Юный техник, 2011 № 08

Замыкала «поезд» ядерная энергоустановка с биологической защитой от радиации, которая должна была снабжать электроэнергией двигатели шасси платформ, системы управления, терморегулирования, обеспечения жизнедеятельности экипажа, исследовательское оборудование.

В. ЧЕРНОВ

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ

В гости к лунатикам и марсианам

На прошедших в Москве XXXV Академических чтениях по космонавтике («Королёвские чтения») специалисты Государственного космического научно-производственного центра ГКНПЦ имени М.В. Хруничева представили планы дальнейшего освоения космоса. В программе, рассчитанной на 30 лет, прописаны основные этапы освоения Луны и Марса.

Старты с нового космодрома

По мнению специалистов ведущего космического предприятия России, колонизация других планет должна начаться с создания сборочной платформы на низкой околоземной орбите. На этой станции-верфи из отдельных модулей будут строить межпланетные корабли примерно по той же технологии, как создавалась нынешняя Международная космическая станция (МКС).

Следующий этап — развертывание лунной орбитальной станции. База на орбите нашего естественного спутника позволит исследовать Луну и управлять автоматами на ее поверхности без запаздывания сигнала (до Земли сигнал идет чуть более секунды).

Кроме того, с этой станции будут впоследствии осуществляться высадки в различные районы Луны. Затем в наиболее интересных с точки зрения науки областях Луны будут созданы посещаемые базы.

Со временем базы станут обитаемыми, и начнется следующий этап — создание рудников, заводов-автоматов по переработке местных ресурсов для жизнеобеспечения космонавтов и заправки кораблей. Специалисты Центра имени Хруничева предполагают осуществлять запуски ракет по лунной программе с нового космодрома Восточный, сооружение которого планируется завершить в 2013 году. Расположенный в Амурской области, на российском Дальнем Востоке, новый гигантский космический центр в перспективе заменит Байконур в Казахстане.

К Луне наперегонки

Кроме нас к естественному спутнику Земли спешат китайцы, корейцы, японцы… Так, первого декабря 2010 года, в честь 61-й годовщины создания КНР, китайцы запустили второй космический зонд для исследования Луны. «Аппарат открывает дорогу для последующей высадки на естественный спутник Земли, а также для проведения космических исследований», — пояснил в день запуска представитель космического ведомства Китая. Далее Пекин предусматривает первый беспилотный полет на Луну в 2013 году; высадку предполагается совершить в Бухте Радуг.

Интересно, что специалисты КНР уже сейчас думают над тем, как возводить лунные постройки. Говорят, они собираются их просто… выращивать. Желая найти способ сократить расходы на лунное строительство, ученые Поднебесной вывели бактерию, способную существовать и размножаться при очень высоких (+200 градусов Цельсия) и очень низких, вплоть до абсолютного нуля, температурных режимах. Используя в качестве пищи для роста и деления некий порошок, бактерии смогут очень быстро заполнять опалубку веществом, похожим на строительную пену. Перестав получать пищу, бактерии погибнут, а получившаяся пена застынет, образуя состав, похожий на бетон.

Есть космические программы и у специалистов Японии и Южной Кореи. Сеул планирует построить с помощью России ракету к 2018 году и к 2025 году отправить на Луну первые спутники. А японец Ацуо Таканиши из Университета Васэда и его коллеги разработали программу для изучения походки человекоподобного устройства WABIAN-2R по Луне. Этот робот высотой 1,5 м и весом 64,5 кг в принципе способен прыгать по лунной поверхности без потери равновесия на высоту до 1,5 м.

Такие роботы Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) считает альтернативой традиционным колесным луноходам и марсоходам.

А вот американцы возвращаться на Луну пока не торопятся. Из-за финансового кризиса президенту Бараку Обаме пришлось приостановить освоение Луны в рамках проекта Constellation, начатого Джорджем Бушем в 2004 году. До лучших времен отложено и сооружение ракетных носителей нового поколения, а также обитаемого модуля космического корабля Orion, на что уже было потрачено 9 млрд. долларов. Тем не менее, во многих проектах по освоению Луны и Марса говорится о том, что на Луне будут построены здания (а то и целые комплексы), но никто не уточняет, из чего они будут сделаны. Ведь привезти с Земли все стройматериалы не получится. Специалисты из политехнического института Виргинии, похоже, нашли ответ на этот вопрос.

Идейный вдохновитель проекта — профессор Кэтрин Логан. Поначалу, правда, она разрабатывала новую танковую броню. Для этого исследовательница смешивала алюминиевую пудру и керамические материалы, которые в ходе реакции сплавлялись воедино. «Позже я предположила, что подобный опыт можно использовать для создания конструкционных материалов для Луны», — сказала Кэтрин.

Конечно же, достаточного количества реголита (лунного грунта) у научной группы под руководством Эрика Файерсона не было, поэтому в качестве замены ученые использовали синтетический аналог — вулканический пепел, перемешанный с различными минералами и базальтом.

В ходе эксперимента искусственный реголит и алюминиевую пудру смешивали и помещали в тигель. Нагревание смеси до 1500"С привело к экзотермической реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). В результате получились монолитные блоки (13x6,5x2,5 см и весом 57 г). Из них и предполагается вести строительство инопланетных жилищ.

Проект по созданию инопланетных «кирпичей» завоевал приз исследовательского центра PISCES (Pacific International Space Center for Exploration Systems). Ведь кирпичи не только прочны, но их не надо скреплять цементом или гвоздями, а можно сплавить в считаные минуты сваркой, что значительно сократит затраты времени на строительство.

Еще один интересный проект предложен Джином Джакомелли из Университета Аризоны. Им и его коллегами создана звездообразная надувная теплица, которая может быть развернута в автоматическом режиме, засыпана лунным грунтом для защиты от космических лучей и микрометеоритов и в дальнейшем будет обслуживаться роботами (см. схему). «Астронавтам некогда будем самим копаться на грядках, — полагает Джин. — А везти, скажем, томаты с Земли — это очень дорого…»

Примерный вид и схема развертывания лунной теплицы:

_{1 — на Луну опускается беспилотный грузовой модуль; 2 — в плотно упакованные рукава подается воздух, и они под давлением разматываются во все стороны; 3 — робот-бульдозер выезжает через один из рукавов наружу и присыпает теплицу лунным грунтом.}

К Марсу — на «ядре»?

Однако прежде чем начинать строительство на иных планетах, надо ведь туда добраться. В Вашингтоне наметили новую программу Mars Exploration Rover, в рамках которой планируется несколько полетов на Красную планету.

Думают о полетах на Марс и в России. Те же специалисты Центра имени Хруничева хотят сначала создать околомарсианскую станцию. Затем предлагается осуществить несколько высадок на поверхность. Вслед за тем — создание временной базы, постоянной колонии.

Для межпланетных кораблей наши специалисты разработали проект двухрежимного ядерного ракетного двигателя (ЯРД). Он сможет работать в качестве непосредственно ядерного двигателя и как источник энергии для целой батареи электроракетных двигателей (ЭРД) малой тяги.

Вблизи планет, где требуется большая тяга, сильно разогретый водород, прокачанный через активную зону реактора, выбрасывается через сопло в космос и создает необходимую тягу. В межпланетном пространстве двигатель работает как АЭС. Это требует наличия огромных радиаторов для охлаждения хладагента (в отличие от наземных АЭС, тепло в космосе можно сбросить только излучением),

а также турбин и генераторов. Энергия, вырабатываемая космической атомной электростанцией, пойдет на питание электроракетных двигателей малой тяги. Удельный импульс таких двигателей чрезвычайно высок (а значит, затраты топлива минимальны). «Ничего принципиально нереализуемого в проекте нет, — утверждают наши специалисты, — первые проработки двигателя уже есть…»

О новом межпланетном двигателе мечтает и бывший астронавт Франклин Чанг-Диас. Он объявил, что уже договорился с НАСА об испытании в 2014 году прототипа своего магнитоплазменного реактивного двигателя с переменным импульсом (VASIMR) и ядерного бортового реактора мощностью 200 мегаватт. Если придуманная им концепция окажется успешной, это позволит сократить время перелета на Марс до 39 дней.

VASIMR использует пару радиоантенн для ионизации и разогрева газов (например, аргона) и ускорения реактивной струи с помощью магнитного поля. В отличие от обычных химических ракетных двигателей, VASIMR развивает меньшую тягу, однако по сравнению с ионными ракетными двигателями он должен обладать довольно большим удельным импульсом — до 30 000 с — и скоростью истечения реактивной струи до 300 км/с.

Двигатель также способен регулировать тягу, он конструктивно прост и компактен и может непрерывно работать в течение нескольких дней или недель, что позволяет разогнать корабль до больших скоростей, а потом так же его затормозить. Все это и позволит сократить продолжительность полета на Марс почти в 5 раз.

Публикацию подготовил С. СЛАВИН

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ

Путешествие к центру Земли

Помните, как герои одного из романов Жюля Верна отправились в путешествие к центру Земли, пользуясь природными пещерами? На самом деле, к сожалению, столь глубоких пещер на нашей планете не существует. Нет пока и технических возможностей создать некий подземоход, который бы смог добраться до центра нашей планеты. Поэтому приходится действовать окольными путями.

Ученые из Southampton Oceanography Centre при Университете Саутгемптона, США, всерьез заговорили о возможности бурения сверхглубокой скважины. Руководитель исследований, доктор Деймон Тигл, объявил о намерении начать работы по достижению нижних слоев мантии — земного слоя, лежащего между корой и ядром. Проект потребует бурения скважины глубиной более 20 км, часть из которых составляет цельная скальная порода.

Бурильную установку намерены расположить в океане, поскольку земная кора там значительно тоньше. Тем не менее, температура мантии может превышать 1200 градусов Цельсия, а это губительно для любого современного бура.

Проблему представляет даже… атмосферное давление: на 20-километровой глубине давление воздуха может перевалить немыслимую отметку в 1900 бар! Единственная надежда бурильщиков — использовать бур с несколькими полостями, охлаждаемый изнутри циркулирующей морской водой, закачиваемой внутрь под давлением. Местом для проведения эксперимента выбран Тихий океан. Конкретный район пока что уточняется.

Вместе с американцами активное участие в этой программе намерены принять исследователи из Национального океанографического центра Великобритании и французского университета Монпелье. Стоит отметить, что задача исследователей существенно облегчилась после предыдущих экспериментов, когда было пробурено более 1,5 км ниже морского дна, где толщина земной коры составляет от 8 до 10 км. Так что некоторый опыт у исследователей уже есть.

Предположительно, ученые могут выбрать одну из трех точек для бурения: у берегов Гавайских островов, Калифорнии и Коста-Рики. Первый участок удобен тем, что кора там образуется быстрее, чем в других океанах, а значит, имеет более однородную структуру, которую легче бурить. «В случае успеха, это будет первое взятие проб с такой глубины», — отметил уже упомянутый нам Деймон Тигл, профессор геохимии в Университете Саутгемптона.

Главный инструмент в выполнении этой операции корабль-дрель Chikyu («Земля») стоимостью 535 млн. долларов, постройка и оснащение которого были завершены в Японии в апреле 2004 года. Мы уже рассказывали вам о нем вкратце (см. «ЮТ» № 6 за 2006 г.). Сегодня у нас есть возможность дополнить ранее предоставленные сведения.

Специализированное судно Chikyu — это совместное детище компаний Mitsui Engineering & Shipbuilding и Mitsubishi Heavy Industries. По сравнению с ветераном подводного бурения Joides Resolution новый японский бурильщик — настоящий великан. Длина судна — 210 м, ширина — 38 м, водоизмещение — около 58 тыс. т.

Но, конечно, самое впечатляющее на Chikyu — это бурильная установка. Максимальная длина ее буровой колонки составляет 12 км. А глубина воды в точке, которую судно может бурить, не превышает 7 км. При этом на максимальную глубину (вода плюс морские отложения и кора) Chikyu может опускать буры с научным оборудованием и извлекать керны пород.

А на океанских глубинах до 4 км судно может бурить и такие скважины, по которым наверх откачиваются раздробленные породы с водой, а также донные отложения — весьма ценный материал для исследований. Для этого по центру пустотелого бура вниз подается вода под огромным давлением, а обратно она идет по внешнему кольцевому зазору, поскольку буровая колонна напоминает телескопическую систему из нескольких труб разного диаметра.

Схема бурения с плавучей буровой.

Буровая установка ночью.

Буры для разных пород.

Плавучая буровая установка — это целый завод.

Разумеется, пока судно проводит бурение, оно должно оставаться на месте. Для этого у Chikyu есть система GPS-навигации и целых семь поворачивающихся водометных движителей суммарной мощностью почти 11 мегаватт. Этого достаточно, чтобы не бояться любых течений и ветров.

Эксперты называют предстоящее бурение одной из самых амбициозных научных программ человечества, наряду с исследованиями Марса, Сатурна и далеких звезд. Ведь о том, что океан и недра нашей планеты скрывают не меньше тайн, чем космос, говорится уже давно.

Правда, как отметил Тигл, чтобы добраться до этих тайн, команде исследователей придется придумать новые бурильные инструменты, которые будут в состоянии противостоять чрезвычайно высоким температурам и давлениям.

Кроме того, исследователи помнят, что многие из предпринятых ранее попыток глубинного бурения оказались не совсем удачными. Многие эксперты опасаются, что и эта окажется безуспешной. «Наша живая планета всегда сопротивлялась подобному вмешательству, — говорят они. — Подобные эксперименты очень опасны. Мантия Земли предельно энергонасыщена, и результатом бурения может стать рукотворный вулкан, последствия извержения которого могут оказаться непредсказуемы…»

Тем не менее, приступая к нынешней попытке, исследователи полны оптимизма. В результате бурения они надеются заполучить образцы «настоящей» мантии, лежащей ниже литосферы. То, что периодически выбрасывают на поверхность Земли вулканы, ученых не устраивает, поскольку при извержении происходят многочисленные процессы, меняющие химический состав и структуру лавы.

Пока же напомним, что ныне глубина рекордной скважины СГ-3, расположенной на Кольском полуострове, составляет 12 261 метр ниже уровня моря. Бурение проводилось с 1970 по 1990 год. С тех пор скважина была законсервирована и в 2010 году была официально закрыта. Так что у зарубежных исследователей есть все шансы побить этот рекорд. Начало всей операции планируют на 2018 год.

С. СЕРЕГИН

Кстати…

АЛМАЗНЫЕ НЕДРА

Как полагают, внутри нашей планеты углерод под колоссальным давлением может превратиться в алмаз. Чтобы проверить это, международная группа ученых из США, Франции, Китая, России, Канады и Великобритании создает Deep Carbon Observatory.

Несмотря на свое название, это не астрономическая обсерватория, а общее название проекта, включающего в себя ряд экспериментов, которые помогут исследователям как бы заглянуть внутрь Земли.

В данном случае ученые надеются смоделировать процессы круговорота углерода в недрах планеты, на глубине в тысячи километров под нашими ногами.

Проект Deep Carbon Observatory, кроме прочего, должен охватить массу аспектов существования и превращений углерода на Земле — от парниковых газов, таких как метан, до образования алмазов. Кроме того, в рамках проекта предполагается исследовать и совершенно экзотические формы углерода — такие как полимерный диоксид, который может встречаться в мантии, в условиях огромных давлений.

Основным инструментом должна стать камера высокого давления с алмазными наковальнями, в которой будут воспроизведены условия давления и температуры, существующие в недрах планеты. Пучок нейтронов позволит смоделировать течения жидкостей сквозь расплавленную каменную породу. Планируются также и опыты с микроорганизмами, способными существовать при высоких температурах и давлении.