Ведущие страны наращивают бюджеты на разработку космических технологий, которые позволят однажды полететь на Марс и дальше. По прогнозам BIS Research, объем этого рынка будет расти более чем на 6% в год и достигнет $33,90 млрд к 2030 году. «РБК Тренды» разбирались, какие технологии позволят человечеству добраться до границ Солнечной системы.
Сверхтяжелые ракеты с дозаправкой
Космические агентства создают усовершенствованные ракеты для транспортировки пилотируемых миссий в дальний космос. Так, в рамках программы NASA «Артемида» разрабатывают тяжелый грузовой корабль под названием «Система космического запуска» (SLS). После серии миссий на Луну его смогут использовать и для более дальних полетов. Частные игроки, такие как SpaceX и Virgin Galactic, тоже разрабатывают собственные ракеты. Сверхтяжелую ракету компании Илона Маска Starship пока испытывают, но ее уже выбрали для доставки астронавтов на Луну в 2026 году. До этого SpaceX должна не только продемонстрировать успешный запуск, но и доказать, что ее система дозаправки Starship в космосе будет стабильно работать. Предполагается, что дозаправлять корабль с экипажем будут модифицированные под танкеры версии Starship. Это позволит ему летать дальше Луны, в том числе на Марс. «Чтобы добиться колонизации Марса в течение трех десятилетий, нам нужно, чтобы производство кораблей составляло 100 Starship в год, но в идеале до 300 в год», — заявил Илон Маск цели компании.
Одновременно NASA объявило, что воспользуется ракетой New Glenn от Blue Origin для отправки новой миссии на Марс. Двухступенчатая тяжелая ракета доставит сразу два марсианских зонда Photon. Это произойдет либо в августе 2024 года, либо в конце 2026 года. В рамках миссии Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorer (ESCAPADE) зонды будут изучать взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Марса.
Сама Blue Origin работает над проектом космического буксира Blue Ring. Он сможет оказывать услуги «космической логистики и доставки» с околоземной орбиты в окололунное пространство и за его пределы. Кроме того, Blue Ring является дозаправляемым и позволит доставлять топливо для других космических кораблей.
Ядерные и детонационные двигатели
Несколько лет назад NASA возобновило свою ядерную программу, чтобы разработать установку, которая могла бы долететь до Марса за 100 дней. Так, совместно с Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США Агентство DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) разрабатывает ядерно-тепловую двигательную установку (NTP) для быстрых транзитных миссий на Марс. В системе NTP ядерный реактор выделяет тепло, которое заставляет водородное или дейтериевое топливо расширяться, а затем направляет его через сопла для создания тяги.
Одновременно в 2023 году в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) агентство также выбрало концепцию для разработки такого двигателя. В этой установке, разработанной руководителем программы по гиперзвуку в Университете Флориды Райаном Госсе, используется «цикл возбуждения волнового ротора», что может сократить время полета до Марса до 45 дней. Ядерно-электрическая двигательная установка (NEP) полагается на ядерный реактор с ионным двигателем. Он генерирует электромагнитное поле, которое ионизирует и ускоряет инертный газ (например, ксенон) для создания тяги.
Также NASA профинансировало стартап Positron Dynamics, который разработал ядерный двигатель на осколках деления (ЯРОД). В нем для создания тяги используются горячие продукты ядерного деления. Теперь авторы проекта работают над тем, чтобы перенаправлять осколки ядерного распада в одном направлении, обеспечивая необходимую тягу для ракет.
Пока же NASA планирует первую миссию Dragonfly для проверки работы квадрокоптера с ядерной установкой на спутнике Сатурна Титане. Он в течение двух лет будет изучать состав песка спутника Сатурна, чтобы выяснить, есть ли в нем органические соединения. Не имея возможности использовать солнечную энергию в туманной атмосфере Титана, Dragonfly будет работать на многоцелевом радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (MMRTG). Миссию планируют запустить в 2028 году.
Кроме того, ведутся разработки вращающихся детонационных ракетных двигателей (ВДД). Это установки, которые используют одну или несколько детонационных волн, непрерывно распространяющихся по кольцевому каналу. При детонации продукты горения расширяются со сверхзвуковой скоростью, что позволяет сэкономить топливо и повысить мощность установки. В декабре 2023 года инженеры Центра космических полетов имени Маршалла NASA успешно испытали напечатанный на 3D-принтере ВДД. Как заявили испытатели, его характеристики соответствуют требованиям для работы в глубоком космосе, когда космический корабль может взять курс с Луны на Марс. По их словам, это позволит создавать легкие двигательные установки, чтобы отправлять больше массы полезной нагрузки в дальний космос.
Световые паруса и лазеры для ускорения кораблей
Для того чтобы отправлять миссии в дальний космос, также нужны установки, которые смогут обеспечить высокую тягу и постоянное ускорение кораблей. В настоящее время исследователи изучают потенциал сфокусированных массивов лазеров и световых парусов. Подобными разработками занимаются компании Breakthrough Starshot и Swarming Proxima Centauri.
Кроме того, группа из Университета Макгилла по запросу NASA разработала лазер шириной 10 м, который на Земле будет нагревать водородную плазму в камере позади космического корабля, создавая тягу. Это также потенциально позволит отправлять миссии на Марс всего за 45 дней. Установка Laser-Thermal Propulsion (LTP) мощностью 100 МВт сможет обеспечить энергией космический аппарат на расстоянии почти до Луны. Она нагревает водородное топливо до температуры 10 000 К. Лазеры фокусируются в камеру нагрева водорода, который затем выводится через сопло. Теперь команда испытывает более мощную установку. Если эксперименты окажутся удачными, то миссии в дальний космос будут занимать всего несколько недель.
Для поддержания работы миссий в дальнем космосе NASA также работает над проектом солнечной электрической двигательной установки (Solar Electric Propulsion, SEP). В рамках проекта испытывают передовые технологии, в том числе солнечные батареи, системы управления и распределения энергии высокого напряжения, блоки обработки энергии и системы диагностики энергосистем. Одна из последних тестируемых разработок — прототип усовершенствованной электрической двигательной системы (AEPS). Это 12-киловаттный двигатель, в котором для создания тяги используется непрерывный поток ионизированного ксенона. Такая система в перспективе позволит разогнать космический корабль до чрезвычайно высоких скоростей, используя относительно немного топлива, что позволит запускать миссии в дальний космос. Первые три двигателя AEPS установят на лунной станции Gateway.
Связь и навигация в дальнем космосе
Прежде чем начать отправлять миссии в дальний космос, нужно решить проблему связи с ними. В октябре 2023 года NASA провело эксперимент по оптической связи в глубоком космосе (DSOC), который может изменить способы коммуникации между космическими аппаратами. В ходе него получилось отправить данные с помощью лазера на расстояние, большее, чем от Земли до Луны. В рамках эксперимента на телескоп Хейла в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего с расстояния почти 16 млн км направили луч лазера ближнего инфракрасного диапазона. В нем содержались закодированные тестовые данные. Систему DSOC поместили на борт космического аппарата «Психея». Она передала сигнал во время полета аппарата к главному поясу астероидов между Марсом и Юпитером. В NASA отмечают, что лазер способен транслировать данные со скоростью, которая в 10–100 раз превышает скорость радиоволновых систем, что традиционно используется в других миссиях. Агентство в рамках демонстрации возможностей системы передало на Землю фото из созвездия Рыб, а также 15-секундное видео в высоком разрешении. Максимальная скорость передачи данных по лазеру составила 267 Мбит/с, средняя — 62,5 Мбит/с. На передачу ролика ушло всего 1,5 минуты.
В феврале 2024 года NASA также предложило частной космической отрасли представить планы по миссиям на Марс, включая услуги по организации связи в дальнем космосе. Они должны продумать решения для передачи данных как на наземные, так и на орбитальные станции.
Кроме того, агентство пытается решить проблему навигации в дальнем космосе, которую невозможно организовать традиционными методами, используя спутники. В 2018 году NASA разработало технологию автономной навигации Station Explorer для технологии рентгеновской синхронизации и навигации (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, SEXTANT). Она использует пульсары или нейтронные звезды в качестве путеводителей.
Наконец, в NASA разработали и испытали атомные часы для глубокого космоса (Deep Space Atomic Clock). Они уже показали абсолютную точность, так как отстают за 10 тыс. лет всего на одну секунду. В перспективе это позволит запускать пилотируемые миссии в дальние уголки Солнечной системы и за ее пределы. Сейчас разрабатывается улучшенная модель таких атомных часов (Deep Space Atomic Clock 2). Их планируют установить на корабле Veritas, который отправится на Венеру, составит полную топографическую карту планеты и совершит посадку.
Космическая робототехника
Космические агентства разрабатывают роботизированные спускаемые аппараты, которые смогут исследовать другие планеты вместо людей или же будут строить обитаемые пространства для астронавтов. NASA работает в партнерстве с такими американскими фирмами, как Astrobotic Technology, Masten Space Systems и Moon Express, для разработки лунных роботизированных модулей. Кроме того, американское космическое агентство в январе 2024 года протестировало способности роботизированной системы ARMADAS, которая может самостоятельно собираться для создания различных структур на других планетах. Потенциально это позволит создавать разные элементы инфраструктуры, такие как солнечные электростанции, башни связи и временные постройки для экипажа на других планетах. В системе используются различные типы роботов, в том числе похожие на небольших червей. Они могут собирать, ремонтировать и перераспределять материалы для различных структур. ARMADAS использует небольшой набор трехмерных строительных блоков или вокселей из композитных материалов для формирования структуры. Роботы могут работать на орбите, на поверхности Луны или на других планетах даже до прибытия людей. Систему можно удаленно запрограммировать для создания разных типов объектов. В ходе экспериментов роботы построили убежище из сотен вокселей чуть более чем за четыре дня работы. В NASA отметили, что при отправке системы на Луну за год до высадки туда людей она успела бы соорудить 12 подобных укрытий. Такие мини-роботы смогут автономно заряжаться на станциях или даже получать энергию по беспроводной сети.
Наконец, NASA разрабатывает гуманоидного робота «Валькирия» для будущих миссий на Марс. В 2023 году его начали испытывать в Австралии, чтобы продемонстрировать возможности робота в автономной работе, а также его способности выполнять задачи в сложных условиях. «Валькирия» будет использоваться компанией Woodside Energy в Перте для разработки технологий ухода за беспилотными и морскими энергетическими объектами. Предполагается, что возможности «Валькирии» будут применяться в миссиях «Артемида» и других. Так, робот сможет проверять работу аппаратуры и обеспечивать ее техническое обслуживание. В будущем его можно будет использовать на космических производствах, которые позволят поддерживать длительное пребывание астронавтов на других планетах.
