Планетолог Аманда Хендрикс считает, что люди скорее научатся жить на самом крупном спутнике Сатурна Титане, чем на Марсе, как считалось раньше. Из книги «За пределами Земли» можно узнать не только о Титане, но и об организации межпланетных исследований, трудностях финансирования освоения космоса и бюрократических преградах на пути за пределы Солнечной системы. Публикуем главу о возможном новом жилье будущих землян с его плотной атмосферой, щадящим климатом и неисчерпаемыми запасами топлива и воды.
До прибытия «Кассини» оранжевая атмосфера Титана, одного из спутников Сатурна, скрывала его поверхность от взгляда. Сквозь её мглу способны проникнуть только лучи радара и некоторые волны инфракрасного диапазона. Учёные высказывали предположения о том, что там могут обнаружиться океаны этана и метана — углеводородов вроде земного природного газа, но жидких из-за низких температур. В момент прибытия, однако, «Кассини» ничего подобного не обнаружил. Он сбросил на поверхность Титана зонд «Гюйгенс» (Кассини и Гюйгенс — имена астрономов XVII века, открывших спутники Сатурна). «Гюйгенс» (Huygens) был разработан с таким расчётом, чтобы плавать на поверхности жидкости и измерять величину волн, но он приземлился на влажную, мягкую почву, по которой была разбросана галька водяного льда.
Но когда «Кассини» стал пролетать над полярными регионами Титана, его радар увидел какую-то гладкую поверхность, напоминающую поверхность озера. По краям этой области были ветвящиеся формы, в точности похожие на русла, заливы и бухты береговых линий на Земле. Другой инструмент позволял измерять отражённый солнечный свет. В нужный момент «Кассини» «посмотрел» в ту сторону, где можно было ожидать увидеть отблеск света от поверхности предполагаемого водоёма. К восторгу Аманды, он выглядел в точности как полуденный свет, отражённый водами земного озера.
Кроме Земли в Солнечной системе жидкость на поверхности встречается только на Титане. В его обширных озёрах содержится во много раз больше углеводородов, чем обнаружено на нашей планете. Гравитационные измерения «Кассини» указывают на то, что в глубине Титана находится водный океан, но облака, дожди, реки и озёра поверхности — этановые и метановые, как содержимое танкера со сжиженным газом. На Титане есть погода, пляжи и приливы, но там холоднее, чем в морозилке. Это место одновременно выглядит и знакомым, и очень странным.
Многое ещё только предстоит узнать. Когда у Аманды или у кого-то из её коллег появляется идея, например гипотеза о Титане, они могут предложить команде «Кассини» проверить её. Но необходимы оптимизм и терпение. Если такое измерение не было предусмотрено на выбранной траектории аппарата, учёные и инженеры собираются, чтобы сопоставить затраты топлива и рискованность манёвра с ценностью сведений, которые могут быть получены.
Команда с Земли достигает «Кассини» через полтора часа. Ошибку не удастся исправить быстро, если удастся вообще. Если решение о проведении измерения принято, каждая команда моделирует его на Земле, чтобы проверить безопасность для аппарата. От идеи учёного до получения данных может пройти несколько месяцев, а иногда и лет.
Это медленный процесс, но он работает. Со временем удалось собрать удивительно подробные изображения Юпитера, Сатурна и их спутников. Это целый зверинец странных миров, к настоящему моменту — самых интересных в Солнечной системе мест для изучения. На Европе ледяная кора покрывает океан жидкой воды. Учёные обнаружили этот океан, измерив электрические токи в нём, индуцированные магнитным полем Юпитера*. На южном полюсе Энцелада — спутника Сатурна — в космос бьют гигантские гейзеры водяного пара и льда. Как и в случае спутников Юпитера Ио и Ганимеда, внутренний жар этих тел объясняется постоянной деформацией, вызываемой приливными силами от мощных полей тяготения Юпитера и Сатурна.
То, что мы уже знаем о Солнечной системе, говорит нам, что искать место для колонии нужно «снаружи», на этих спутниках.
*Тем не менее два из трёх утверждённых проектов программы New Frontiers имели целью исследования далёких объектов: Juno работает в настоящее время на орбите вокруг Юпитера, а New Horizons в июле 2015 года выполнил первый в истории пролёт Плутона. — Прим. науч. ред.
Поиск воды в космосе
Планеты зародились из газопылевого диска, обращающегося вокруг Солнца. Пока они ещё были свободны, тяжёлые элементы сосредоточились в более горячих его участках ближе к центру. Когда планеты сгустились, как комки в пюре, те, что были ближе к Солнцу, оказались сформированы из скальных пород и металлов. Планеты внешней части Солнечной системы вобрали в себя более лёгкие элементы и в основном состоят изо льда и газов.
Вода в жидкой и твёрдой форме вдали от Солнца встречается в изобилии. В глубинах спутников Сатурна и Юпитера содержатся скальные породы, но вода составляет куда большую долю их объёма, чем у внутренних планет. Например, Титан крупнее Меркурия, его радиус на 50 % превышает радиус Луны, но его плотность ниже, а тяготение, соответственно, слабее — ведь вода менее плотна, чем камень и металл.
У Юпитера примерно 67 спутников, четыре из которых были открыты Галилео Галилеем и достаточно крупны, чтобы рассматривать их возможную колонизацию: Ганимед, Каллисто, Ио и Европа. Учёные полагают, что жизнь вероятней всего обнаружить на самом маленьком из них, Европе, благодаря жидкому океану под его поверхностью. Там должно быть темно, так что, в отличие от Земли, Солнце не будет источником энергии для жизни. Но некоторые уникальные формы жизни на Земле процветают в вечной тьме в глубине океанов и под землёй, черпая энергию из других источников, что возможно и на Европе.
Насколько толстый на Европе лёд и можем ли мы проникнуть сквозь него, чтобы посмотреть, не плавает ли что-нибудь под ним? На основании данных с «Галилео», учёные полагают, что толщина замёрзшего слоя составляет от 10 до 100 километров, но кое-где на поверхности видны айсберги, а значит, лёд там тонок и на поверхность местами могут даже пробиваться струйки тёплой воды. Данные в ультрафиолетовом спектре, полученные группой учёных из Юго-Западного исследовательского университета в Сан-Антонио с помощью космического телескопа «Хаббл», указывают на возможные выходы на поверхность Европы тёплой воды. Если они действительно существуют, было бы гораздо проще понять, что происходит в глубине, но эти результаты не были воспроизведены и являются спорными.
Как исследовать далёкую планету
Есть кое-какие идеи о том, как заглянуть под оранжевые облака Титана, чтобы получше узнать устройство его сложной погоды и географии, его пригодность для проживания человека и наличие там каких-либо форм жизни. Титан одновременно знаком и странен: этот мир углеводородов — отражение нашего мира воды. Дожди, времена года, волны, дюны, коренные породы — всё это есть на Титане, но состоит он из других соединений. Простое любопытство требует, чтобы мы узнали, что там происходит.
Ведущей идеей была отправка грандиозного, сложного космического комплекса под названием «Миссия в систему Титан — Сатурн» (Titan Saturn System Mission, TSSM), состоящего из орбитального спутника с восемью инструментами на борту, аэростата с ещё восемью инструментами и судна, предназначенного для плавания в северном полярном озере, ещё с пятью. Питание у аэростата и самого спутника предполагалось атомное, с получением тепла и электричества из плутония. До Титана аппарат должен был добраться с помощью новых технологий: на электрической тяге, на так называемом холловском двигателе, запитываемом солнечной энергией.
Также замышлялась миссия из одной только лодки под названием «Исследователь морей Титана» (Titan Mare Explorer), которая обошлась бы куда дешевле — как проект класса «Открытие». Ещё одна идея заключалась в отправке группы спускаемых аппаратов, которые понаблюдали бы за поверхностью Титана в нескольких климатических и геологических зонах, загадочно друг от друга отличающихся.
Все эти планы далеки от реализации, и, конечно, не все они осуществятся*. Большие, сложные миссии склонны расти и усложняться, пока их не приходится уменьшать, разрабатывать заново или отменять. Это процесс политический, бюрократический, соревновательный и неопределённый. Но где-то есть инженеры, разрабатывающие идеи и приближающие их воплощение.
«Мы всегда знали, что здесь сильная конкуренция, — говорит Джулиан Нотт, спроектировавший аэростат для атмосферы Титана. — Будут ли именно твои идеи выбраны для миссии к Титану? Отвечаю: шансы примерно один к десяти. Невелики шансы. Но, может быть, ты предложишь идеи, а кто-то сможет их продвинуть».
«Кассини» всё ещё передаёт ценные сведения на Землю — он должен закончить работу в сентябре 2017 года. Была надежда на запуск нового аппарата «по следам» «Кассини» в 2023 году, однако сейчас это кажется маловероятным. Если подобный аппарат будет запущен в 2030-м, то он достигнет цели к 2037-му (разве только длительность путешествия сократится благодаря более мощной ракете). К этому времени учёные, начавшие свои карьеры на «Вояджере» юными выпускниками, уже выйдут на пенсию. Аманда же всё ещё будет работать, и она надеется увидеть, какие будут получены данные через двадцать с лишним лет, если подобная миссия удастся.
При нынешних темпах NASA поиски возможного нового дома идут куда медленнее ухудшения состояния Земли. Но эти темпы диктуются не наукой. Как и в случае пилотируемых миссий, прогресс NASA в планетологии был быстрее в 1960-х и 1970-х годах, когда тратилось больше денег, а аппараты запускались чаще**. Чтобы ускорить прогресс, нам нужно больше денег и амбиций. Исследовательские планы можно воплощать за годы, а не за десятилетия. Новую миссию можно запустить ещё до того, как предыдущая достигнет своей цели. Более мотивированная Земля могла бы ускорить этот процесс сейчас и получить ответы с Титана куда раньше.
*Проект Titan Mare Explorer не смог победить в конкурсе на очередной раунд финансирования в рамках программы «Открытие». Проект TSSM в 2009 году уступил в конкурентной борьбе аналогичной по задачам и сложности миссии в систему Юпитера EJSM, которая после множества резких поворотов эволюционировала в принятый к реализации флагманский проект Europa Clipper. — Прим. науч. ред.
**Важно осознавать, что это были аппараты первоначальной разведки Солнечной системы. Они выполнили поставленные задачи, и любой следующий шаг означал выбор более сложной цели, которой труднее достигнуть. — Прим. науч. ред.
Склад топлива на Титане
В Солнечной системе только Титан буквально завален топливом, которое мы могли бы добывать и сжигать, пользуясь технологиями едва ли сложнее газовых печей, встречающихся в типичных американских домах. Земной природный газ в основном состоит из метана, как озёра и моря Титана. Прибрежные дюны Титана — тоже углеводородные, в основном из более тяжёлых и сложных органических соединений, которые называются полициклическими ароматическими углеводородами. Учитывая атмосферную углеводородную фабрику Титана и низкие температуры, всё это логично.
Так почему же Титан не взорвётся, если зажечь там спичку? Потому что там нет кислорода. На Земле мы сжигаем ископаемое топливо, поджигая сочетание богатого углеродом топлива и кислорода. При этом в виде пламени или взрыва высвобождаются связанная в топливе солнечная энергия, а также углекислый газ и вода. Атмосфера Титана состоит в основном из азота, как и на Земле, но без кислорода.
Но большую часть массы Титана составляют водяной лёд или шуга, находящиеся под его углеводородной поверхностью на глубине до 100 километров, а возможно, и куда меньше. Вода содержит много кислорода. Его можно высвободить, просто пропуская через воду электрический ток: это называется элетролизом. Кислород для дыхания на МКС производится методом электролиза. Так могли бы поступать и колонисты, а ещё сжигать в кислороде метан и производить достаточно энергии для поддержания электролиза.
Первопроходцы могли бы прибыть на Титан с собственным источником энергии, скажем, с небольшим ядерным реактором, и первым делом заняться разработкой подземных источников воды и отделением кислорода электролизом. Энергии, полученной при сжигании метана в кислороде, с лихвой хватило бы на дальнейшую добычу льда, электролиз и обогрев жилища, а также удовлетворение остальных нужд колонии.
Имея на Титане электростанции, питаемые углеводородным топливом, колонисты могли бы строить большие, освещённые теплицы, выращивать в них пищу и перерабатывать углекислый газ, выделяющийся при сгорании, обратно в кислород. Почти всё можно было бы делать из пластика, произведённого из местного сырья. Для добычи металлов и других тяжёлых элементов, необходимых для питательных веществ и производства электроники, колония могла бы заняться разработкой астероидов с помощью космических аппаратов. Располагая неограниченной энергией и доступом к ресурсам, колонисты в итоге смогли бы построить дома по берегам озёр, ходить по ним на лодках и летать на личном авиатранспорте.
Жизнь в вечном холоде
Многие учёные воображали, каково было бы жить на Титане, ведь кажется, что это было бы так просто. Ральф Лоренц из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса написал о Титане пару книг. Он предлагал разнообразные исследовательские миссии, в том числе судно, похожее на буй, и ряд метеостанций. Когда мы общались с ним, он говорил о подлодке. «Любой земной транспорт можно осмысленно использовать где-то на Титане», — сказал Ральф.
Лоренц отмечает, что на Титане люди могут выжить без скафандров, передвигаясь тепло одетыми и в кислородных масках, и жить в негерметичных зданиях. Нетрудно вообразить себя в странном оранжевом ландшафте Титана стоящим на влажном, мягком грунте вроде того, который обнаружил зонд «Гюйгенс», с разбросанной вокруг галькой твёрдого льда. Температура там около –180 °C, но в одежде с толстой теплоизоляцией или нагревающими элементами было бы комфортно. Если одежда прорвётся, это не убьёт вас, главное — не замёрзнуть. Здесь не нужен громоздкий герметичный костюм вроде тех, что астронавты носят на Луне или в вакууме космоса.
Жилище на Титане может быть устроено подобно жилищам в полярных областях Земли, с использованием воздухонепроницаемой изоляции и свай, уберегающих от таяния лёд и замёрзшие углеводороды, на которых оно стоит. Простые двойные двери удержат кислород внутри. Если жилище даст течь, её нужно устранить, но никакой непосредственной угрозы она не представляет. Устранить проблему до надлежащего ремонта можно куском изоленты. Вездесущие углеводороды содержат немало канцерогенов, поэтому, входя домой, важно почистить и снять уличную одежду.
У Титана и Антарктики есть некоторое сходство. Чтобы выжить в этих местах, требуется активное использование технологий, самое важное — обогрева. И туда и туда нужно везти припасы. Чтобы остаться в таком месте навсегда без внешней поддержки, понадобится источник энергии и производство пищи в закрытом помещении. В Антарктике, вероятно, полно ископаемого топлива, однако, чтобы его получить, потребуется пробить толстый лёд. На Титане топливо лежит прямо на поверхности, а вот кислород придётся добывать из недр. И там и там, чтобы выйти наружу, нужно подобающим образом одеться. Температура на Титане куда ниже, но погода там спокойнее.
Главное отличие Антарктики от Титана в том, что в Антарктике можно дышать атмосферным воздухом. Атмосфера Земли почти на 80 % состоит из азота и на 20 % — из кислорода. Атмосфера Титана — на 95 % из азота и на 5 % из метана. Мы не можем жить без кислорода, но всё же воздух Титана для нас не является мгновенным ядом. В нём достаточно цианида, чтобы от него сильно разболелась голова, а азот приведёт к наркозу, знакомому водолазам: обратимому состоянию, похожему на опьянение. При поломке дыхательного аппарата вы потеряете сознание через минуту, но вас можно возвратить к жизни, если вовремя предоставить доступ к кислороду.
Люди научатся летать
Давление атмосферы Титана на 50 % выше, чем на Земле. Этой атмосферы более чем достаточно для защиты от радиации и микрометеоритов. Из-за холода воздух также вчетверо плотнее, чем на Земле. Это приводит к двум любопытным побочным эффектам. Первый — медленно меняющаяся устойчивая погода. Второй — в слабом поле тяготения Титана легко летать.
Тяготение Титана составляет лишь 14 % земного, даже меньше, чем лунные 17 % (Титан куда крупнее Луны, но Луна содержит больше скальных пород, масса которых порождает более сильное тяготение, чем вода, из которой по большей части состоит Титан). В слабом лунном тяготении астронавты «Аполлона» передвигались прыжками, как при замедленной съёмке, будто воздушные шарики, отскакивающие от пола. На Титане с ещё меньшей гравитацией их бы дополнительно поддерживала плотная атмосфера; в костюме с крыльями они легко планировали бы на значительные расстояния.
Стоит добавить немного движущей силы — и человек сумеет летать на Титане. Это можно делать, взмахивая крыльями, прикреплёнными к рукам, или с помощью педалей, соединённых цепной передачей с пропеллером. Электрический пропеллер был бы практичнее и удобнее, ведь не очень-то приятно потеть в очень тёплой одежде от интенсивных физических нагрузок. Если сломаются крылья, аппарат плавно опустится на поверхность со скоростью около шести метров в секунду. Предельная скорость падения в атмосфере Титана в десять раз меньше, чем в атмосфере Земли.
Тело человека на Титане изменится безвозвратно
Ещё более разительное отличие жизни в Антарктике от жизни на Титане — возможность вернуться домой. Человеческое тело, вероятно, приспособится к Титану таким образом, что это затруднит возвращение на Землю.
Наши тела обусловлены тяготением. Кости бегунов формируются более прочными благодаря силе, с которой их стопы сталкиваются с землёй. Пациент, надолго прикованный к больничной койке, теряет мышечный тонус и порой ослабевает настолько, что не может стоять. NASA разобралось, как тренировать астронавтов на МКС, чтобы они сохраняли мышечную массу и плотность костей в ходе шестимесячного пребывания в невесомости, но для этого требуется проводить на специальных тренажёрах по два часа в день. Большинство колонистов на Титане, скорее всего, будут придерживаться распорядка тренировок не лучше типичного обитателя Земли с неиспользованным абонементом в спортзал. Со временем они, скорее всего, слишком ослабнут для того, чтобы жить на Земле.
Жизнь в вечной тени Сатурна
Колонисты также будут зависеть от искусственного освещения. Каждый, кто жил в северных широтах, знает, что естественный свет и темнота регулируют жизнь, влияют на настроение и работоспособность как в помещениях, так и на улице. На полюсах солнце светит всё лето, а всю зиму стоит ночь. На полюсах никто, кроме исследователей, не живёт, но жителям северных регионов намного южнее полюса всё равно приходится приспосабливаться к изменениям освещённости физически и с помощью технологий. Коренные народы пережидали зиму, получая из пищи вроде жира морских млекопитающих витамин D, который жители умеренных климатических зон получают от Солнца. Летом народы Севера становятся энергичными и долгими солнечными днями запасают пищу.
Современные обитатели полярных климатических зон поддерживают суточный цикл сна и бодрствования искусственным освещением. Они питаются обработанной пищей, содержащей витамин D (однако зачастую в недостаточном количестве). В отсутствие регулируемого суточного цикла и достаточного количества яркого света и витамина D многие люди впадают в депрессию и сезонную хандру, начинающуюся с осенним ослабеванием естественной освещённости.
На Титане освещение помещений и подобающая диета будут круглогодичной необходимостью. Естественные циклы света и темноты будут совершенно непривычными. Будучи спутником Сатурна, Титан всегда повёрнут к нему одной и той же стороной. Однако оранжевая атмосфера, вероятно, не позволяет увидеть звёзды и планеты. (Во всяком случае, Титан находится в плоскости колец Сатурна, так что их не будет видно.) Колония, без сомнения, была бы построена на стороне Титана, обращённой к Сатурну; в этом месте отражённый от Сатурна свет, вероятно, поддерживает слабую освещённость в течение всего дня, за исключением времени, которое Титан оказывается в тени Сатурна. День длится 16 земных суток, так что пару недель освещение будет слегка усиливаться Солнцем, а следующая пара недель будет потемнее. Год на Титане равняется 29 земным годам, так что каждое из четырёх времён года длится примерно семь с половиной лет. «Кассини» исследовал Титан почти половину местного года, начав летом у южного полушария; сейчас начинается лето в северном полушарии, и мы лишь начинаем понимать влияние сезонов на погоду.
Нам пока ещё многое неизвестно о Титане, но мы знаем, что если туда доберёмся, то смогли бы там жить.
