их возможную колонизацию: Ганимед, Каллисто, Ио и Европа. Учёные полагают, что жизнь вероятнеи? всего обнаружить на самом маленьком из них, Европе, благодаря жидкому океану под его поверхностью. Там должно быть темно, так что, в отличие от Земли, Солнце не будет источником энергии для жизни. Но некоторые уникальные формы жизни на Земле процветают в вечнои? тьме в глубине океанов и под землёи?, черпая энергию из других источников, что возможно и на Европе.

Насколько толстыи? на Европе лёд и можем ли мы проникнуть сквозь него, чтобы посмотреть, не плавает ли что-нибудь под ним? На основании данных с «Галилео», учёные полагают, что толщина замёрзшего слоя составляет от 10 до 100 километров, но кое-где на поверхности видны аи?сберги, а значит, лёд там тонок и на поверхность местами могут даже пробиваться струи?ки тёплои? воды. Данные в ультрафиолетовом спектре, полученные группои? учёных из Юго-Западного исследовательского университета в Сан-Антонио с помощью космического телескопа «Хаббл», указывают на возможные выходы на поверхность Европы тёплои? воды. Если они деи?ствительно существуют, было бы гораздо проще понять, что происходит в глубине, но эти результаты не были воспроизведены и являются спорными.

Как исследовать далёкую планету

Есть кое-какие идеи о том, как заглянуть под оранжевые облака Титана, чтобы получше узнать устрои?ство его сложнои? погоды и географии, его пригодность для проживания человека и наличие там каких-либо форм жизни. Титан одновременно знаком и странен: этот мир углеводородов — отражение нашего мира воды. Дожди, времена года, волны, дюны, коренные породы — всё это есть на Титане, но состоит он из других соединении?. Простое любопытство требует, чтобы мы узнали, что там происходит.

Ведущеи? идееи? была отправка грандиозного, сложного космического комплекса под названием «Миссия в систему Титан — Сатурн» (Titan Saturn System Mission, TSSM), состоящего из орбитального спутника с восемью инструментами на борту, аэростата с ещё восемью инструментами и судна, предназначенного для плавания в северном полярном озере, ещё с пятью. Питание у аэростата и самого спутника предполагалось атомное, с получением тепла и электричества из плутония. До Титана аппарат должен был добраться с помощью новых технологии?: на электрическои? тяге, на так называемом холловском двигателе, запитываемом солнечнои? энергиеи?.

Также замышлялась миссия из однои? только лодки под названием «Исследователь мореи? Титана» (Titan Mare Explorer), которая обошлась бы куда дешевле — как проект класса «Открытие». Ещё одна идея заключалась в отправке группы спускаемых аппаратов, которые понаблюдали бы за поверхностью Титана в нескольких климатических и геологических зонах, загадочно друг от друга отличающихся.

Все эти планы далеки от реализации, и, конечно, не все они осуществятся*. Большие, сложные миссии склонны расти и усложняться, пока их не приходится уменьшать, разрабатывать заново или отменять. Это процесс политическии?, бюрократическии?, соревновательныи? и неопределённыи?. Но где-то есть инженеры, разрабатывающие идеи и приближающие их воплощение.

«Мы всегда знали, что здесь сильная конкуренция, — говорит Джулиан Нотт, спроектировавшии? аэростат для атмосферы Титана. — Будут ли именно твои идеи выбраны для миссии к Титану? Отвечаю: шансы примерно один к десяти. Невелики шансы. Но, может быть, ты предложишь идеи, а кто-то сможет их продвинуть».

«Кассини» всё ещё передаёт ценные сведения на Землю — он должен закончить работу в сентябре 2017 года. Была надежда на запуск нового аппарата «по следам» «Кассини» в 2023 году, однако сеи?час это кажется маловероятным. Если подобныи? аппарат будет запущен в 2030-м, то он достигнет цели к 2037-му (разве только длительность путешествия сократится благодаря более мощнои? ракете). К этому времени учёные, начавшие свои карьеры на «Вояджере» юными выпускниками, уже выи?дут на пенсию. Аманда же всё ещё будет работать, и она надеется увидеть, какие будут получены данные через двадцать с лишним лет, если подобная миссия удастся.

При нынешних темпах NASA поиски возможного нового дома идут куда медленнее ухудшения состояния Земли. Но эти темпы диктуются не наукои?. Как и в случае пилотируемых миссии?, прогресс NASA в планетологии был быстрее в 1960-х и 1970-х годах, когда тратилось больше денег, а аппараты запускались чаще**. Чтобы ускорить прогресс, нам нужно больше денег и амбиции?. Исследовательские планы можно воплощать за годы, а не за десятилетия. Новую миссию можно запустить ещё до того, как предыдущая достигнет своеи? цели. Более мотивированная Земля могла бы ускорить этот процесс сеи?час и получить ответы с Титана куда раньше.

*Проект Titan Mare Explorer не смог победить в конкурсе на очереднои? раунд финансирования в рамках программы «Открытие». Проект TSSM в 2009 году уступил в конкурентнои? борьбе аналогичнои? по задачам и сложности миссии в систему Юпитера EJSM, которая после множества резких поворотов эволюционировала в принятыи? к реализации флагманскии? проект Europa Clipper. — Прим. науч. ред.

**Важно осознавать, что это были аппараты первоначальнои? разведки Солнечнои? системы. Они выполнили поставленные задачи, и любои? следующии? шаг означал выбор более сложнои? цели, которои? труднее достигнуть. — Прим. науч. ред.

Склад топлива на Титане

В Солнечнои? системе только Титан буквально завален топливом, которое мы могли бы добывать и сжигать, пользуясь технологиями едва ли сложнее газовых печеи?, встречающихся в типичных американских домах. Земнои? природныи? газ в основном состоит из метана, как озёра и моря Титана. Прибрежные дюны Титана — тоже углеводородные, в основном из более тяжёлых и сложных органических соединении?, которые называются полициклическими ароматическими углеводородами. Учитывая атмосферную углеводородную фабрику Титана и низкие температуры, всё это логично.

Так почему же Титан не взорвётся, если зажечь там спичку? Потому что там нет кислорода. На Земле мы сжигаем ископаемое топливо, поджигая сочетание богатого углеродом топлива и кислорода. При этом в виде пламени или взрыва высвобождаются связанная в топливе солнечная энергия, а также углекислыи? газ и вода. Атмосфера Титана состоит в основном из азота, как и на Земле, но без кислорода.

Но большую часть массы Титана составляют водянои? лёд или шуга, находящиеся под его углеводороднои? поверхностью на глубине до 100 километров, а возможно, и куда меньше. Вода содержит много кислорода. Его можно высвободить, просто пропуская через воду электрическии? ток: это называется элетролизом. Кислород для дыхания на МКС производится методом электролиза. Так могли бы поступать и колонисты, а ещё сжигать в кислороде метан и производить достаточно энергии для поддержания электролиза.

Первопроходцы могли бы прибыть на Титан с собственным источником энергии, скажем, с небольшим ядерным реактором, и первым делом заняться разработкои? подземных источников воды и отделением кислорода электролизом. Энергии, полученнои? при сжигании метана в кислороде, с лихвои? хватило бы на дальнеи?шую добычу льда, электролиз и обогрев жилища, а также удовлетворение остальных нужд колонии.

Имея на Титане электростанции, питаемые углеводородным топливом, колонисты могли бы строить большие, освещённые теплицы, выращивать в них пищу и перерабатывать углекислыи? газ, выделяющии?ся при сгорании, обратно в кислород. Почти всё можно было бы делать из пластика, произведённого из местного сырья. Для добычи металлов и других тяжёлых элементов, необходимых для питательных веществ и производства электроники, колония могла бы заняться разработкои? астероидов с помощью космических аппаратов. Располагая неограниченнои? энергиеи? и доступом к ресурсам, колонисты в итоге смогли бы построить дома по берегам озёр, ходить по ним на лодках и летать на личном авиатранспорте.

Жизнь в вечном холоде

Многие учёные воображали, каково было бы жить на Титане, ведь кажется, что это было бы так просто. Ральф Лоренц из Лаборатории прикладнои? физики Университета Джона Хопкинса написал о Титане пару книг. Он предлагал разнообразные исследовательские миссии, в том числе судно, похожее на буи?, и ряд метеостанции?. Когда мы общались с ним, он говорил о подлодке. «Любои? земнои? транспорт можно осмысленно использовать где-то на Титане», — сказал Ральф.

Лоренц отмечает, что на Титане люди могут выжить без скафандров, передвигаясь тепло одетыми и в кислородных масках, и жить в негерметичных зданиях. Нетрудно вообразить себя в странном оранжевом ландшафте Титана стоящим на влажном, мягком грунте вроде того, которыи? обнаружил зонд «Гюи?генс», с разбросаннои? вокруг галькои? твёрдого льда. Температура там около –180 °C, но в одежде с толстои? теплоизоляциеи? или нагревающими элементами было бы комфортно. Если одежда прорвётся, это не убьёт вас, главное — не замёрзнуть. Здесь не нужен громоздкии? герметичныи? костюм вроде тех, что астронавты носят на Луне или в вакууме космоса.

Жилище на Титане может быть устроено подобно жилищам в полярных областях Земли, с использованием воздухонепроницаемои? изоляции и сваи?, уберегающих от таяния лёд и замёрзшие углеводороды, на которых оно стоит. Простые двои?ные двери удержат кислород внутри. Если жилище даст течь, её нужно устранить, но никакои? непосредственнои? угрозы она не представляет. Устранить проблему до надлежащего ремонта можно куском изоленты. Вездесущие углеводороды содержат немало канцерогенов, поэтому, входя домои?, важно почистить и снять уличную одежду.

У Титана и Антарктики есть некоторое сходство. Чтобы выжить в этих местах, требуется активное использование технологии?, самое важное — обогрева. И туда и туда нужно везти припасы. Чтобы остаться в таком месте навсегда без внешнеи? поддержки, понадобится источник энергии и производство пищи в закрытом помещении. В Антарктике, вероятно, полно ископаемого топлива, однако, чтобы его получить, потребуется пробить толстыи? лёд. На Титане топливо лежит прямо на поверхности, а вот кислород придётся добывать из недр. И там и там, чтобы выи?ти наружу, нужно подобающим образом одеться. Температура на Титане куда ниже, но погода там спокои?нее.

Главное отличие Антарктики от Титана в том, что в Антарктике можно дышать атмосферным воздухом. Атмосфера Земли почти на 80 % состоит из азота и на 20 % — из кислорода. Атмосфера Титана — на 95 % из азота и на 5 % из метана. Мы не можем жить без кислорода, но всё же воздух Титана для нас не является мгновенным ядом. В нём достаточно цианида, чтобы от него сильно разболелась голова, а азот приведёт к наркозу, знакомому водолазам: обратимому состоянию, похожему на опьянение. При поломке дыхательного аппарата вы потеряете сознание через минуту, но вас можно возвратить к жизни, если вовремя предоставить доступ к кислороду.

Люди научатся летать

Давление атмосферы Титана на 50 % выше, чем на Земле. Этои? атмосферы более чем достаточно для защиты от радиации и микрометеоритов. Из-за холода воздух также вчетверо плотнее, чем на Земле. Это приводит к двум любопытным побочным эффектам. Первыи? — медленно меняющаяся устои?чивая погода. Второи? — в слабом поле тяготения Титана легко летать.

Тяготение Титана составляет лишь 14 % земного, даже меньше, чем лунные 17 % (Титан куда крупнее Луны, но Луна содержит больше скальных пород, масса которых порождает более сильное тяготение, чем вода, из которои? по большеи? части состоит Титан). В слабом лунном тяготении астронавты «Аполлона» передвигались прыжками, как при замедленнои? съёмке, будто воздушные шарики, отскакивающие от пола. На Титане с ещё меньшеи? гравитациеи? их бы дополнительно поддерживала плотная атмосфера; в костюме с крыльями они легко планировали бы на значительные расстояния.

Стоит добавить немного движущеи? силы — и человек сумеет летать на Титане. Это можно делать, взмахивая крыльями, прикреплёнными к рукам, или с помощью педалеи?, соединённых цепнои? передачеи? с пропеллером. Электрическии? пропеллер был бы практичнее и удобнее, ведь не очень-то приятно потеть в очень тёплои? одежде от интенсивных физических нагрузок. Если сломаются крылья, аппарат плавно опустится на поверхность со скоростью около шести метров в секунду. Предельная скорость падения в атмосфере Титана в десять раз меньше, чем в атмосфере Земли.

Тело человека на Титане изменится безвозвратно

Ещё более разительное отличие жизни в Антарктике от жизни на Титане — возможность вернуться домои?. Человеческое тело, вероятно, приспособится к Титану таким образом, что это затруднит возвращение на Землю.

Наши тела обусловлены тяготением. Кости бегунов формируются более прочными благодаря силе, с которои? их стопы сталкиваются с землёи?. Пациент, надолго прикованныи? к больничнои? кои?ке, теряет мышечныи? тонус и порои? ослабевает настолько, что не может стоять. NASA разобралось, как тренировать астронавтов на МКС, чтобы они сохраняли мышечную массу и плотность костеи? в ходе шестимесячного пребывания в невесомости, но для этого требуется проводить на специальных тренажёрах по два часа в день. Большинство колонистов на Титане, скорее всего, будут придерживаться распорядка тренировок не лучше типичного обитателя Земли с неиспользованным абонементом в спортзал. Со временем они, скорее всего, слишком ослабнут для того, чтобы жить на Земле.

Жизнь в вечной тени Сатурна

Колонисты также будут зависеть от искусственного освещения. Каждыи?, кто жил в северных широтах, знает, что естественныи? свет и темнота регулируют жизнь, влияют на настроение и работоспособность как в помещениях, так и на улице. На полюсах солнце светит всё лето, а всю зиму стоит ночь. На полюсах никто, кроме исследователеи?, не живёт, но жителям северных регионов намного южнее полюса всё равно приходится приспосабливаться к изменениям освещённости физически и с помощью технологии?. Коренные народы пережидали зиму, получая из пищи вроде жира морских млекопитающих витамин D, которыи? жители умеренных климатических зон получают от Солнца. Летом народы Севера становятся энергичными и долгими солнечными днями запасают пищу.

Современные обитатели полярных климатических зон поддерживают суточныи? цикл сна и бодрствования искусственным освещением. Они питаются обработаннои? пищеи?, содержащеи? витамин D (однако зачастую в недостаточном количестве). В отсутствие регулируемого суточного цикла и достаточного количества яркого света и витамина D многие люди впадают в депрессию и сезонную хандру, начинающуюся с осенним ослабеванием естественнои? освещённости.

На Титане освещение помещении? и подобающая диета будут круглогодичнои? необходимостью. Естественные циклы света и темноты будут совершенно непривычными. Будучи спутником Сатурна, Титан всегда повёрнут к нему однои? и тои? же сторонои?. Однако оранжевая атмосфера, вероятно, не позволяет увидеть звёзды и планеты. (Во всяком случае, Титан находится в плоскости колец Сатурна, так что их не будет видно.) Колония, без сомнения, была бы построена на стороне Титана, обращённои? к Сатурну; в этом месте отражённыи? от Сатурна свет, вероятно, поддерживает слабую освещённость в течение всего дня, за исключением времени, которое Титан оказывается в тени Сатурна. День длится 16 земных суток, так что пару недель освещение будет слегка усиливаться Солнцем, а следующая пара недель будет потемнее. Год на Титане равняется 29 земным годам, так что каждое из четырёх времён года длится примерно семь с половиной лет. «Кассини» исследовал Титан почти половину местного года, начав летом у южного полушария; сеи?час начинается лето в северном полушарии, и мы лишь начинаем понимать влияние сезонов на погоду.

Нам пока ещё многое неизвестно о Титане, но мы знаем, что если туда доберёмся, то смогли бы там жить.

Источник: go.batenka.ru