Если не жизнь, то энергию в космосе точно найдем

Ближний космос сегодня — место рутинной работы человека. Самые многообещающие перспективы связаны с космосом дальним
Если не жизнь, то энергию в космосе точно найдем
Директор ИКИ, член-корреспондент РАН Анатолий Петрукович
Алексей Таранин

В начале апреля состоялось заседание Совета по космосу РАН, главной темой которого стала внеатмосферная астрономия и перспективы ее развития. Многие объекты и процессы во Вселенной нельзя увидеть с помощью наземных обсерваторий, в поисках новых ответов необходимо выйти за пределы атмосферы Земли. Большинство выступавших на совете были сотрудниками Института космических исследований (ИКИ) РАН. С большим сообщением выступил директор ИКИ, член-корреспондент РАН Анатолий Петрукович. Мы встретились с Анатолием Алексеевичем, чтобы обсудить развитие космической науки и ее перспективы. Начали мы с вопроса о ключевых проектах ИКИ.

 

— Буквально сейчас готовится к полету «Спектр-РГ» — огромная рентгеновская обсерватория, которая должна быть запущена в этом году.

Среди недавно завершившихся проектов — проработавший почти восемь лет КА «Спектр-Р», связь с которым, к сожалению, недавно была потеряна. Научная нагрузка аппарата — космический радиоинтерферометр «Радиоастрон» (ФИАН имени Лебедева) и комплекс приборов ИКИ РАН для мониторинга солнечного ветра «Плазма-Ф», который принес очень интересные результаты по структуре солнечного ветра. Раньше считали, что солнечный ветер — это единый поток, а сейчас выяснилось, что это струя плазмы, которая разбивается, как душ, на струйки, летящие примерно в одну сторону, но ведущие себя отчасти независимо, и каждая немного под углом к соседям. Это важно потому, что при взаимодействии этих струй между собой и с магнитным полем Земли происходит потеря энергии солнечного ветра.

ИКИ СПЕКТР РГ.png
Российско-германская рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ» в полёте в представлении художника. Справа — телескоп ART-XC, слева — телескоп eRosita
Роскосмос / ИКИ РАН / НПО С.А. Лавочкина

— Солнечный ветер — это…

— Это поток протонов и электронов, который летит от Солнца. Его кинетическая энергия на много порядков меньше, чем энергия видимого солнечного излучения, поэтому непосредственно он человеком не ощущается. Но солнечный ветер переносит энергию солнечных вспышек к Земле, превращает ее в магнитные бури и в полярные сияния. С земной точки зрения околоземная плазма — это недостижимый вакуум: в среднем пять протонов в кубическом сантиметре, и имитировать ее в земной лаборатории практически невозможно. С другой стороны, такая плазма заполняет практически весь космос. Когда я был школьником, говорили, что девяносто процентов вещества в космосе — плазма. Теперь мы знаем, что есть темное вещество и темная энергия, которых мы просто не видим. Но все, кроме планет, яркие объекты на небе — плазменные: звезды, галактики… Удобный способ понять, что делается далеко от нас, — изучать эти процессы на Солнце или около Земли. Поэтому исследования околоземной плазмы, кроме прикладного, связанного с магнитными бурями, имеют и такой чисто фундаментальный аспект.

magnifier.png С земной точки зрения околоземная плазма — это недостижимый вакуум: в среднем пять протонов в кубическом сантиметре, и имитировать ее в земной лаборатории практически невозможно

Мы планируем продолжить эти исследования и в следующем проекте, который носит название «Резонанс». Кроме того, очень большую роль в последнее время в этих исследованиях играют малые спутники, мы их называем микроспутники — до килограммов и наноспутники — до десяти килограммов. Малый формат позволяет существенно сократить затраты на исследования и запускать спутники чаще. В ИКИ несколько лет назад мы своими руками сделали малый спутник «Чибис-М» весом пятьдесят килограммов. Это довольно редкий случай, потому что обычно в России даже такие спутники делает промышленность. Он был запущен с борта МКС, отработал три года без каких-либо проблем.

— Какие направления научной космонавтики вы бы выделили как самые многообещающие на дальнюю перспективу и для России, и для мира?

— С точки зрения фундаментальной науки одна из самых актуальных целей связана с экстремальными состояниями вещества в космосе. Можно сказать, что сейчас мы живем в том мире, который придуман физиками сто лет назад: электричество — это середина девятнадцатого века, квантовая или атомная физика — начало, максимум середина двадцатого. И сейчас эти фундаментальные открытия уже реализовались в технике, в атомных реакторах, в бытовых приборах, таких как смартфоны. Если мы говорим о дальнейшем развитии человечества, то становится ясно, что уже в относительно короткие исторические сроки ему нужна будет энергия на порядок больше, чем сейчас. Мы должны найти какие-то новые источники энергии. И с большой долей уверенности можно сказать, что найти их можно только в космосе. И применять только в космосе, потому что Земля такой объем переработки энергии просто не выдержит.

ИКИ ЧИБИС .png
Микроспутник «Чибис-М» в транспортно-пусковом контейнере на борту ТГК «Прогресс М-13М»
Роскосмос / ИКИ РАН

— А каковы ее источники?

— Мы как раз ищем источники, основанные на новых физических принципах, которые позволят нам создать энергетику не двадцать первого, а двадцать второго века. Например, исследование происхождения Вселенной — это не только фундаментальная и очень интересная задача по определению, что такое темная материя, что такое темная энергия, но, возможно, это и ключ к энергетике двадцать второго века.

Проект «Спектр-РГ», рентгеновский телескоп, будет как раз направлен на исследование наиболее энергичных процессов во Вселенной — взрывов сверхновых, образование черных дыр, и крупномасштабной эволюции Вселенной. Потому что, чем ярче объект, тем дальше мы его видим по расстоянию, а значит, и по времени. То есть мы можем обратиться к самым истокам происхождения Вселенной. И, может быть, еще лет через пятьдесят-сто мы узнаем, как это использовать на Земле.

magnifier.png Мы должны найти какие-то новые источники энергии. И с большой долей уверенности можно сказать, что найти их можно только в космосе. И применять только в космосе, потому что Земля такой объем переработки энергии просто не выдержит

Еще одно очень интересное и перспективное направление связано с поиском внеземной жизни. Мы всегда хотели узнать, одиноки ли мы во Вселенной, познакомиться с «зелеными человечками». И сейчас есть огромное количество новых данных, полученных за последние десять лет. Сама тематика внеземной жизни перешла из области фантастики в совершенно конкретную науку. Связано это с двумя вещами. Во-первых, мы видим огромное количество органики в космосе, где угодно — у Сатурна, у Юпитера, в тех местах, где мы просто не представляли, что она может быть. Всерьез обсуждаем поиски остатков жизни на Марсе. Новые объекты поиска — это ледяные спутники Юпитера и Сатурна. Выясняется, что, как правило, на таких ледяных спутниках есть подледный океан. На поверхности минус сто, а под коркой льда там вполне себе жидкая вода, подогретая приливными движениями в ядрах спутников, и там вполне может быть примитивная жизнь. И через десять-двадцать лет, я думаю, мы какие-то следы органики привезем с Марса, а когда-нибудь и с этих небесных тел. Ясно, что эта органика будет не та, что на Земле, и это даст нам какие-то новые представления о том, какая вообще жизнь в космосе возможна.

— А экзопланеты?

— Да, и это вторая часть истории, которой мы занимаемся. Раньше вопрос о существовании обитаемых планет в космосе был больше философским. Была, правда, такая формула Дрейка, предназначенная для определения числа внеземных цивилизаций в Галактике, с которыми у человечества есть шанс вступить в контакт. Я ее помню еще со школьного возраста.

Формула Дрейка

ИКИ ЗЕЛ ЧЕЛ.png
villainsfanon.fandom.com

 

Уравнение Дрейка (Формула Дрейка) — формула, по которой, как предполагалось, можно оценить число внеземных цивилизаций в Галактике, с которыми у человечества есть шанс вступить в контакт. Сформулирована доктором Фрэнком Дональдом Дрейком (профессором астрономии и астрофизики калифорнийского университета Santa Cruz) в 1960 году.

Выглядит формула следующим образом:

N = R ⋅ fp ⋅ ne ⋅ fl ⋅ f i ⋅ fc ⋅ L,

где:

    N — количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт;

    R — количество звёзд, образующихся в год в нашей галактике;

    fp — доля солнцеподобных звёзд, обладающих планетами;

    ne — среднее количество планет (и спутников) с подходящими условиями для зарождения цивилизации;

    fl — вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями;

    fi — вероятность возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь;

    fc — отношение количества планет, разумные жители которых способны к контакту и ищут его, к количеству планет, на которых есть разумная жизнь;

    L — время жизни такой цивилизации (то есть время, в течение которого цивилизация существует, способна и хочет вступить в контакт).

— Наш великий астрофизик Шкловский посвятил ее обсуждению свою книгу «Вселенная. Жизнь. Разум».

— И Шкловский тоже. Там была куча вероятностей. Вероятность появления разумной жизни, вероятность, что жизнь доберется от разумности до высокотехнологического уровня, вероятность образования планеты… и фактически все эти коэффициенты были умозрительными. Но сейчас мы видим планеты у ближайших звезд, и ясно, что таких планет оказывается очень много — шесть тысяч на сегодня. Практически каждая достаточно стабильная звезда имеет планеты. И сейчас речь идет о том, что в ближайшие десять лет мы получим спектры атмосфер этих планет, и увидим, например, есть ли там признаки кислорода. Тогда уже будет ясно, что жизнь на таких планетах возможна.

— Эти наблюдения тоже со спутников ведутся?

— Сейчас есть и супертелескопы на Земле. С зеркалами диаметром восемь и десять метров. А строятся и тридцатиметровые оптические телескопы. Но единое зеркало такого размера, конечно, сделать нельзя, они сегментированы на кусочки примерно по восемь метров диаметром. Это наука ближайших десяти лет. А в космосе можно изучать ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. К сожалению, поскольку у нас с российской космической программой все, мягко говоря, не совсем хорошо, мы уже перестали надеяться, что в разумное время получим российские данные из космоса на эту тему. Российский ультрафиолетовый телескоп «Спектр-УФ», который нацелен в том числе на поиск экзопланет, полетит не ранее 2025 года.

— Но вы взаимодействуете с международным сообществом…

— Наука о космосе — это одна из наиболее интернационализированных наук, сравнить можно только с физикой элементарных частиц, где на весь мир всего пара современных ускорителей. И мы все обмениваемся данными экспериментов через международные архивы. Это касается и фундаментальной науки, и прикладной. Тем более что девяносто пять процентов спутников — иностранные. Если мы хотим знать всё, мы должны пользоваться всем.

— А космологией вы тоже занимаетесь?

— Да, но тем, что ближе к наблюдениям, которые мы делаем. Потому что космос — это в целом экспериментальная наука. Как правило, так получается, что теоретики подтягиваются к наиболее успешным экспериментам.

— Ждут результатов, чтобы потом сделать теоретическое обобщение. А у вас теоретики тоже есть?

— Практически каждое направление наших исследований — это крупная научная школа, которая выросла за время существования института. Мы всегда очень плотно занимались образовательной деятельностью, задолго до того, как интеграция официально стала одним из элементов госполитики. Прямое участие в учебном процессе вузов и собственные школы — ключевые факторы, обеспечивающие наличие молодежи, которая успешно подхватывает эстафету у старшего поколения. В ИКИ работают три относительно молодых члена-корреспондента РАН, четыре профессора РАН, есть лауреаты премий президента РФ для молодых ученых. Одна из школ — это школа Зельдовича—Сюняева.

ИКИ ЛЕСА.png
Регулярно обновляемые по данным ДЗЗ (Дистанционного зондирования Земли) карты лесов России несут информацию о распределении лесов по преобладающим древесным породам
ИКИ РАН

— Зельдович тоже работал у вас?

— Фактически он один из основателей нашей астрофизической школы. Он не работал в институте формально, потому что в конце семидесятых годов он сам был такой величиной, которая была размерами больше любого института. И Рашид Сюняев — академик, который собрал, наверное, все премии, кроме Нобелевской, за свои астрофизические исследования, в том числе чисто теоретические. И сейчас у нас довольно много теоретиков работает по этому направлению.

Есть еще большая школа теории плазмы и теории нелинейных систем, которая в свое время основана академиком Сагдеевым, который был нашим директором.

— Он в Америке?

— Он сейчас где-то между Америкой и Азербайджаном. Но у него есть ученики — Альберт Галеев, Лев Зеленый, многие другие.

— Я когда-то брал интервью у академика Эрика Галимова, который страстный энтузиаст освоения Луны. Как вы к этим проектам относитесь?

В России сформирована концепция освоения дальнего космоса, а в первую очередь Луны. В разработке этой концепции мы принимали активное участие. Роскосмос сейчас объявил о начале работ по созданию сверхтяжелого носителя. Основное его назначение — полет человека на Луну.

magnifier.png Выясняется, что, как правило, на таких ледяных спутниках есть подледный океан. На поверхности минус сто, а под коркой льда там вполне себе жидкая вода, подогретая приливными движениями в ядрах спутников, и там вполне может быть примитивная жизнь

Суть здесь в следующем. Есть общая логика освоения космоса. Человечество сначала освоило околоземную орбиту, этим занимались государственные космические агентства, более того, в этом был элемент стратегического соперничества. Но сейчас на околоземной орбите частных спутников больше, чем государственных, это уже, скорее, чистый бизнес, чем технологическая революция. Человечество должно в какой-то момент сделать следующий шаг в космос, дальше от околоземной орбиты. И жизнь показывает, что этот шаг будет сделан в ближайшие годы. А самый близкий объект, куда можно долететь, — это Луна. Не потому, что на Луне есть какой-то уникальный источник энергии или какое-то секретное вещество «лунариум», такого нет, конечно, по крайней мере, нам это неизвестно. Но это следующий технологический шаг с точки зрения освоения космоса. В ходе освоения Луны будут созданы технологии, которые затем будут использоваться в дальнем космосе. Это все, что связано с пилотируемым межпланетным полетом, космическими роботами, мощными источниками энергии, использованием местных ресурсов и так далее. Более того, можно уверенно сказать, что в ходе освоения и исследования у нас появятся новые, неизвестные сейчас цели и приоритеты, к достижению которых мы уже будем готовы. Наконец, с точки зрения науки это тоже очень интересный объект…

— В том числе с точки зрения изучения происхождения Земли?

— Да. Я приведу только два-три примера. Возраст поверхности Земли не больше десятков и сотен миллионов лет. Максимум можно найти пару пятен, которым миллиард лет. Сказывается влияние атмосферы, океана, тектоники… А поверхность Луны вся старше четырех миллиардов лет. То есть на поверхности Луны зафиксирована фактически полная история Солнечной системы. Это и следы от метеоритов, и очень интересная история с водой, потому что за миллиарды лет, как мы понимаем, в каких-то местах на Луне накопилась вода, которую, скорее всего, приносили кометы. И эта вода должна нести в себе следы какой-то примитивной космической органики, это все тоже очень любопытно. Кроме того, некоторые астрономические измерения мы можем провести только на Луне. Например, электромагнитное излучение космоса в видимом и в большей части радиодиапазона мы можем наблюдать с Земли. В космосе, со спутников мы можем наблюдать инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение, которое до поверхности Земли не доходит. Но радиоволны диапазона примерно десять мегагерц мы не сможем наблюдать даже там. Связано это с тем, что на Земле нам мешает ионосфера. А на космическом аппарате, близком к Земле, это невозможно, потому что Земля сейчас — это крупнейший источник таких волн, ведь все радиосистемы на Земле и даже просто любой электрический прибор что-то излучают. Этот низкочастотный радиодиапазон содержит сигнал, приходящий от самых ранних объектов во Вселенной, он очень интересен космологически, и единственный способ наблюдать его — расположить датчики на обратной стороне Луны, где влияние Земли отсутствует.

magnifier.png Возраст поверхности Земли не больше десятков и сотен миллионов лет. Максимум можно найти пару пятен, которым миллиард лет. Сказывается влияние атмосферы, океана, тектоники… А поверхность Луны вся старше четырех миллиардов лет

«Аполлоны», советские аппараты летали на Луну уже более сорока лет назад, после этого о Луне фактически забыли. Но в двадцать первом веке около Луны и на Луне побывало уже больше десяти космических аппаратов. Правда, ни одного российского. Китайцы сели уже второй раз, в этот раз на обратную сторону Луны, в конце года они должны привезти грунт. Прямо сейчас к Луне летит израильский посадочный аппарат. (К моменту опубликования интервью он разбился при прилунении. — «Стимул».)

Европейцы, американцы — все смотрят на Луну с точки зрения именно освоения, а не чистой науки. Во главу угла ставится сама технология освоения: как сесть, как использовать местные ресурсы. И у американцев есть большая программа государственно-частного партнерства, то есть государство уже не будет разрабатывать посадочный модуль или придумывать эксперименты, а закажет это коммерческим компаниям или научным организациям. Финансирование будет государственным, но ответственность — на конкурс.

Если говорить о полете человека, то у американцев сверхтяжелая ракета совершит полет вокруг Луны уже в следующем году. Сверхтяжелой называют ракету, способную вывести на околоземную орбиту примерно сто тонн. У нас и у китайцев, к сожалению, в лучшем случае только через десять лет будет сверхтяжелая ракета. А Дональд Трамп объявил, что американский астронавт должен вернуться на Луну в 2028-м, а может быть, даже в 2025 году. Хотя сейчас в Конгрессе США еще идет борьба за финансирование, но в принципе вторая лунная гонка в том или ином виде уже началась.

Здесь есть еще один очень интересный сюжет. По современным представлениям, на новом этапе покорения Луны должна быть постепенно сформирована лунная база или лунный полигон с постоянно действующими приборами и системами, а космонавты будут прилетать периодически. И сейчас началось негласное соревнование между основными странами — кто найдет лучшее место и займет его.

— А как вы относитесь ко всякого рода проектам, что там будут добываться полезные ископаемые?

— Сейчас на Луне и в космосе нет полезных ископаемых, которые было бы выгодно привозить на Землю. Да, есть ресурсы, но формулу Циолковского никто не отменял. Для того чтобы просто улететь в космос, нужна двух-трехступенчатая ракета, и до космоса долетает, дай бог, несколько процентов от того, что улетело с Земли. А вернуть можно около одной тысячной от того, что должно улететь с Земли. Как говорится, за морем телушка — полушка, да рубль перевоз. Нет в космосе сейчас известных нам ресурсов, которые было бы коммерчески выгодно привозить на Землю. Но не факт, что рано или поздно мы в космосе не найдем что-то такое новое, что будет нам нужно и чего не будет на Земле.

— А гелий-3 для термоядерных реакторов?

— Это отдельная история. В лунном грунте есть малая доля гелия. Очень-очень малая доля, накопившаяся там за миллиарды лет при падении солнечного ветра. Причем это доля в основном самого распространенного гелия-4, а изотопа гелия-3 в этом гелии еще десятитысячные доли. Конечно, если есть бочка гелия-3, то привезти его с Луны уже выгодно, потому что гелий-3 очень дорогой потенциально. Но эффективность процесса сбора гелия-3 на Луне стремится к нулю. Чтобы добыть на Луне гелий-3, необходимый, скажем, для замены угля на Земле, надо перевернуть там количество лунного грунта, примерно равное количеству заменяемого угля. Это не говоря о том, как технически решить задачу добычи очень малого летучего компонента из лунного грунта. Да и перспективы реализации довольно экзотического вида термоядерной реакции с гелием-3 пока не очень вдохновляют.

ИКИ ЭКЗОМАРС.png
Первые результаты научных наблюдений приборов TGO миссии «ЭкзоМарс-2016», представленные 10 апреля 2019 г.
ESA / Spacecraft ESAATG Medialab

— С Луной понятно. А каково ваше отношение к проектам пилотируемых полетов на Марс? Президент РАН Александр Сергеев в одном из своих интервью рассказал как об одном из достижений академии о ваших приборах на станции «ЭкзоМарс», один из которых, по его словам, показал, что накопленная радиация при полете на Марс может оказаться такой, что человек туда не сможет полететь. Он просто не вернется.

— Да. Это правда. Если говорить о Луне, то повторить проект «Аполлон» — это вопрос в основном затрат на создание необходимой ракеты. Пилотируемый полет на Марс — это уже на пределе возможностей. Долететь, наверное, напрягшись всем миром, можно. Одной сверхтяжелой ракеты достаточно, чтобы долететь до поверхности Луны. Для одного полета на Марс придется запустить несколько таких ракет, собрав космический корабль на орбите. Но полет до Марса еще и очень опасен. Прежде всего, межпланетные перелеты — это как перепрыгивание из идущего поезда во встречный. Разница в скоростях разных планет и космического аппарата очень велика. Сначала надо разогнаться, потом очень точно затормозиться, выйти на околомарсианскую орбиту, затем то же самое при возврате на Землю. 

magnifier.png Сейчас на Луне и в космосе нет полезных ископаемых, которые было бы выгодно привозить на Землю. Да, есть ресурсы, но формулу Циолковского никто не отменял

Есть много примеров в космической истории, когда автоматические межпланетные станции не могли выполнить этот маневр правильно, врезаясь в планету или пролетая мимо. Например, японцы недавно не смогли выйти с первого раза на орбиту Венеры и вернули аппарат к этой планете только через несколько лет. Одна такая ошибка — и мы теряем экипаж. Полет к Луне в этом смысле гораздо проще, это неделя туда-обратно. У американцев, когда были аварии, они просто облетали Луну и возвращались. Фактически ни одного экипажа не потеряли. Это, в общем, чудо! А кроме того, вопрос возможности полета действительно завязан и на радиации. Болгарский прибор на «ЭкзоМарсе» показал, и это, в общем, было ясно и из расчетов, что доза радиации велика. Защититься от нее не совсем понятно как, разве что спрятаться за стенки метровой толщины. Просто обычная стенка космического аппарата не поможет, только хуже сделает, потому что протон космических лучей хоть и вредит человеку, но он пролетает его насквозь. А если мы ставим стенку, то протон застревает, и дальше из нее вылетает уже так называемый вторичный ливень осколков ядер, нейтронов, гораздо более опасных для человека. Поэтому прятаться надо за такую стенку, которая способна остановить уже и вторичное излучение, а это совершенно неподъемный вес для современной техники.

Темы: Интервью

Еще по теме