Марс

Вы слышали о планах SpaceX отправить нас на Марс и построить долгосрочную базу. Изыскания человечества в межпланетном пространстве! Звучит фантастически, правда? Но с Марсом есть одна вопиющая проблема, о которой мало кто говорит. Это не токсичная почва, не смертельная радиация, не разреженная атмосфера, слабая гравитация или ничтожное количество воды. Даже если мы решим эти проблемы, Марс не станет нам уютным домом. Большая проблема заключается в энергии.

Чтобы поддерживать человечество, особенно на такой негостеприимной планете, как Марс, нужно много энергии. В сравнении с Землёй Красная планета холодная, токсичная и безвоздушная, а это значит, что как только мы доберёмся туда, понадобится устрашающее количество жизнеобеспечения.

База нуждается не только в давлении, но и в постоянном уравновешивании уровней углекислого газа, кислорода и азота, и всё это в то время, пока поддерживает тепло, чтобы защититься от холода снаружи.

Чтобы наши пионеры выжили на Марсе, еду и воду нужно вырастить, дистиллировать и переработать. Всё это отнимает довольно много энергии. Не говоря о том, сколько нужно кофе, чтобы оставаться в здравом уме.

Подсчитано, что марсианской базе потребуется около 90 кВт на человека. а значит, на миссию в 12 человек потребуется 1080 кВт. Это примерно такая же мощность, что и у Bugatti Chiron на непрерывном полном газу. Для сравнения: в среднем американском доме потребляется 1,4 кВт, а это потребление постоянно включенного чайника. Как доставить такое огромное количество энергии на Марс?

Один из вариантов Солнце. Солнечные батареи относительно недороги, просты в установке и настройке. Даже я могу взять простую схему солнечной панели, чтобы заряжать телефон. Не нужно иметь степень физика-ядерщика, чтобы их эксплуатация была безопасной. Так почему бы не построить на Марсе массивную ферму солнечных батарей?

Ну, есть две причины, почему эта идея плохая. Марс дальше от Солнца и получает намного меньше солнечной энергии, то есть около 60 % от той, что доходит до Земли. Я легко сгораю на Солнце, так что для моих ушей это звучит как музыка. Солнечные панели на Земле могут производить 0,175 кВт на квадратный метр батареи, но на Марсе они смогут выдать только 0,105 кВт/м. Для питания базы понадобится 10 286 кв.м, но это при условии, что панели всё время идеально освещены!

На самом же деле половинусуток одна из сторон планеты не освещена, так что нужно умножить площадь на 2, получается 20,571 кв.м., а это 4,6 полей для регби. Нужна огромная батарея с ёмкостью не меньше 12960, чтобы обеспечивать питание ночью.

Если измерять в нынешних батареях Tesla, такая батарея весила бы около 82 тонн. Для команды в 12 человек это огромный груз, чтобы просто взять и установить его, имея в виду, что сделать это нужно достаточно быстро, иначе у наших исследователей не будет еды, тепла и кислорода.

Но ещё эта цифра предполагает чистое небо На Марсе нет облачного покрова, как на Земле, но есть покрывающие всю планету пыльные бури, они закрывают Солнце на недели или, возможно, месяцы. Когда ваша жизнь зависит от солнечной энергии, это нехорошо: из-за этих бурь мощность упадёт фатально. Прекратится рост растений, то есть еды, отключатся кислородные машины, уйдёт тепло, остановится переработка воды, перестанет работать даже кофемашина. Из-за большой бури наша солнечная база погибнет. Так что давайте не будем полагаться на Солнце.

А что насчёт возобновляемых источников, ветряными или геотермальными? Атмосфера Марса настолько тонкая, что сила ветра нам не подходит, но геотермальные источники, возможно, будут работать.

Прямых доказательств существования термальных источников у нас нет, кроме случайных выбросов метана, однако они могут исходить от организмов, подобных бактериям. Более того, если и есть геотермальные источники, то они пролегают на глубине километров. Чтобы добраться до такого источника энергии, потребуется огромная инфраструктура, которой на Марсе нет.

В сравнении с Землёй Марс геологически мёртв. На планете нет активных вулканов, разломов или всплесков магмы, поэтому количество энергии от одной геотермальной станции сомнительно. Вполне возможно, что возобновляемая энергия не будет стоить монументальных усилий.

Значит, никакие современные возобновляемые источники энергии на Марсе работать не будут. А что насчёт чего-нибудь более опасного, например ядерной энергии?

Мы бы посмеялись, если бы на Земле уже работала энергия синтеза . Можно было бы задействовать поток электричества, чтобы разделить марсианскую воду на кислород и водород, насытив кислородом базу и обеспечив реактор топливом. Даже грустно, что такого технологического чуда не существует.

Мы могли бы использовать те же плутониевые реакторы, которые обеспечивают энергией марсоход Opportunity (MMRTG), они лёгкие, мощные и безопасные по замыслу. Они берут тепло радиоактивного распада и с помощью термоэлектрических генераторов превращают его в электричество, поэтому нет необходимости в массивных паровых турбинах, которые применяются на Земле. Но это даст только 0,124 кВт на реактор в 45 килограмм. Чтобы обеспечить энергией базу из 12 человек, (которая весила бы 391 тонну), нам понадобилось бы 8709 таких реакторов!

Не знаю, что думаете об этом вы, но тащить такую массу на Марс всего на 12 человек, это звучит не очень практично.

К счастью, в NASA разработали новый реактор систему Kilopower Эта система использует уран и двигатели Стерлинга, чтобы получать 10 кВт электроэнергии в течение 15 лет, а весит всего 1500 кг! Чтобы обеспечить питанием базу и 12 человек, нам понадобилось бы 108 таких реакторов, а весить она будет в общей сложности 163 тонны. Это значительная экономия, но вес по-прежнему велик.

Космический корабль SpaceX может доставить на Марс до 150 тонн. Это означает, что несколько ракет могли бы доставить всю базу, припасы и 108 реакторов Kilopower, необходимых, чтобы обеспечить базу энергией. Нет необходимости в солнечной энергии нужна просто колоссальная ракета, до краёв набитая реактором и ураном около оружейного. Это кажется безопасным Но перспектива здесь краткосрочная.

Долгосрочный Марс совсем другая история, этих реакторов хватит на 15 лет, а нашим марсианам нужно больше. На поверхности Красной планеты есть урановая руда, которую могли бы использовать наши марсиане. Но есть две проблемы.

Во-первых, прежде чем использовать руду как топливо, её нужно очистить, что требует значительных усилий промышленного масштаба и огромного количества энергии. Даже если вам удастся переработать ядерное топливо на Марсе, мы не знаем, сколько его там. Возможно, большое количество урана распалось в естественных реакторах миллиарды лет назад. Другими словами, похоже, колония всегда будет зависеть от ядерного топлива с Земли.

По мере истощения активной зоны и потери мощности каждые 15 лет 108 реакторов будут нуждаться в замене урана. Каждому реактору необходимо 226 кг урана, то есть 24400 кг, чтобы загрузить топливом все реакторы. Это возможно сделать с помощью одного межпланетного корабля SpaceX, так что заправка базы из 12 человек вполне выполнима.

Когда мы смотрим на крупномасштабный марсианский город, а не просто на одинокую базу, ситуация ухудшается и зависимость Марса от Земли становится очевидной. Допустим, в марсианском городе с населением 100 000 человек мы можем снизить потребление до 10 кВт на человека (оценочное предположение). Понадобится 100 000 реакторов Kilopower, требующих 22 600 тонн урана каждые 15 лет. Это, относительно небольшое количество урана. Типичная земная атомная электростанция потребляет в 4,6 раза раза больше.

Этот значительный груз помещается в чуть больше чем 150 кораблей разом, за один заход, можно отправлять на Марс 22 загруженных ураном звездолета каждые 26 месяцев, когда Марс максимально приближен к Земле. При этом даже не учитываются контейнеры, которые понадобятся для безопасного хранения урана, так что нужно ещё больше ракет. Счета за городское электричество будут мучительно болезненными.

В действительности мечта Илона Маска о независимом Марсе это залог. Если колония полагается на постоянный поток ядерного топлива с Земли, то как она вообще может стать независимой? Вряд ли марсиане смогут торговать с Землёй, поскольку на Марсе нет ни одного ценного ресурса, которого не было бы в изобилии на Земле. В смысле энергии Марс, кажется, навсегда связан с Землёй.

Что еще хуже, запасы урана иссякнут. Даже не принимая во внимание утечку топлива на Марс, при наших нынешних темпах потребления мы исчерпаем качественный в смысле топлива уран чуть больше чем через 200 лет: на Земле осталось приблизительно 5,5 миллионов метрических тонн этого вещества.

Если к тому времени Марс не сможет перейти на другой источник энергии, колонии придется искать ядерное топливо в другом месте. Это трудно, даже если возможно. Можно либо перерабатывать некачественный марсианский уран, либо добывать иные радиоактивные элементы из пояса астероидов. Оба варианта скорее всего не станут практичными ещё 200 лет, если практичность здесь вообще возможна.

Так какой источник энергии мы можем использовать? Если колония переключатся на солнечную энергию и если не будет достаточных запасов энергии, одна сильная пыльная буря убьёт всех людей на планете. Даже если иметь в виду очень большую солнечную ферму и лучшие аккумуляторы, люди всё равно жили бы в страхе перед пыльными бурями.

Это может прозвучать мрачно, но Марс энергетически мёртв. Есть шанс, что на Марсе существует какая-то жизнь, зацепившаяся за небольшое количество химической и планетарной термальной энергии, но Земля в этом смысле в другой лиге, именно поэтому человечество может процветать здесь. Если мы действительно собираемся оккупировать Марс, нам нужно адаптироваться к окружающей среде с малым количеством энергии. Мы можем создать герметичные базы, даже терраформировать планету, но есть одна вещь, изменить которую мы не можем: энергии на Марсе меньше, чем на Земле.

Однако надежда есть. Мы знаем, что современное общество крайне нуждается в энергии, из за неё мы превратились в жирных котов, но не хотим так жить. Человечество столь успешно потому, что может адаптироваться, чтобы процветать; то же самое мы можем сделать и на Марсе.

Хотя я показал в этой статье, что обеспечить энергией марсианскую базу или колонию сложная задача, я также показал, что решить её не невозможно. Мы сможем это сделать. Это будет трудно, но мы, люди, чертовски хороши в том, что трудно! Так что увидимся на Марсе?

P.S. А как же межпланетный интернет, а значит и энергия на связь? Не оставим же мы свою марсианскую колонию в информационном вакууме? Вечная зависимость Марса от Земли тоже вызывает вопросы, такая ли она вечная, как говорит о ней автор статьи. В общем и целом остаётся много неосвещенных тем и неучтённых факторов, зато нам есть о чём поговорить в комментариях.

Узнайте, как прокачаться в других специальностях или освоить их с нуля:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

По статистике, 100% населения Марса роботы.

В последние дни только ленивый не смотрел репортажи о марсоходе Perseverance (Персеверанс, ударение на последнюю е). В интернете можно даже послушать ветер красной планеты, он едва пробивается сквозь зуммер механических сочленений марсохода.

Сегодня мы немного сменим акценты и поговорим о вещах более приземленных. Какие технологии обеспечивают работу марсохода? Как задействованы в изучении космоса облачные компании? И в целом каковы планы человечества на марсианские земли в рамках амбициозной миссии.

Облачные вычисления помогают марсоходу не сбиваться с пути

Не так давно Amazon Web Services (AWS) рассказала, какую роль облачные вычисления играют в обработке данных, поступающих с Perseverance.

В течение всей миссии NASA собирается хранить и обрабатывать массивы информации, поступающей с Марса, в облаке AWS. На минуточку, каждый день марсоход присылает рекордное количество фотографий, аудио- и видеозаписи.

Напомним, в течение 2020 года в США проводился конкурс на самое удачное имя для новой марсианской миссии.

Изучить фотографии, сделанные аппаратом, можно на официальном сайте NASA.

В частности, в облаке AWS обрабатываются данные о перемещении Perseverance и том, как он справляется с рельефом. А все фотографии, поступающие с Марса, в необработанном виде отправляются в облако AWS и становятся доступны пользователям по всему миру. Благодаря облачным технологиям NASA удалось всего за несколько часов транслировать 150 ТБ медиаданных и справиться с обработкой до 80 000 запросов в секунду. Впечатляющие цифры, которые совершенно невозможно представить в рамках классической инфраструктуры.

Но трансляцией фотографий дело не ограничивается. Облачные мощности задействованы и для продвинутой системы поиска пути. За прошедшие дни Perseverance смог передать на землю информацию более чем о 200 миллионах точек поверхности Марса. По заявлению NASA, эти данные помогут скорректировать пути перемещения будущих марсоходов и увеличат их скорость на 40%.

Чтобы управлять движением марсохода, [инженерам] необходимо видеть его глазами. Соответственно, отправлять пакеты с новыми инструкциями и получать обратную связь нужно как можно быстрее. Чем больший путь сможет пройти марсоход и чем больше образцов получится добыть, тем успешнее окажется миссия говорят эксперты AWS. В некотором смысле современный марсоход походит на смартфон на колесиках.

После благополучной посадки 18 февраля марсоход пробудет на планете как минимум один марсианский год (порядка 687 земных дней).

В его задачи входит:

• обнаружить горные породы, которые сформировались под влиянием окружающей среды, способной в далеком прошлом поддерживать микробную жизнь;

• собрать образцы грунта и камней, в которых могли сохраниться химические следы (биосигнатуры) древних живых организмов, если они вообще существовали;

• высверлить пробы в 30 перспективных точках планеты и законсервировать их на поверхности для дальнейшего изучения;

• протестировать гипотезу о возможности производства кислорода из углекислого газа, который содержится в атмосфере (для будущих человеческих колоний).

Здесь вы сможете посмотреть разнообразные видеоматериалы о миссии.

Микрофоны на Марсе

В задачи миссии Mars 2020 входит, среди прочего, и изучение геологических особенностей планеты. Для этого Perseverance снабжен массой щупов и датчиков, которые позволяют не только собрать образцы грунта, но и произвести их базовый анализ прямо на месте.

Но зачем на Марсоход повесили микрофон? Вряд ли ученым удастся подслушать разговоры зеленых человечков речь идет о поиске следов микроорганизмов. AWS объясняет это так:

Различные датчики марсохода собирают массу научных данных: состав атмосферы, скорость ветра и погода на Марсе. Микрофоны же записывают звуки планеты. Предполагается, что NASA обработает медиатеку, собранную Perseverance, и выложит её в открытый доступ. Это даст простым пользователям подключиться к изучению Марса наравне с учеными.

Выше местоположение марсохода на момент публикации статьи. Интерактивная карта доступна на сайте NASA.

Послушать аудиозаписи, сделанные во время миссии, можно здесь.

Для хранения полученных с Марса данных используются облачные хранилища. Но, разумеется, это не единственная технология, которая поддерживает космическую миссию.

Космические вертолеты

Чуть выше мы сравнили медиа-возможности марсохода с функционалом смартфона. Разумеется, на практике все гораздо сложнее. Perseverance это сложная научная лаборатория весом в целую тонну. Кроме того, у марсохода есть крошечный (менее 2 кг) летающий дрон-компаньон Ingenuity.

Если всё пойдет по плану, Ingenuity станет первым вертолетом на Марсе. Но важно понимать: расстояние от Земли до Марса составляет 11 световых минут. Это очень много. Если марсоход еще может делать перерывы, чтобы дождаться новых управляющих команд, у летающего аппарата такой возможности нет. Добавьте сюда еще и более разреженную, чем на Земле, атмосферу, и пониженную гравитацию, и летательная миссия покажется и вовсе невыполнимой.

Строго говоря, особых надежд на Ingenuity ученые не возлагают. Это, скорее, демонстрация технологии, чем полезный инструмент. Если дрон разобьется, основная миссия продолжится в штатном режиме.

Поскольку управлять Ingenuity вручную невозможно, инженеры NASA разработали для него специальную программу на базе Linux и своего фирменного фреймворка F (F prime). Главная задача проекта доказать, что комбинация современного стокового железа и программного обеспечения с открытым кодом может поднять летательный аппарат над поверхностью Марса.

Под капотом у дрона четырехъядерный ARM-процессор Qualcomm Snapdragon 801 на частоте 2,2 ГГц. К слову, это более мощный процессор, чем тот, что установлен на самом марсоходе. NASA важна в первую очередь не производительность, а стабильность: чипы, используемые в космических миссиях, должны соответствовать стандарту High-Performance Spaceflight Computing (HPSC). Разработка таких процессоров и их доскональное тестирование занимают годы. Так как подпроект Ingenuity менее важен, чем Perseverance, ученые решились использовать в нем стандартный земной CPU.

Подробнее о вертолете на сайте NASA.

Теперь коснемся ПО: непосредственно пилотирующая программа работает на частоте 500 герц. Именно герц, а не мегагерц. По словам инженеров, такой частоты опроса датчиков будет вполне достаточно, чтобы вертолет мог стабильно держаться в назовем это воздухом.

В качестве ОС специалисты остановились на Linux. Здесь ничего удивительного: уже много лет космическое агентство использует в своих проектах модифицированные версии этой ОС. Так, на базе Linux работают компьютеры NASA на МКС.

Что касается фреймворка любой энтузиаст может бесплатно скачать и использовать его в домашнем проекте. Притом без необходимости закупать дорогое и редкое железо всё заточено под стандартные off-the-shelf компоненты.

F включает:

• Архитектуру, разделяющую ПО для полетов на отдельные компоненты с четко определенными интерфейсами.

• Базовый фреймворк C++ с поддержкой основных возможностей, таких как очереди сообщений и потоки.

• Инструменты для определения компонентов и связей.

• Постоянно развивающийся набор готовых к использованию компонентов.

• Инструменты для тестирования летного программного обеспечения.

Взлетит или не взлетит покажет время. Важен сам факт: инженеры и программисты NASA готовы делиться частью своих наработок с любителями электроники по всему миру. Так что, если вы полны желания собрать собственный марсолет всё необходимое уже есть под рукой. Останется только построить ракету, которая отнесет его к Марсу (или договориться со спецом по полезной нагрузке). :)

В заключение приведем несколько интересных ссылок от NASA и информационных агентств

• График мероприятий и прямые трансляции

• Свежие новости о миссии

• Загружаемые материалы о миссии

• Полная оптимизма статья о партнерстве между AWS и NASA

• Детализированный обзор марсохода

Впервые в истории хитрый вертолёт покорит небеса другой планеты. Чтобы убедиться, что марсолёт готов к дебюту на Красной планете, инженеры NASA в Пасадене, в Калифорнии, разработали прототипы Изобретательности (название марсолета). Они подвергли один прототип строгим испытаниям, чтобы увидеть, сможет ли он пережить низкие температуры и вибрации, которые связаны с посадкой. Другой прототип разрабатывался специально для лётных испытаний, проходивших в камере диаметром 25 футов, созданной JPL для имитации вакуума. В этой статье, Popular Mechanics побеседовал с Бобом Баларамом и Ховардом Фейзером Грипом, чтобы узнать, какие технические особенности делают первый марсолёт поистине новаторским.

Всё почти готово к шоу. Когда таинственный внеземной вертолёт отделится от марсохода, чтобы провести серию в 5 тестовых полётов длительностью от 30 до 90 секунд, у него будет 30 марсианских суток, а каждые марсианские сутки состоят из 24 часов, 39 минут и 35 секунд. Хореография почти всех самых амбициозных прыжков марсолёта будет поставлена самой Изобретательностью, а их высота будет варьироваться от высоты одноэтажного дома до 1000 футов.

Тогда как Изобретательность демонстрационная технология, то есть единственная её цель безопасно взлететь в марсианском небе, успешный полёт может изменить наш подход к исследованию Солнечной системы.

Лопасти

Лопасти Изобретательности длиной в два фута разработаны специально для марсианской атмосферы, плотность которой составляет один процент от плотности земной. Вращаясь, лопасти имеют тенденцию махать вверх и вниз, что мешает контролю, рассказывает известный механик Боб Баларам, на Земле это движение гасится, но на Марсе, в разреженной атмосфере, этого не происходит.

Ховард Фейзер Грип, исследователь-технолог, также работающий в JPL, сравнивает нестабильное движение с ездой на велосипеде, нагруженном тяжёлыми сумками из бакалеи, свисающими над рулём. Чтобы противодействовать колебаниям и сделать полёт гладким, лопасти, которые имеют пенопластовую основу и углеродное покрытие, разрабатывались лёгкими, но чрезвычайно жёсткими.

Ротор

Отличительной особенностью системы ротора является его размер, огромный в сравнении с марсолётомв целом.

Это одно из последствий столь низкой плотности, рассказывает Грип. Вам просто нужен большой ротор такой большой, какой только может подойти. И он должен вращать лезвия быстро со скоростью 2800 оборотов в минуту, или более чем в 10 раз быстрее, чем лопасти вращаются на Земле, но при этом не слишком быстро. Скорость звука ниже на Марсе это около 540 миль в час по сравнению с 760 милями в час на Земле, и марсолёт должен двигаться не быстрее этой скорости.

Когда вы достигаете околозвуковой скорости, сопротивление на кончиках лопастей становится очень высоким, рассказывает Грип. В этот момент энергия, необходимая для движения роторов, приводит к взрыву.

У Изобретательности имеются верхний и нижний роторы. Каждый узел содержит тяговый двигатель, шаговые звенья и три сервопривода, которые работают вместе, направляя марсолёт. Четыре дополнительных противовеса, по два на каждый ротор, создают восстанавливающую силу на лопастях при центробежных нагрузках ... снижая требования к крутящему моменту Изобретательности (цитата из исследования NASA).

Инженеры остановились на конфигурации соосных несущих винтов, а не на хвостовом роторе или конструкции квадрокоптера, поскольку такая конфигурация невероятно компактна; это означает, что она легко помещается в марсоход, но при этом не означает, что квадро- и гексакоптеры останутся вне будущих миссий.

Мы исследуем различные конструкции транспортных средств, которые позволили бы нам продвигаться дальше, быстрее и нести больше полезной нагрузки, рассказывает Грип.

Посадочные опоры

Четыре опоры марсолёта из углеродного волокна и эпоксидной смолы очень лёгкие и крепятся к посадочной платформе с помощью деформируемых алюминиевых элементов на шарнирах, которые помогают гасить силу удара и предотвращают подпрыгивание винтокрылой машины.

Мы хотим приземляться уверенно, даже сильно не подпрыгивая, рассказывает Грип. Группа испытателей Изобретательности опробовала опоры на аналогах марсианских поверхностей, включая скалы и песок.

Солнечные панели

Усовершенствованные батареи с метаморфным четырёхпереходным солнечным элементом, которые помогают Изобретательности настроиться на марсианский спектр, рассказывает Баларам. Это означает, что они оптимизированы так, чтобы поглощать большую часть света, который доходит до Марса.

Литий-ионные аккумуляторы

Солнечные батареи будут заряжать шесть литий-ионных батарей Sony Ingenuity. При необходимости аккумуляторная батарея может генерировать около 500 Вт, рассказывает Баларам. В зависимости от сезона и масштаба миссии, чтобы зарядить батареи, требуются примерно одни марсианские сутки.

Навигационные камеры

На Марсе нет магнитного поля, так что компасы и системы GPS бесполезны. Вместо этого марсолёт использует чёрно-белую навигационную камеру, которая во время полёта делает снимки поверхности. На этом кадре камеры мы обнаруживаем особенности грунта, которые отслеживаем, рассказывает Грип. Это помогает увидеть, как мы движемся относительно марсианского грунта. 13-мегапиксельная цветная камера Sony Return-to-Earth будет делать снимки горизонта и отправлять их обратно на Землю, чтобы мы могли просмотреть их.

Эти изображения в сочетании с наблюдениями высотомера-лидара и измерениями инерции помогут Изобретательности принимать решения о том, куда лететь и, в конечном счёте, где приземлиться.

С помощью этих трёх датчиков мы всегда можем отследить, что делает марсолёт и где он находится, рассказывает Грип.

Коробка электроники фюзеляжа

Фюзеляж содержит верхний сенсорный узел, прикреплённый к мачте марсолёта, в свою очередь, включающей инклинометр, инерциальный измерительный блок и элементы защиты электроники вертолёта, которые минимизируют вибрацию в полёте. Нижний узел датчика содержит высотомер, навигационные камеры и второй инерциальный измерительный блок.

Одна из самых серьёзных проблем, с которой столкнется марсолёт, проблема тепла. Средняя температура на поверхности Марса составляет примерно минус 64 градуса по Фаренгейту. Чтобы всё чувствительное электронное оборудование Изобретательности оставалось достаточно тёплым для работы, Баларам и его команда разработали несколько хитроумных методов.

Ссылка на 3D-модель марсолёта:

Батарейный блок, который должен храниться при температуре не ниже 5 градусов по Фаренгейту, расположен глубоко под блестящим фюзеляжем марсолёта, окружён нагревателями и рядом дефлекторов, или карманов марсианской атмосферы.

Оказывается, газообразный CO2 это довольно хороший изолятор, рассказывает Баларам. Кроме того, наружная сторона фюзеляжа покрыта сильным абсорбентом вольфрамовой плёнкой, которая, по словам Баларама, создана, чтобы собирать природное солнечное тепло.

Бортовая радиоэлектроника

В Изобретательность упаковали довольно серьёзные мощности обработки данных. Мозги операции (один из четырёх процессоров на борту) это Qualcomagon 2,26 ГГц Quad-Core Snapdragon 801. Тот же процессор работает в смартфонах и, по словам Баларама, он обеспечивает на два порядка больше вычислительной мощности, чем у любого другого космического аппарата NASA.

Наверное, вычислительная мощность Изобретательности больше, чем у всех космических аппаратов NASA, вместе взятых, рассказывает Баларам.

Обшитый золотом куб содержит плату интерфейса батареи, которая регулирует мощность батареи и двигателей. Другие платы это плата питания марсолёта, FPGA-контроля над полётом, плата контроллера навигации и сервомоторов, которая служит домом для Snapdragon, и плата телекоммуникаций. Все они работают вместе, составляя электронный мозг всей миссии.

Как и другие космические аппараты, Ingenuity иногда будет связываться с Землёй. По коммуникационной антенне, зафиксированной на его солнечной панели, марсолёт отправит данные на приёмник на борту Perseverance (Настойчивость), дальность действия которого составляет почти 1000 футов (305 метров).

Какой бы хитроумной не была начинка космических аппаратов, без чего они точно никогда не взлетят так это без грамотной работы с данными. Например в SpaseX используют Data Science для работы над интеллектуальными системами диагностики и обнаружения неисправностей, а в NASA и вовсе используют большие данные для всего: от прогнозирования погоды на Земле до мониторинга ледяных шапок на Марсе и определения размера и формы сотрудников НАСА. А научиться обрабатывать и анализировать данные можно у нас, на направлениях Data Science и Data Analytics.

• Курс по Data Science

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Продвинутый курс по Data Analyst

• Курс по Data Engineering

Об успешно проведенном эксперименте по получению кислорода из атмосферы Марса сообщило НАСА 21 апреля. Само испытание состоялось 20 апреля на 60-й день после приземления марсохода "Настойчивость". Результаты пока скромные получено 5 грамм кислорода, которых должно хватить примерно на 10 минут дыхания астронавта.

О MOXIE

Эта экспериментальная установка представляет собой небольшой прибор, размером с аккумулятор легкового автомобиля, который располагается в правой передней части марсохода.

MOXIE (Mars OXygen In-situ Resource Utilization Experiment) состоит из трех основных узлов. Первый это система сбора и сжатия (CAC), которая собирает марсианский воздух через пылевые фильтры и создает давление, примерно равное земному. Далее сжатый воздух, который на 95% состоит из диоксида углерода, поступает в электролизный блок (SOXE), где электрохимически расщепляется на кислород и моноксид углерода. И наконец в третьем блоке анализа состава (СМ) определяется чистота полученного кислорода, измеряется его количество и оценивается работа системы в целом. После этого он вместе с CO возвращается в марсианскую атмосферу.

Процесс подачи сжатого газа в блок SOXE должен быть тщательно откалиброван, в противном случае может начаться процесс расщепления марсианского воздуха на кислород и твердый углерод, который может вывести систему из строя. Еще один нюанс электролиз идет при температуре около 800 градусов по Цельсию. Для работы в таких условиях теплообменники, которые охлаждают и нагревают сделаны из термостойкого никелевого сплава, а аэрогель выступает в качестве теплоизоляции.

Расщепление двуокиси углерода происходит в электролизных ячейках с твердым электролитом (в MOXIE используется оксид циркония). В результате полученный СО накапливается на катоде, а ионы кислорода объединяются в молекулы на аноде.

Для начала первого цикла работы, MOXIE потребовалось примерно два часа прогрева, после чего он вошел в рабочий режим. После часа работы было получено 5,4 грамма кислорода.

За время исследовательской миссии марсохода Perseverance планируется еще минимум 9 циклов работы MOXIE. Прибор будет испытан при различных погодных условиях, смене времени суток и сезонов.

Перспективы

MOXIE один из проектов программы НАСА под названием ISRU. Она подразумевает использование, хранение и получение ресурсов на других планетах и космических телах. Соответственно их не нужно будет доставлять с Земли.

По словам главного исследователя MOXIE, Майкла Хехта, чтобы вернуть четырех астронавтов с Марса понадобиться около 7 т ракетного топлива и 25 т кислорода. В то же время для дыхания такому экипажу в течение года понадобиться чуть больше тонны кислорода. Поэтому одна из сложностей марсианской экспедиции доставка кислорода с Земли для использования, в первую очередь, в качестве топлива.

Транспортировка такого груза на сегодня представляется сложной и дорогой задачей. По мнению разработчиков, гораздо выгоднее будет доставить на красную планету версию MOXIE, которая справиться с генерированием кислорода в таких объемах. По расчётам прибор будет весить около тонны.

Но для создания полномасштабной версии аппарата, необходимо учитывать некоторые нюансы. Во-первых, это колебания давления и температуры на поверхности Марса. Именно для оценки работы при разных условиях MOXIE будет запускать циклы по выработке кислорода в течение всего года. Датчики прибора будут оценивать эффективность работы и сообщать о проблемах. По словам разработчиков, MOXIE может работать в диапазоне давления от 2 до 12 мм рт. ст. (среднее значение на Марсе 4,5 мм рт. ст.)

Второй момент это энергия. Здесь потребуется альтернатива солнечным батареям, которые на Марсе, скорее всего будут не совсем эффективны. Возможное решение программа НАСА Kilopower, которая направлена создание ядерных реакторов для размещения на космических аппаратах, а также на Луне и Марсе. Тестовый образец был построен в 2017 году. Спустя два года, руководитель проекта Патрик Макклюр сообщил, что первый реактор для летных испытаний будет готов в 2022 году.

И третий нюанс хранение. Сжижение кислорода сам по себе процесс энергозатратный. Плюс понадобятся емкости для его хранения. Пока решение этого вопроса остается открытым.

Несмотря на вышеперечисленные проблемы, возможно работа MOXIE один небольшой шаг, который может приблизить нас к покорению других миров.

Дата-центр ITSOFT размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.

10 февраля 2021 года автоматическая межпланетная станция Тяньвэнь-1 достигла Марса. После успешной корректировки орбиты следующая часть миссии спуск посадочного модуля с марсоходом, который только на днях получил свое название.

Определились с именем

Название первого китайского марсохода в Национальном космическом агентстве КНР (CNSA) решили определить путем онлайн-голосования. В итоге из десяти финалистов осталось три и, наконец, 24 апреля марсоход получил свое имя Чжужун. Название связано с китайской мифологией, в которой Чжужун бог огня и уюта.

В CNSA подчеркнули, что такое название символизирует зажжение пламени китайских планетарных исследований и отражает видение КНР в развитии космической отрасли для блага всего человечества.

На этом символизм не заканчивается. Само название Марс с китайского дословно можно перевести как планета огня. Поэтому логично, что покорять ее предстоит как раз богу огня. Будем надеяться, что с посадкой все сложится так же гладко, как с названиями, а пока немного о технической стороне вопроса.

Марсоход Чжужун

Весит аппарат 240 кг, его скорость движения до 200 м в час, источник питания солнечные панели Из-за них, многие сравнивали марсоход с бабочкой. Расчетный срок службы составляет 3 месяца. Но по некоторым оценкам, Чжужун может проработать гораздо дольше. К примеру, китайский луноход Yutu-2 показал невероятную работоспособность и побил рекорд по длительности эксплуатации лунных аппаратов, хотя заявленный срок службы был гораздо меньше. Возможно и Чжужун возьмет пример с младшего брата и поработает подольше.

На ровере установлено 6 научных приборов:

• RoPeR георадар, предназначенный для сканирования поверхности Марса до 100 м в глубину;

• RoMAG детектор магнитного поля на поверхности;

• MCS метеорологический прибор для сбора данных о давлении, температуре, скорости вертра и его направлении;

• MarSCoDe детектор поверхностных соединений Марса;

• MSCam мультиспектральная камера с 8 диапазонами;

• NaTeCam навигационная и топографическая камеры, установленные на мачте марсохода.

Спускаемая платформа оборудована системой оценки рельефа и уклонения от препятствий. После начала спуска, в ход пойдут аэродинамическое торможение и парашюты. Платформа полностью погасит скорость двигателями с регулируемой тягой и зависнет в 100 м над поверхностью. После оценки места приземления, в случае необходимости, система скорректирует местоположение боковыми двигателями и осуществит окончательное приземление на четыре опоры с максимальной скоростью 3,6 м/с.

Посадку планируют произвести в районе равнины Утопия низменности диаметром около 3300 км в восточной части северного полушария Марса. Здесь в 2016 году были обнаружены большие залежи льда толщиной до 170 м, которые скрыты под несколькими метрами марсианского грунта. На эту же равнину в 1979 году приземлился спускаемый аппарат американской станции Викинг-2.

О программе исследования Марса

Собственную программу по исследованию красной планеты Китай начал еще в 2009 году в сотрудничестве с Россией. В 2012 году Фобос-Грунт должен был попутно доставить первый аппарат КНР под названием Инхо-1 на орбиту Марса. Но как известно, что-то пошло не так, и российская станция вместе с китайским спутником дальше орбиты Земли не улетели. После этого, марсианская программа КНР была пересмотрена.

Станцию Тяньвэнь-1 разработали в CASC Китайской аэрокосмической научно-технической корпорации. Запуск состоялся 23 июля 2020 года РН Чанчжэн-5 с космодрома Вэньчан. В феврале 2021 АМС успешно достигла Марса. После спуска марсохода, станция проведет на орбите планеты с исследовательской миссией еще год. В случае необходимости, программа может быть продлена.

Цели миссии можно разделить на две составляющих. Первая глобальное исследование Марса с помощью искусственного спутника. Вторая изучение отдельной области равнины Утопия, которое включает поиски следов жизни, изучение распределения подземного льда, характеристик и состава поверхностного слоя, получение данных о климате, ионосфере, электромагнитном и гравитационном поле.

Возможно Китайский проект не так амбициозен, как нашумевший Perseverance со своим вертолетом, получением кислорода с помощью MOXIE и т. д. Но если посадка Чжужуна пройдет успешно, то это станет еще одним шагом на пути изучения Марса. Китай станет третьей страной после СССР и США, которой удастся спустить управляемый аппарат на поверхность планеты.

Дата-центр ITSOFT размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.

Но зачем?

Актуальная задача для космонавтики в ближней и среднесрочной перспективе - это доставка полезного груза на Марс (желательно - адресная, с точностью в сотни и десятки метров). Роверы, автоматические станции, дроны, колонисты. И эта задача уже неоднократно решалась, причем с активным использованием разреженной атмосферы Марса, но размеры эллипсов рассеивания для традиционных капсульных спускаемых аппаратов все еще имеют порядок десяти км (для Perseverance - 7,7 км * 6,6 км)

На примерах предложенной в 90-ых годах прошлого века миссии AEOLUS и создаваемого уже в наше время, наши дни SpaceX-ом "Старшипа" показаны возможности аэродинамического маневрирования в атмосфере Марса и особенности, которые более слабая гравитация и разреженная атмосфера Марса накладывают на облик КА, предназначенных для маневра аэрозахвата и управляемого гиперзвукового полета в атмосфере Марса.

Особенности атмосферы

Во-первых, атмосфера Марса намного менее плотная, чем земная. Но и на Земле аэродинамическое торможение начинается на высоте ~80 км, где плотность воздуха составляет всего 0,00002 кг/м³ (в скоростном напоре скорость в квадрате побеждает плотность)

Если воспользоваться представленной центром Гленна НАСА моделью марсианской атмосферы, то:

1. Можно выделить коридор ~ 15 - 45 км, где плотности соответствуют "земному" коридору аэродинамического торможения ~ 40 - 60 км

2. Плотность атмосферы в более слабом гравитационном колодце убывает с высотой не так быстро, атмосфера Марса действительно подходит для торможения с параболических скоростей

3. В начальном этапе аэроторможения можно попробовать полет с отрицательной подъемной силой, чтобы компенсировать слабую гравитацию Марса

Самый интересный случай - это аэроторможение в вершине переходной "гомановской" траектории.

Высота входа в верхние слои атмосферы: 125 км;

Скорость: 6,1 - 7 км/с;

Угол снижения: 10 - 15 градусов.

AEOLUS

Миссия AEOLUS была предложена в начале 90-ых годов XX века специалистами NASA для доставки нескольких миниатюрных метеостанций и роверов сразу в нескольких удаленных друг от друга регионах.

Средством доставки должен был выступить КА оригинальной компоновки по схеме "оперенный конус" с пусковыми трубками в хвостовом отсеке, из которых при пролете над выбранными планетологами целями должны были отстреливаться капсулы-"спасательные жилеты" с полезной нагрузкой внутри.

AEOLUS в полетной конфигурации (с небольшой маневровой ДУ на хвостовом отсеке), полупогруженный в цилиндрический отсек, несущий на себе солнечные батареиРазрез AEOLUSа. Внутри хвостового отсека установлен радар с синтезируемой апертурой и револьверная установка для отстрела полезной нагрузкиSWERVE - предшественник AEOLUS в демонстрационном зале компании SANDIA

Высокоточная доставка НАУКИ! на поверхность берет начало из миссии предшественника AEOLUS-а - SWERVE, высокоточного боевого блока для МБР, которым предполагалось поражать советские пусковые установки в районах базирования, защищенных ПРО. В оригинале оперенный доставщик (не)МИРНОГО АТОМА должен был отклониться от баллистической траектории с высоты ~ 30 - 40 км, тем самым обманув ожидания систем ПВО/ПРО (которые готовились поражать цели на основе пролонгированных баллистических траекторий) и перейти на краткий (~ 100 км) участок аэродинамического полета.

Похожую схему оперенного конуса использовал и самонаводящийся блок ракеты Pershing-2.

Однако "холодная" война закончилась, и компания SANDIA предоставила свое детище NASA. Проведенные работы показали, что AEOLUS вполне способен погасить параболическую скорость и совершить длительный (~ 12000 км) гиперзвуковой полет в марсианской атмосфере. Попытаемся повторить расчеты НАСА, а заодно взглянем на особенности аэрозахвата.

Трехмерка AEOLUS, которую скормили программе для расчета аэродинамики КА из предыдущей статьиАэродинамическое качество AEOLUS

Предварительная оценка показала, что вытянутый (относительное удлинение 5,5) оперенный конус действительно имеет высокое аэродинамическое качество (~ 2,1 - 2,2) и небольшой коэффициент лобового сопротивления (~ 0,09 - 0,12). Баллистический коэффициент AEOLUS составляет ~ 6360 кг / м². Маневрирование в путевом канале позволяет отклониться в боковом канале от начального курса на 1900 км.

Из-за большого баллистического коэффициента AEOLUS рассеивает кинетическую энергию медленно, и вход в плотные слои атмосферы с постоянным углом атаки приводит к отскоку с переходом на высокоэллиптическую орбиту, что приемлемо для беспилотной миссии, но нежелательно для пилотируемой. Эту проблему можно решить знакопеременным маневром в плоскости тангажа (чтобы "средняя" подъемная сила была равна нулю)

Траектория AEOLUS

Участок торможения до околокруговой скоростиКрасный график - перегрузка с пиком в 25g в районе 90-ой секундыПланирование AEOLUS в атмосфере Марса. Подобрать управление, одновременно гасящее параболическую скорость и переводящее нас в коридор высоты 20 км без "отскока" не удалось, но дальность в 10860 км была реализована

Основной вывод - аэроторможение в атмосфере Марса вполне реально.

Из-за большого баллистического коэффициента AEOLUS начинает тормозиться только на малых высотах ( порядка 20 км и ниже). Что приводит к перегрузкам, недопустимым в пилотируемой миссии

Судя по отскоку "низэнько-низэнько", если чуть поменять закон управления на участке гашения скорости, то можно также выйти на глиссирующую траекторию по Зенгеру или перейти на промежуточную эллиптическую орбиту.

STARSHIP

AELOUS - красивая идея, но он был задуман тридцать лет назад и не воплотился в железе до сих пор. Однако у нас есть Starship, который может быть завершен в ближайшие 5-ть лет. И посмотреть на его возможности было бы интересно.

Модель "Старшипа" на фоне рефов от NeoporkАэродинамическое качество Старшипа для малых (Мах 4) и высоких (Мах 20) скоростей

Starship по своим схемным решениям радикально отличается от AEOLUS. Во-первых - затупленный носовой отсек, создающий достаточно большое лобовое сопротивление. Во-вторых - развитые аэродинамические поверхности (тоже с сильно притупленными передними кромками).

За счет переднего горизонтального оперения и крыла Starship тоже обладает достаточно высоким аэродинамическим качеством (1,62), но его баллистический коэффициент в разы ниже ( 2625 кг/м²).

Максимальное аэродинамическое качество Старшипа реализуется на большем угле атаки (~ 17 градусов)

Для гашения параболической скорости в сценарии Старшипа войдем в атмосферу плашмя, с углом атаки в 75 градусов (подъемная сила на таких углах атаки начинает падать, и мы избежим "отскока" от атмосферы).

Торможение "объемного" Старшипа начинается намного раньше AEOLUSа, с ~ 70 км.Перегрузка не превышает 4 "g".Вся траектория Старшипа от входа в атмосферу Марса до приземления

Д

Большее лобовое сопротивление и меньшее аэродинамическое качество несколько уменьшают дальность полета Старшипа и его боковой маневр, но летные качества все равно высокие. Максимальная дальность - 9270 км, боковой маневр - 630 км.

Сравнение бокового маневраСиняя линия - граница досягаемости "Старшипа", красная - AEOLUS

После всего number crunching можно сделать несколько выводов

1. Планирующий аэродинамический полет в атмосфере Марса действительно возможен

2. Аэроторможение в атмосфере Марса вполне реально

3. Для эффективного аэроторможения нужно сочетание высокого аэродинамического качества (для дальности) и низкого, а лучше - управляемого баллистического коэффициента (чтобы торможение плавно начиналось еще в верхних слоях атмосферы, и не превращалось в удар кувалдой с мощью 25 "же" на высоте 10 км)

4. Управляя интенсивностью торможения на участке торможения с параболической скорости, можно выйти на промежуточную орбиту, с которой затем можно спуститься в любую точку Марса

5. Перспективным решением в конструкции "марсианского" транспорта может быть изменяемая геометрия - поворотные и выдвижные консоли крыла, раскрываемые тормозные щитки

6. Для одноразовых десантных модулей - баллюты и надувные термощиты

7. Node.js - вполне себе инструмент для Rocket Science

На всякий случай - предыдущие заметки про программу расчета траекторий и программу расчета аэродинамики. Ссылки на соответствующие репозитории прилагаются

Какая ежедневно используемая ИТ-система удалена от нас дальше всех? Марсоход Perseverance. Пожалуй, дальше пока что некуда. Под катом поговорим о технической начинке миссии, особенностях связи с Землей и других насущных проблемах и задачах, которые стоят перед марсоходом Perseverance и его маленьким крылатым другом Ingenuity.

Граничные вычисления приходят на помощь, если приложению требуется быстрый отклик, но оно физически расположено далеко от основных ИТ-ресурсов. На сегодняшний день самый яркий тому пример беспилотный марсоход, выполняющий научные изыскания в 62 миллионах километров от Земли, на поверхности Красной планеты.

Марсоход Perseverance взаимодействует с окружающим миром в реальном времени, но время прохождения сигнала с Марса в ЦУП NASA составляет порядка 12 минут. Но задержки это лишь полбеды. Само качество связи на таком расстоянии оставляет желать лучшего. Соответственно, единственный выход возложить принятие некоторых решений на сам Perseverance.

При этом технологически марсоход весьма скромен: его бортовые системы работают на базе процессора PowerPC 750, точно таком же, что и в компьютере Apple Bondi Blue iMac 1998 года.

Напомним, на Марсе уже имеется развернутая ранее база марсоход Curiosity. Он приземлился на поверхность планеты еще в 2012 году. К слову, работает он все на том же процессоре: в силу ряда особенностей марсианской среды это едва ли не самый подходящий вариант.

А знаменитый дрон-коптер Ingenuity, судьба которого вызывала у ученых наибольшие опасения, оснащен уже гораздо более современным железом: так, его сердцем является процессор Snapdragon 801, применявшийся в смартфонах ~2014 года, например, в Sony Xperia Z3.

Тем не менее, эта конфигурация показывает потрясающие результаты. На самом раннем этапе Perseverance смог идеально сесть на поверхность планеты (18 февраля), на лету проанализировав скорость ветра и работу собственного теплового экрана во время входа в атмосферу на сверхзвуковой скорости. С помощью ИИ марсоход также определил оптимальное место для посадки.

Все эти процедуры (вход в атмосферу, снижение и посадка) были полностью автономны. Марсоход вошел в атмосферу Марса на скорости 20112.5 километров в час, а максимальная температура на поверхности теплового экрана составила 1300C. Спуск занял меньше 7 минут, поэтому инженеры NASA никак не могли вмешаться в процесс и внести корректировки. Строго говоря, информация о начале посадки долетела до Земли уже после того, как марсоход успешно приземлился.

Вход в атмосферу

Perseverance это уже пятый марсоход NASA. Но первый, который пошел на посадку самостоятельно.

Его теплозащитный экран и задний защитный кожух оборудованы 28 датчиками. В течение первых четырех минут спуска, датчики теплового потока и датчики давления непрерывно отслеживали температуру и лобовое сопротивление.

После раскрытия парашюта экран и весь его обвес были сброшены. Все данные о спуске были сохранены и отправлены в NASA фактически, это первое подробное описание приземления на Марс.

Таким образом, все будущие миссии на Марс будут комплектоваться щитами и иным оборудованием, построенным на основе данных о реальной посадке, а не моделируемой. Специалисты NASA предполагают, что в ближайшем будущем им удастся создать более эффективные и более легкие (на 35%) тепловые экраны.

Информация с датчиков давления позволяет судить о реальных особенностях марсианской атмосферы, в том числе о скорости ветра на малых высотах. Будущие миссии смогут составлять прогноз погоды и приземляться более точно и компактно.

Что касается компактности приземления Perseverance был нацелен на область 7,72 х 6,6 км. Это на порядок меньше, чем посадочная цель Curiosity (24,94 x 19,96 км). Благодаря данным, полученным в феврале, следующему зонду достаточно будет еще более скромного участка поверхности для приземления.

Контролируемый спуск

Когда парашют раскрылся, радар Perseverance измерил текущую высоту. Без теплозащитного экрана камеры марсохода смогли просканировать землю на предмет ровной площадки для приземления.

Когда скорость падения упала до ~320 км/ч, парашют отстегнулся и включились посадочные двигатели. На этом этапе в дело вступила система обзора (LVS) и при помощи подсистемы относительной навигации по местности (TRN), сопоставившей изображение с камер и карту Марса, направила Perseverance на плавную посадку в кратер Езеро.

К слову, перед боевым запуском систему многократно тестировали на земле с помощью вертолетов и суборбитальных ракет, но, разумеется, на результаты этих тестов нельзя было полагаться на 100%.

Незадолго до посадки руководитель разработки системы TRN Свати Мохан говорила: Без системы относительной навигации вероятность благополучной посадки в кратере Езеро составляла от 80 до 85 процентов. Но теперь мы можем довести вероятность успешной посадки в кратере Езеро до 99 процентов в каждой последующей миссии.

Позднее, когда посадка уже состоялась, Мохан выступала с публичным заявлением перед общественностью. Вот, что она говорит об этом дне: Только после того, как пришло сообщение Посадка совершена и люди начали аплодировать, до меня дошло: господи, мы и правда смогли. Мы на Марсе. Это не очередной тестовый прогон всё случилось на самом деле!.

Научная миссия

Езеро самая сложная посадочная площадка из всех, которые NASA выбирали для марсоходов. Тем не менее, этот выбор продиктован задачами, которые поставлены перед проектом. Предположительно, ранее на месте посадки находилась дельта древней реки, питавшей огромное озеро, наполнявшее кратер три миллиарда лет назад.

Если на Марсе когда-либо существовала жизнь, это лучшее место для поиска ее следов. Perseverance укомплектован массой научных инструментов для поиска признаков древней жизни в дельтовых отложениях.

Кроме того, марсоход будет извлекать и консервировать интересные образцы породы их заберет на Землю следующая миссия. Новый проект потребует гораздо больше технической экспертизы и запланирован на 2026 год.

Perseverance также проведет ряд ключевых испытаний для будущих пилотируемых миссий на Марс. В том числе опыт по выделению кислорода из марсианской атмосферы.

Вся эта работа будет выполняться более или менее автономно. Инструкции высокого уровня будут высылаться с Земли, а взамен марсоход будет снабжать NASA ценными научными данными.

Это самый экстремальный проект с применением граничных вычислений: данные передаются крайне медленно, соединение ненадежное, а в случае поломки у марсохода нет ни единого шанса на техобслуживание.

В то время как NASA открывает мировому научному сообществу Марс, создатели цифровой инфраструктуры смогут многое узнать об ограничениях пограничных вычислений.

Звонок из космоса

Perseverance возвращается на Землю, передавая сигналы через различные марсианские орбитальные аппараты, включая Марсианский разведывательный спутник, который вращается вокруг Марса с 2006 года.

На пути от орбиты Марса к Земле используется сеть с промежуточным хранением данных, предназначенная для нивелирования последствий ошибок и разрывов соединения.

Учитывая малый вес межпланетных кораблей и ряд ограничений по питанию, системы связи довольно асимметричны. На Земле установлены большие и мощные антенны именно они ловят шепот с Марса. Антенны предварительно настраиваются на получение сигнала с заранее заданных направлений.

Данные передаются в пакетах, определенных стандартом телеметрии Международного Консультативного Комитета по космическим системам передачи данных (CCSDS). Каждый пакет содержит переменный объем данных от 7 до 65 542 байта, включая заголовок. Исправление ошибок также в наличии.

Мозг марсохода

Марсоход управляется чипом, разменявшим третий десяток лет: Power PC 750.

Это не самый современный процессор: в нем содержится 10.4 млн транзисторов, что примерно в тысячу раз меньше, чем у чипов современных смартфонов. При этом, несмотря на то что CPU может работать 233 МГц, в Perseverance частота понижена до 133 МГц.

У инженеров есть основания использовать такие старые технологии. Во-первых, на борту марсохода стоит не стоковый CPU, а особая его версия стоимостью $20000. Процессор встроен в одноплатный компьютер RAD750 по лицензии BAE Systems, оснащенный резервирующими модулями и логикой устранения ошибок в памяти, а также средствами защиты от радиации: всего одного луча достаточно, чтобы вся начинка выгорела в одночасье.

Джеймс ЛаРоса, BAE Systems: Итак, у вас есть космический корабль ценой в несколько миллиардов. И если что-то в нем икнется, то миссия будет провалена. Всего одна частица, бороздящая галактики, может пролететь через устройство и нанести ему вред.

Еще один примечательный нюанс марсоход работает под управлением ОС реального времени VxWorks, оригинальная версия которой была выпущена еще в 1987 году.

Всего в Perseverance встроено три компьютера, каждый с двумя гигабайтами флэш-памяти и 256 мегабайтами RAM. Один отвечает за основные функции марсохода, второй анализирует навигационные изображения, а третий находится в резерве.

Ящик с инструментами

Марсоход несет на борту следующее оборудование:

• Mastcam-Z панорамная стереоскопическая камера с функцией масштабирования, которая может помочь в навигации и изучении минералов.

• SuperCam прибор для химического анализа и анализа минералов на расстоянии.

• PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) рентгеновский флуоресцентный спектрометр, который распознает элементный состав марсианской почвы.

• SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals) первый рамановский спектрометр на Марсе, использует ультрафиолетовый лазер для анализа минералогических и органических соединений.

• MOXIE (Mars Oxygen In-situ Resource Utilization Experiment) комплект для проведения эксперимента по получению кислорода из углекислого газа в атмосфере Марса. Кислород понадобится будущим космонавтам для дыхания и сжигания ракетного топлива, которое доставит их домой.

• MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer) датчики, измеряющие температуру, скорость и направление ветра, давление, относительную влажность, а также размер и форму частиц пыли.

• RIMFAX (Радиолокационный формирователь изображения недр Марса) георадар для изучения местной геологии.

• Рука-манипулятор длиной 2м с насадкой для забора образцов, которые предполагается хранить в стерильных контейнерах.

• Три антенны, работающие в UHF (до 2 Мбит/с) и X-диапазоне.

• Блок питания мощностью 110 Вт в виде MMRTG (многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор).

Марсианская миссия 2020, без сомнения, является беспрецедентным прорывом в области изучения Марса. К счастью, пока что нет повода беспокоиться о судьбе марсохода: свои текущие задачи он выполняет и перевыполняет. Даже экспериментальный дрон Ingenuity, построенный на базе магазинных компонентов и открытого ПО, ведет себя в точности так, как было запланировано на Земле. Периодически мы будем держать вас в курсе событий миссии Perseverance, а пока что, если вам интересна эта тема, предлагаем вам ознакомиться с предыдущим, более детализированным материалом по этой теме.

Вопрос о жизни во Вселенной один из самых неясных во всей науке. Мы знаем, что на Земле есть жизнь, что все живые организмы на Земле произошли от одного общего предка, уходящего корнями в прошлое на миллиарды лет, и что жизнь непрерывно существует на Земле уже более 4 миллиардов лет по крайней мере 90 % времени существования нашей планеты.

Но нам неизвестно, насколько распространена жизнь в других уголках Вселенной, если она вообще существует. У нас нет информации о жизни в других мирах нашей Солнечной системы, о жизни в других звёздных системах или вообще о разумной жизни во Вселенной. Все, что у нас есть это уверенность в том, что в каких-то местах жизни быть не может.

На каждой планете, где могла возникнуть жизнь, события в какой-то момент могут повернуться так, что жизнь на ней и вправду может возникнуть. Мы знаем, что Земля свой шанс реализовала, но по крайней мере две других планеты нашей молодой Солнечной системы Марс и Венера имели не меньшие шансы. Могла ли на них существовать жизнь, если не сейчас, то в далёком прошлом? Этим вопросом задалась Кэрол Лэйк, сформулировав его так:

"Возможно ли, что Марс и Венера были обитаемыми планетами? Изменение климата Земли убивает её, изменение климата убьёт все живое на планете, и перейдёт ли Земля в категорию планет, на которых жизни нет, но её зарождение возможно?"

Это интересный вопрос, поскольку и Марс, и Венера миллиарды лет назад пережили катастрофические климатические пертурбации. Вот что, исходя из наших знаний, продолжает оставаться возможным.

Давайте вернёмся далеко-далеко назад, примерно на 4,6 миллиарда лет к самым ранним дням формирования нашей Солнечной системы. Когда происходит формирование звёздных систем, подобных нашей, некоторые вещи должны происходить в определённом порядке. Если взять событие возникновения нашей Солнечной системы, мы предполагаем, что происходили следующие события:

1. молекулярное облако газа стало сжиматься под действием собственной гравитации,

2. регионы с наибольшей концентрацией вещества "сжимались" быстрее,

3. что привело к образованию новых звёзд и звёздных систем в областях наибольшего сжатия (коллапса),

4. в которых скопления с наибольшей массой росли быстрее всего, превращаясь в самые массивные звёзды,

5. более мелкие скопления росли медленнее, превращаясь в звёзды меньшей массы,

6. и вот, одно из таких малых скоплений, имеющее одну большую первоначальную (центральную) массу, стало протозвездой, которая со временем превратилась в наше Солнце.

Эта центральная масса продолжала расти, излучая колоссальное количество радиации, и медленно наращивать температуру ядра. По мере плавного концентрирования вещества вокруг центральной протозвезды, вокруг неё также формировался газопылевой диск. В этом диске образовались гравитационные неустойчивости, которые привели к образованию планетезималей зачатков того, что в конечном счёте станет планетами.

Что происходило дальше, точно сказать трудно, так как формирование планет хаотичный процесс. Вокруг формирующейся в центре звезды или протозвезды существуют три "зоны", определяющие типы формирующихся в итоге элементов.

• Во внутренней, самой близкой к звезде зоне, находится так называемая "линия сажи". Внутри этой зоны многие углеродсодержащие молекулы, считающиеся предвестниками жизни, например полициклические ароматические углеводороды, разрушаются. В самой внутренней области могут выжить только тяжёлые элементы, например металлы.

• За линией сажи могут встречаться сложные соединения, но только не лёд: ни водяной, ни аммиачный, ни сухой, ни азотный и т.д. Внутри линии промерзания такие летучие соединения будут испаряться. Молодые Венера, Земля и Марс находились за линией сажи, но до линии промерзания.

• Снаружи линии промерзания могут стабильно существовать все летучие соединения. Различные ледяные образования здесь прекрасно сохраняются; со связанными с газовым гигантом большими количествами водорода и гелия ничего не происходит; здесь часто встречаются тела, похожие на астероиды и кометы.

Со временем образующиеся планетезимали начинают гравитационно взаимодействовать, расти, сливаться в одно целое и хаотично влиять друг на друга. Некоторые тела падают прямо на Солнце, другие выталкиваются за пределы Солнечной системы, третьи присоединяются к более крупным массам. В конечном итоге достигается стабильная планетарная конфигурация.

На этих последних этапах судьба летучих соединений, связанных с объектами за линией промерзания, может быть двоякой: они либо бомбардируют одну из выживших планет, либо рассеются по другим местам. (Считается, что вода на Земле и других внутренних планетах возникла именно по этой причине).

Как правило, мест, в которых могут возникнуть такие объекты, в долгосрочной перспективе должно остаться только два: снаружи от первоначальной линии промерзания, но внутри орбиты следующей планеты, и за орбитой последней планеты Солнечной системы. Эти места в нашей Солнечной системе соответствуют поясу астероидов и поясу Койпера / облаку Оорта.

И вот, мы добрались до момента времени 4,5 миллиарда лет назад, когда в Солнечной системе существовали три относительно похожих друг на друга мира. Венера, Земля и Марс были каменистыми планетами с тонкими, но довольно плотными атмосферами, на их поверхности присутствовала вода, часть которой, по всей видимости, была в жидком состоянии, и все планеты были чрезвычайно богаты органическими соединениями: молекулами предвестниками жизни.

Встаёт главный вопрос: что произошло?

Что такого могло произойти на Венере, что сегодня она превратилась в адское пекло? Когда это произошло? Как это произошло? и могла ли жизнь существовать и развиваться на этой планете до этого катастрофического события?

Что такого произошло на Марсе, что он утратил атмосферу, высох и промёрз? что привело к тому, что биологические процессы, которые мы связываем с жизнью, стали либо невозможными, либо настолько редкими, что мы не видим даже их признаков?

И что происходит на Земле сейчас? Может ли Земля повторить судьбу Венеры или Марса, некогда пригодных для жизни (или, по крайней мере, потенциально пригодных), на которых существование жизни, какой мы её знаем, теперь абсолютно невероятно?

Совершенно точно можно сказать одно: несмотря на все недостатки теорий происхождения жизни на Земле, мы знаем, что, как только жизнь пришла на нашу планету а это случилось более 4 миллиардов лет назад, жизнь на ней сохранилась и развивалась в форме непрерывной цепи происходящих с тех пор событий. Хотя Земля пережила периоды массовых вымираний, они лишь способствовали тому, что выжившие виды размножались и заполняли освободившиеся экологические ниши. Наша планета остаётся живой.

Однако вовсе не факт, что на ранних стадиях формирования нашей Солнечной системы Земля была единственной живой планетой. Все три мира Венера, Земля и Марс помимо внешнего воздействия, испытывали и внутреннее в виде различных геологических процессов. В ядрах происходили магнитные явления, дрейф материков и эрозия континентов, и в конечном итоге на планетах появлялись горные хребты и бассейны. Все эти миры сотрясала обширная вулканическая активность, добавляющая в атмосферу летучие соединения и огромное количество углекислого газа. Кстати, в результате той же вулканической активности до определённых пределов было выровнено дно океана. Весьма вероятно, что у всех трёх миров в прошлом была вода.

Но между этими планетами существуют различия, по всей видимости, направившие планеты по разным путям развития, из них три главных различия.

1. Первое отличие: разное расстояние их орбит от Солнца. Орбита Венеры находится на расстоянии ~72 % от расстояния ЗемляСолнце, а орбита Марса расположена гораздо дальше, на расстоянии ~150 % от расстояния ЗемляСолнце.

2. Второе отличие: скорость вращения планет. День Марса похож на земной, он длиннее всего на 40 минут. Венера вращается в противоположном направлении, и для совершения оборота вокруг Солнца ей требуется более 200 земных дней.

3. И, наконец, третье отличие: физические размеры планет. Если Венера по размерам близка к Земле (приблизительно 95 % от диаметра нашей планеты), то диаметр Марса составляет лишь половину земного.

Жизнь на планете обычно рассматривается как стабилизирующая сила, подобно тому, как буферный раствор в химии не позволяет при добавлении кислоты или основания сделать весь раствор слишком кислым или слишком основным. Жизнь достигает своего рода равновесного состояния с окружающей средой, когда любые значительные изменения температуры как в положительную, так и отрицательную сторону приводят к тому, что жизненные процессы работают на противодействие таким изменениям. Только при серьёзных изменениях, коренным образом меняющих состояние равновесия, например произошедшем на Земле Великом кислородном событии, или действии дрожжевых клеток в среде с неограниченным количеством питательных веществ, или сегодняшнем обращении людей с ископаемым топливом, могут произойти необратимые события.

Но на Венере и Марсе, даже если на этих планетах когда-то существовала жизнь, её присутствия было недостаточно, чтобы противодействовать запущенным процессам, которые, по всей видимости, были инициированы астрофизическими и геологическими факторами. Как считают некоторые учёные, Венера в течение сотен миллионов, а, возможно, даже до 2 миллиардов лет вполне могла быть процветающим миром. Условия на ней могли быть похожими на земные, то есть на её поверхности могла быть жидкая вода, причём, возможно, воды было гораздо больше, чем на Земле. Точно так же на и Марсе когда-то были океаны, реки, образовывались осадочные породы и гематитовые сферулы, его климат был умеренным и влажным в течение как минимум полутора миллиардов лет.

Конечно, возникает главный вопрос: "что произошло?"

Что касается Венеры, обречённость этой планеты, скорее всего, объясняется очень просто: её близостью к Солнцу. На каждый квадратный метр поверхности этой планеты приходится примерно вдвое больше энергии падающего солнечного потока, чем на Землю. При наличии даже небольшого количества водяного пара в атмосфере ранней Венеры возник бы грандиозный парниковый эффект, что ещё больше повысило бы температуру Венеры. При более высоких температурах концентрация водяного пара в атмосфере увеличивается ещё больше, и это обстоятельство также приводит к повышению температуры.

К несчастью для Венеры, температура не могла расти вечно. В какой-то критический момент температура поверхности Венеры достигла критического значения около 100 C (212 F) или даже немного большей, в зависимости от атмосферного давления в тот момент времени. Когда это произошло, жидкая вода на поверхности Венеры начала выкипать, выбрасывая в атмосферу огромное количество водяного пара проще говоря, испарились все венерианские океаны, что привело к внезапному парниковому эффекту. Атмосфера Венеры резко стала горячей, и жизнь на её поверхности исчезла; единственным местом, где она теоретически могла бы сохраниться, были верхние слои атмосферы Венеры это высота примерно в 60 километров. Неважно, когда могли произойти описанные события: любая ранее существовавшая на Венере жизнь, скорее всего, прекратила бы существование.

Между тем на Марсе на каждый квадратный метр приходится лишь приблизительно 43% энергии, получаемой Землёй от Солнца. На Марсе определённо была вода и этому имеется огромное количество геологических доказательств но для этого он должен был быть окружен довольно плотной атмосферой. Поддерживать температуру и давление на уровне, необходимом для существования жидкой воды на марсианской поверхности, мог только мощный парниковый эффект.

Так что же произошло на Марсе?

Единственное, что могло бы сохранить атмосферу Марса в целости, это защита планетарного магнитного поля, подобная защите, имеющейся у Земли. Без него атмосфера Марса была бы разрушена солнечным ветром, и эту гипотезу подтвердили измерения, сделанные в ходе миссии MAVEN NASA. Из-за гораздо меньших размеров Марса по сравнению с Землёй его ядро остывало гораздо быстрее, что в конечном итоге привело к гибели внутреннего магнитного динамо, активно отражавшего солнечные частицы. Без защитного магнитного поля, которое по нашим оценкам окончательно разрушилось примерно через 1,5 миллиарда лет, практически вся марсианская атмосфера была бы уничтожена всего за 0,01 миллиарда лет: в космических масштабах это ничто, космическое мгновенье.

Без этой атмосферы жидкая вода либо замерзла, либо сублимировалась, любая жизнь либо прекратила активно себя проявлять, либо вообще исчезла, и с тех пор Марс оставался холодным и (в основном) безжизненным в течение приблизительно 3 миллиардов лет.

Уничтожит ли человечество все живое на Земле? Такая перспектива маловероятна. Мы не утверждаем, что это невозможно, так как человечество уже вступило в период, который учёные называют шестым великим массовым вымиранием. Климат меняется; нетронутые человеком места исчезают (сегодня площадь таких мест составляет менее одной трети площади поверхности Земли); океаны окисляются; концентрация CO2 в атмосфере выше, чем миллионы лет назад, и благодаря деятельности человека продолжает расти рекордными темпами. Если мы не будем проявлять осторожность, возможность экологического коллапса очень реальна, и это вполне может привести к уничтожению человечества и, возможно, даже к полному исчезновению класса млекопитающих.

Но в той или иной форме жизнь на нашей планете должна сохраниться. Как и в случае с Венерой и Марсом, момент "завершения игры" для жизни на Земле, скорее всего, наступит по причине влияния Солнца. Со временем, по мере сжигания своего ядерного топлива, Солнце нагреется и станет более ярким. Примерно ещё через 1 миллиард лет или около того его энергетическая мощность вскипятит океаны Земли, и жизнь на нашей планете, какой мы её знаем, прекратится. Хотя инициированное человеком изменение климата может привести к его же собственной гибели, сама жизнь на Земле гораздо более устойчива к таким воздействиям. Если мы сможем выползти из нашей технологической колыбели, впереди у нас будет по крайней мере несколько сотен миллионов лет до наступления кризиса, угрожающего планете смертью. Надеюсь мы научимся находить баланс с природой, ведь это наша единственная надежда на долгосрочное выживание.

Наблюдения за планетами и Солнцем генерируют огромный объем всевозможных данных и для их обработки и интерпретации нужны аналитики. Именно с их помощью, люди могут попытаться "заглянуть в будущее" и понять, как нужно действовать сейчас. Если вам интересна сфера анализа данных, либо в вашей текущей работе есть пересечения с аналитикой, и вы хотите профессионально вырасти, получив сильную базу и практику в новой области обратите внимание на наш курс по анализу данных, или на его расширенную версию Data Analyst pro.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

• Профессия Data Scientist

• Курс по Data Engineering

Centauri Dreams,May 29, 2020

Терраформирование нового мира это захватывающая дух задача, о которой часто думают в связи с превращением Марса в благоприятную среду для поселенцев. Но есть менее сложные альтернативы для предоставления убежища для колонии. Как объясняет Роберт Зубрин в эссе ниже, покрытые льдом озера это вариант, который может предложить необходимые ресурсы для защиты колонистов от радиации.

Основатель Марсианского общества, автор нескольких книг и многочисленных статей, Зубрин является создателем концепции Mars Direct, которая предусматривает разведку с использованием современных и перспективных технологий. На этих страницах мы рассмотрели многие из его идей о межзвездных полетах, в том числе торможение с помощью паруса и концепцию ядерной ракеты с соленой водой.

В настоящее время у президента Pioneer Astronautics, недавно вышла из печати в издательстве Prometheus Books книга The Case for Space: How the Revolution in Spaceflight Opens Up a Future of Limitless Possibility(Как революция в космических полетах открывает будущее безграничных возможностей).

Аннотация

В данной статье рассматриваются возможности создания марсианских поселений под поверхностью покрытых льдом озер. В ней показано, что такие поселения обладают многими преимуществами, в том числе: способностью быстро создавать очень большие объемы пространства под давлением, всеобъемлющей радиационной защитой, высокоэффективным производством электроэнергии, регулированием температуры, наличием обильных ресурсов, отдыхом на свежем воздухе и созданием живой местной биосферы, поддерживающей потребности растущего населения в продуктах питания и среде обитания.

Введение

На поверхности Марса есть много проблем для человеческого поселения. Атмосферное давление составляет всего около 1 процента от давления на Земле, что обусловливает необходимость в привычке к жизни в герметических помещениях, делает скафандры необходимыми для активного отдыха, и обеспечивает менее оптимальную защиту от космического излучения. По этим причинам предлагалось создать крупные подземные сооружения, сравнимые с системами городского метрополитена, чтобы обеспечить герметичные хорошо экранированные объемы для жилья человека [1]. Тем не менее, проблемы гражданского строительства при создании таких систем весьма сложны. Кроме того, пищу для таких поселений придется выращивать в теплицах, ограничивая их потенциальные площади и накладывая либо огромные требования к мощности, если они находятся под землей, либо создавая большие прозрачные герметичные структуры на поверхности. Вода доступна на поверхности Марса в виде льда или вечной мерзлоты. Эти материалы могут быть добыты, а продукт доставлен на базу, но логистика для этого, хотя и значительно превосходит все, что возможно на Луне, значительно менее удобна, чем прямой доступ к жидкой воде, возможный почти для всех человеческих поселений на Земле. В то время как на Марсе дневные температуры близки к 0C, ночные температуры падают до 90C, что создает проблемы для машин и теплиц на поверхности. Тем не менее, несмотря на низкие ночные температуры, эффективность ядерных реакторов снижается из-за необходимости отвода отработанного тепла в среду, близкую к вакууму.

Все эти трудности могут быть легко решены путем терраформирования планеты [2]. Однако это огромный проект, масштаб которого потребует серьезных усилий от марсианской цивилизации, которая должна будет достигнуть значительных размеров и промышленной мощи. По этой причине некоторые предложили идею пара-терраформирования [3], то есть перекрытия более ограниченной области Красной планеты, такой как Valles Marineris (Долина Маринера), и терраформирования именно этой части. Но строительство такой крыши само по себе было бы гораздо большим инженерным проектом, чем любой другой, сделанный в истории человечества. Однако на Марсе есть места, которые уже покрыты кровлей. Это заполненные льдом многочисленные кратеры планеты.

Создание озер на Марсе

В арктических и антарктических регионах Земли находятся многочисленные постоянно покрытые льдом или подледные озера [4]. Известно, что эти озера поддерживают активные микробные и планктонные экосистемы.

Большинство субарктических и озер умеренной широты зимой покрыты льдом, но многие члены их водных сообществ остаются очень активными, что хорошо известно рыбакам любителям зимней рыбалки.

Могут ли существовать на Марсе похожие, покрытые льдом озера?

На данный момент, похоже, что нет. Орбитальный аппарат ESA Mars Express обнаружил высокосоленую жидкую воду глубоко под землей на Марсе с помощью радиолокатора, проникающего сквозь землю, и такие среды представляют большой интерес для научных исследований с помощью бурения. Но чтобы быть полезными для заселения, нам нужны покрытые льдом озера, которые напрямую доступны с поверхности. На Марсе множество заполненных льдом кратеров. Однако это не озера, так как, будучи составленными из почти чистого водяного льда, они замерзли сверху донизу. Возможно ли исправить этот недостаток?

Я считаю, что это возможно. Давайте рассмотрим проблему на примере. Королев это заполненный льдом ударный кратер в четырехугольнике Mare Boreum на Марсе, расположенный на 73 северной широты и 165 восточной долготы (рис. 1). Его диаметр составляет 81,4 километра, и он содержит около 2200 кубических километров водяного льда, по объему аналогичного Большому Медвежьему озеру на севере Канады. Почему бы не использовать ядерный реактор, чтобы растопить воду подо льдом, чтобы создать огромное, покрытое льдом озеро?

Давайте посчитаем. Таяние льда при 0 С требует 334 кДж/кг. Нам нужно будет поставить это плюс еще 200 кДж/кг, при условии, что начальная температура льда равна -100 С, всего 534 кДж/кг. Плотность льда составляет 0,92 кг/литр, поэтому для таяния 1 кубического километра льда потребуется 4,9 x 1017 Дж, или 15,6 ГВт в год. Атомная электростанция мощностью 1 ГВт на Земле требует отвода около 3 ГВт выработанной тепловой энергии. Это также будет справедливо в случае электростанции, расположенной рядом с Королевым, поскольку она будет использовать ледяную воду, взятую в кратере, в качестве превосходной среды отвода тепла. С помощью 5 таких установок, используя как их отработанное тепло, так и рассеивание от их электрических систем, мы можем вытаивать кубический километр льда каждый год.

Средняя глубина Королева составляет 500 метров, что намного глубже, чем нам нужно. Таким образом, вместо того, чтобы пытаться растопить его полностью, оптимизированной стратегией может быть сосредоточение на прибрежных районах со средней глубиной, возможно, 40 метров. В этом случае каждый кубический километр растаявшего льда откроет 25 квадратных километров жидкого озера для заселения. В качестве альтернативы, мы могли бы просто выбрать меньший кратер с меньшей глубиной и растопить лед внизу, исключая ледяной покров на его поверхности.

Жилье в Марсианском озере

На Земле 10 метров воды создают одну атмосферу давления. Поскольку сила притяжения Марса составляет всего 38 процентов земной, потребуется 26 метров воды, чтобы создать такое же давление. Но так много давления не нужно. При высоте всего 10 метров воды у нас все равно будет 0,38 бар внешнего давления, или 5,6 фунта на кв.дюйм, что позволит создать атмосферу азота 3,6 фунтов/кв.дюйм, сопоставимую с использовавшейся на космической станции Skylab. Снижение содержания азота в атмосфере таким образом также может быть полезным, поскольку азот является лишь незначительной составляющей марсианской атмосферы, что затрудняет его получение на Марсе. Ограничение доли азота во вдыхаемом воздухе также облегчит путешествие в среды с более низким давлением без страха получить кессонную болезнь. Десять метров воды над подводной средой обитания также обеспечат защиту от космических лучей, эквивалентную той, которую обеспечивает атмосфера Земли на уровне моря.

Строительство мест обитания может быть сделано с использованием любых методов, используемых для подводных мест обитания на Земле. К ним относятся закрытые сосуды под давлением, такие как подводные лодки, или системы с открытым днищем, такие как водолазные колокола. Последние предлагают преимущество минимизации конструктивной массы, поскольку они имеют внутреннее давление, почти равное давлению окружающей среды, и прямой легкий доступ к морю через нижние двери без необходимости в шлюзах. Таким образом, хотя закрытые подводные лодки, вероятно, лучше подходят для путешествий, поскольку их обитатели не испытывают изменения давления с глубиной, места обитания с открытым дном предлагают превосходные варианты для расселения. Поэтому мы сосредоточим наш интерес на них.

Рассмотрим расчетный модуль с открытым дном, состоящий из купола диаметром 100 м, пик которого находится на 4 метра ниже поверхности, а основание на 16 метров ниже поверхности. Таким образом, купол имеет четыре палубы, по 3 метра свободного пространства на каждой. Купол натянут, потому что весь воздух в нем находится под давлением 9 фунтов на квадратный дюйм, что соответствует давлению воды в озере у его основания, в то время как давление воды в озере на его вершине составляет всего около 2,2 фунтов на квадратный дюйм для внешнего давления на материал купола около вершины 6,8 фунтов на квадратный дюйм. Купол имеет радиус кривизны 110 м.

Требуемый предел текучести материала, составляющего сферу под давлением, определяется следующим образом:

= xPR/2t (1)

Где предел текучести, P давление, R радиус, t толщина купола, а x коэффициент безопасности. Допустим, купол изготовлен из стали с пределом текучести 100 000 фунтов на квадратный дюйм и х = 2. В этом случае уравнение (1) говорит, что:

100,000 = (6.8)(110)/t, or t= 0.0075 m = 7.5 mm.

Масса стали будет около 600 тонн. Это неплохо для создания среды обитания с жилой площадью около 30 000 квадратных метров.

Если бы вместо стали мы изготовили шатровый купол из материала spectra, прочность которого в 4 раза больше прочности стали и составляет 1/9 плотности, масса купола должна составлять всего около 17 тонн. Однако его нужно было бы привязать по всей окружности. Для этой цели можно было бы использовать балластные массы в 90 000 тонн горных пород. В противном случае привязные тросы можно было бы закрепить на кольях, вбитых глубоко в мерзлую землю под озером.

Привлекательной альтернативой этим инженерным методам для создания купола из изготовленных материалов может быть просто таяние купола из льда, покрывающего само озеро. Например, скажем, ледяной покров имеет толщину 20 м, и мы плавим в нем купол высотой 12 м, диаметром 100 м и радиусом кривизны 110 м. Заполнение этого купола смесью кислород/азот обеспечит среду обитания такого же размера, что и рассмотренный выше. Давление под 20 м льда (плотность = 0,92) составляет 0,7 бар или 10,3 фунтов на квадратный дюйм. Крыша купола находится под 8 м льда, масса которого оказывает сжимающее давление 0,28 бар или 4,1 фунта на кв.дюйм, оставляя перепад давления 6,2 фунта на кв.дюйм, который будет удерживаться силой льда. Прочность льда на растяжение составляет около 150 фунтов на квадратный дюйм, поэтому, взяв эти значения в уравнение (1), мы обнаружим, что коэффициент безопасности x в самой тонкой точке купола будет равен:

150 = x(6.2)(110)/[(8)(2)], or x = 3.52

Этот фактор безопасности более чем адекватен. Сети куполов такого размера могли быть вплавлены в ледяной покров и соединены туннелями через толстый материал у их оснований. Если бы требовались купола с гораздо большим радиусом кривизны, то лед можно было бы значительно укрепить, вморозив в него специальную сетку.

Масса льда, растаявшего при создании каждого такого купола, составляет около 80 000 тонн, для плавления требуется 1 МВт-год энергии. Для наполнения купола газом также потребуется около 90 тонн кислорода. Он может быть получен путем электролиза воды. Если предположить, что электролизные установки эффективны на 80%, для их производства потребуется 1950 ГДж или 62 кВт-год электроэнергии. Поэтому такие большие жилые купола могут быть построены и заполнены воздухопроницаемым газом задолго до создания озера с использованием гораздо более скромных источников энергии.

Такие же сжатые структуры жилья еще больших размеров могут быть созданы подо льдом. Это возможно потому, что лед имеет 92-процентную плотность воды, так что если бы 50-метровый столб льда под ледяной поверхностью озера был растоплен, он дал бы столб воды глубиной 42 метра и 8 метров пустоты, которая могла бы быть заполнена воздухом.

Итак, допустим, у нас был ледяной кратер, участок ледяного кратера или даже ледник радиусом 5 км и глубиной 70 метров и более. Мы растапливаем его участок, начиная с 20 м под вершиной льда и спускаясь вниз на 50 м. Как уже отмечалось, это создаст надводное пространство толщиной 4 м над водой. Лед над этой пустотой будет иметь вес 7 фунтов на квадратный дюйм, поэтому мы будем заполнять пустоту кислородно-азотной газовой смесью с давлением 6,999 фунтов на квадратный дюйм. Это свело бы на нет почти весь вес, чтобы оставить ледяную крышу в чрезвычайно мягком состоянии сжатия. (Слабое сжатие предпочтительнее слабого натяжения, потому что прочность льда на сжатие составляет около 1500 фунтов на квадратный дюйм в десять раз больше прочности на растяжение.) При таких условиях радиус кривизны нависающей поверхности может быть неограниченным. В результате будет создан герметичный и хорошо защищенный обитаемый район площадью 78 квадратных километров. Места обитания можно было бы разместить на плотах или плавучих домах на этом закрытом озере, или на ледяном шельфе, образованном, чтобы обеспечить твердый пол для обычных зданий на большей его части.

Общее количество воды, которое нужно было бы растопить, чтобы создать этот закрытый Озерный город, составило бы 4 кубических километра. Это можно было бы сделать примерно за 4 года с помощью предложенной нами энергосистемы мощностью 5 ГВт. Дальнейшее отопление будет продолжать расширять пригодный для жизни район в боковом направлении с течением времени. Если бы озеро было глубоким, так что под толщей воды был бы лед, он бы постепенно таял, увеличивая запас воды под поселением.

Терраформирование озера

Жизненная среда подледного марсианского поселения не должна ограничиваться внутренними пространствами наполненных воздухом мест обитаний. Растопив лед, мы создаем потенциал для создания живой окружающей водной биосферы, которую легко могли бы посещать марсианские колонисты в обычных гидрокостюмах и аквалангах.

Озеро плавится с помощью горячей воды, получаемой в результате отвода тепла от береговых или плавучих ядерных реакторов. Если тепло отбрасывается ближе ко дну озера, то происходит мощный апвеллинг (подъём глубинных вод к поверхности), сильно обогащающий воду озера минеральными питательными веществами.

Если предположить, что ледяной покров уменьшится до менее чем 30 метров, то в дневное время будет достаточно естественного света, чтобы поддерживать рост фитопланктона, как это наблюдалось в Северном Ледовитом океане Земли [5]. Однако первичная биологическая продуктивность озера может быть значительно увеличена за счет добавления искусственного света.

Северный Ледовитый океан проявляет высокую биологическую активность вплоть до 75 параллели, где море получает среднюю дневную/ночную круглогодичную солнечную освещенность около 50 Вт / м2. Если мы примем это за наш стандарт, то каждый ГВт нашей доступной электроэнергии может быть использован для освещения 20 квадратных километров озера. В сочетании с богатой минералами водой, получаемой в результате термального подъема, и искусственной доставкой CO2 из марсианской атмосферы по мере необходимости, это освещение могло бы служить для создания чрезвычайно продуктивной биосферы в водах, окружающих поселение.

Первыми организмами, которые будут выпущены в озеро, должны быть фотосинтетический фитопланктон и другие водоросли, включая макроскопические формы, такие как ламинария. Они будут служить для насыщения воды кислородом. Как только это будет сделано, животные могут быть освобождены, начиная с зоопланктона, с широким спектром водной макрофауны, потенциально включающей губки, кораллы, червей, моллюсков, членистоногих и рыб. Пингвины и морские выдры могли бы последовать за ними.

Поскольку озеро будет расти, его города будут умножаться, давая рождение новой ветви человеческой цивилизации, поддерживаемой и поддерживающей живую новую биосферу в новом мире.

Вывод

Мы считаем, что лучшие места для заселения Марса могут быть под водой. Создавая озера под поверхностью покрытых льдом кратеров, мы можем создавать миниатюрные миры, обеспечивающие приемлемое давление, температуру, радиационную защиту, объемное жизненное пространство и все остальное, необходимое для жизни и цивилизации. Подледные города Марса могли бы служить базой для исследования и развития Красной планеты, обеспечивая дома, в которых новые нации могут рождаться и расти в размерах, технологическом потенциале и промышленном потенциале до тех пор, пока они не смогут обладать достаточной силой, чтобы выйти вперед и принять вызов по терраформированию самого Марса.

Ссылки на литературу (источники):

1. Frank Crossman, editor,Mars Colonies: Plans for Settling the Red Planet(Марсианские колонии: планы по заселению Красной планеты), The Mars Society, Polaris Books, 2019

2. Robert Zubrin with Richard Wagner,The Case for Mars: The Planet to Settle the Red Planet and Why We Must(Марс: почему мы должны заселить Красную планету), Simon and Schuster, NY, 1996, 2011.

3. Richard S. Taylor, Paraterraforming: The Worldhouse Concept (Паратерраформирование, концепция мирового дома)Journal of the British Interplanetary Society, vol. 45, no. 8, Aug. 1992, p. 341-352.

4. Sub Glacial Lake (подледниковое озеро), Wikipedia,https://en.wikipedia.org/wiki/Subglacial_lake#Biologyaccessed May 15, 2020.

5. Kevin Arrigo, et al, Massive Phytoplankton Blooms Under Sea Ice( Массовое цветение фитопланктона подо льдом),Science, Vol. 336, page 1408, June 15, 2012https://www2.whoi.edu/staff/hsosik/wp-content/uploads/sites/11/2017/03/Arrigo_etal_Science2012.pdf. Accessed May 15, 2020.

Это перевод статьиSublake Settlements for Mars