Что мы имеем сегодня?

Почти полвека человек стоит на грани освоения новых планет. Многие ученые уверены: единственная причина неудач и тормоз в этом деле — деньги. А их нужно немало. Но на самом деле есть и другой, не менее весомый аргумент: мы пока не научились жить в космосе независимо от Земли. Наше космическое производство сложно представить на других планетах, пища и вода — чаще всего в запасах. Но для реального освоения жизнь в космосе не должна быть лишь колониальным поселением Земли.

Достаточен ли сегодняшний уровень освоения космоса, чтобы поддерживать там полноценную жизнедеятельность? Не совсем. Для начала нам нужно создать искусственную биосферу, которая и на Земле, и в космосе зарекомендует себя как независимая и самодостаточная система.

Пока современная космонавтика — это:

• солнечные батареи, иногда РИТЭГи;

• химические двигатели, иногда электроракетные;

• металлические сплавы и композиты;

• физико-химические системы жизнеобеспечения;

• проектирование и производство на Земле большими коллективами.

Реальный скачок произойдет лишь тогда, когда полет на соседнюю планету станет таким же рутинным занятием, как стал перелет с одного континента на другой.

Развитие «лунных городов» и «марсианских деревень»

Что нужно изменить в космонавтике, чтобы мы смогли построить свои лунные города и марсианские деревни?

Внедрить новые источники энергии. Речь идет о ядерных, термоядерных реакторах, реакторах на аннигиляции вещества и антивещества. Кроме того, о фотонных двигателях, которые позволят сократить время полета с нескольких месяцев до часов и дней.

Применять в производстве более легкие и компактные материалы. Например, углеродные нанотрубки, графен, высокотемпературные сверхпроводники.

Развивать замкнутые биологические системы жизнеобеспечения. Чтобы жить независимо от «Большой Земли», необходимо создать БСЖО с оптимальными условиями для комфортной жизни человека.

Проектировать локально и производить в космосе из местных ресурсов. Например, все необходимые детали для строительства каких-либо сооружений не везти с Земли неделями или месяцами (а мы говорим о дальнем космосе), а готовить их на месте. Так быстрее и проще, более того, без этого человечество вряд ли сможет по-настоящему освоить далекие планеты.

Шаги к покорению Марса, которые мы уже сделали

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) ― проект международного экспериментального термоядерного реактора, который строится во Франции (исследовательский центр Кадараш). Окончание строительства запланировано на 2025 год, а бюджет постепенно вырос до 19 миллиардов евро.

Ядерные ракетные двигатели РД-0410 и NERVA прошли наземные испытания, но в космос их не запустили. Эти реакторы показали себя хорошо, они давали удельный импульс примерно в два раза больший, чем текущий химический. Однако обе разработки свернули.

Однослойные углеродные нанотрубки от российской компании OCSiAL — перспективная разработка для использования в качестве конструкционного материала.

Китайский эксперимент по годовой изоляции в комплексе «Лунный дворец-1». Он успешно завершился в 2018 году. В нескольких помещениях 12 месяцев жил экипаж из 8 человек. Там был воссоздан замкнутый круговорот веществ, в котором 98% создавалось внутри комплекса, и только 2% массы веществ приходилось получать снаружи.

Технология 3D-печати непрерывными углеродными волокнами — также разработка российской компании «Анизопринт», которая позволяет создавать сложные и прочные детали из пластика.

БСЖО и их роль в будущем космонавтики

Нет сомнений, что ученые и инженеры ежедневно думают над созданием оптимальных источников энергии, материалов, условий для того, чтобы жизнь на других (очень удаленных от нас) планетах стала реальностью.

Из перечисленных здесь перспектив самое «простое» для нашего обсуждения — это биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО).

В докосмическую эпоху системы жизнеобеспечения решали вопрос достаточного количества кислорода на борту. Потому что когда люди начали летать на шарах, наполненных легкими газами (водородом или гелием), то по мере подъема стало понятно, что дышать на высоте нечем. Тогда экипаж загружал кислород из баллонов, а углекислый газ разрушал химически (гидроксидом кальция).

Первые СЖО применили на «Спутнике-2» и КК «Восток». Их принцип заключался в том, чтобы поглощать углекислый газ и получать кислород прямо на судне, потому что срок полета увеличился, и брать с собой все большее количество баллонов — уже не рационально. Однако запасом продолжали брать воду и пищу.

За 40 лет (начиная с 1961 года) длительность полета выросла с 1,5 часов до 400 суток (экспедиция на Марс потребует 500 суток). При организации длительных полетов правильно стремиться к использованию того, что есть на борту (хотя бы частично).

Частично-замкнутые СЖО — например, СЖО станции «Мир», где кислород получали на воздушном судне, предусматривала частичную регенерацию воды из влаги и урины, а углекислый газ поглощал цеолит. Но пищу по-прежнему приходилось брать с собой.

Замкнутые СЖО — например, проект «Биос-3». Кислород — получают, углекислый газ — разрушают, воду и еду — синтезируют (регенерируют, выращивают) прямо в космосе. В последнем вопросе наиболее перспективно себя проявили микроводоросли — Chlorella, которые оказались наиболее устойчивыми к внешним воздействиям.

БСЖО — системы, которые позволят человеку создавать искусственную биосферу в космосе (вырабатывать кислород, утилизировать углекислый газ, выращивать еду и добывать воду).

Но для их развития есть ряд преград:

• пока нет полномасштабных экспериментов с БСЖО в космосе;

• системе требуется управление: возможно, что БСЖО имеет ограниченные возможности по саморегуляции, а значит, нуждается в контроле;

• большие затраты энергии, вызванные необходимостью выращивать на борту растения;

• нет серьезной необходимости в БСЖО, пока мы летаем близко к Земле (в этом случае проще по-прежнему вывозить запасы с собой).

Проект «435nm»

Александр Шаенко также рассказал о проекте по выращиванию микроводорослей — «435nm», в котором принимает непосредственное участие.

«Кроме космоса, микроводоросли могут применяться и на Земле. Общий объем рынка составляет 500 миллиардов долларов (для сравнения, годовой бюджет NASA — 10 миллиардов долларов), а рост 15% в год. В 2016 году мы начали строительство экспериментальных установок (200, 401, 402, 402.3) — фотобиореакторов для отработки режимов культивации хлореллы», — подчеркнул Александр Шаенко.

Что в этом проекте уже сделано?

• разработана бортовая система управления устройствами реактора на основе микроконтроллеров STM32;

• создан центр управления реактором на PC;

• разработана математическая модель установки;

• отлажена культивация с продуктивностью 1 г/л в сутки.

Планы по развитию:

• поиск инвестиций;

• достижение продуктивности 10 г/л в сутки;

• разработка установки для наземного применения.

 

Александр Шаенко — кандидат технических наук, популяризатор космоса. Принимал участие в разработке ракет-носителей «Ангара-А5» и KSLV, отечественной космической обсерватории «Миллиметрон», частного российского спутника DX1 компании Dauria Aerospace. Был главным конструктором в команде «Селеноход», руководитель проекта 435nm по созданию фотобиореактора.

Полностью лекцию Александра Шаенко можно посмотреть по этой ссылке. Организатор выступления ― сообщество «Твой сектор космоса».