Дональд Трамп недавно сделал громкое заявление о намерении отправить американских астронавтов на Марс в течение ближайших четырёх лет – до окончания его президентского срока. Это амбициозное заявление вызвало немало скептицизма в научном сообществе, особенно учитывая, что человечество ещё не вернулось на Луну из-за многочисленных задержек миссии NASA «Артемида 2».

Хотя Трамп не раскрыл деталей марсианского плана, предполагается, что ключевую роль в его реализации сыграет компания SpaceX, основанная Илоном Маском. SpaceX планирует использовать свою сверхтяжёлую ракету Starship, которая всё ещё находится в разработке, для доставки людей на Марс. 16 января Starship совершила свой седьмой запуск – тестовую миссию, которая была частично успешной. Первая ступень Super Heavy была поймана «руками» стартовой башни, как и планировалось, но верхняя ступень взорвалась из-за утечки топлива ближе к концу фазы подъёма.

Несмотря на то, что работа над Starship ещё далека от завершения, Маск заявил, что SpaceX планирует запустить беспилотные миссии на Марс в 2026 году, а если эти полёты будут успешными, то отправить астронавтов в 2028 году.

Однако темпы разработки Starship – далеко не главная проблема в списке. В мае 2024 года в журнале Nature's Scientific Reports появилась статья, в которой ставилась под сомнение осуществимость пилотируемой миссии на Марс на борту Starship. Для авторов работы основная проблема заключается в массе.

Опираясь на все общедоступные данные о марсианских планах SpaceX, команда Фолькера Майвальда, аэрокосмического инженера из Германского аэрокосмического центра (DLR) пришла к выводу, что требуемая масса полезной нагрузки для успешной марсианской миссии – включая астронавтов, оборудование, инфраструктуру, топливо, еду, воду, воздух и так далее – превышает то, что Starship может перевезти за один полёт.

Ключевая проблема заключается в том, что Майвальд называет «степенью восстановления расходных материалов» – по сути, это способность перерабатывать пищу, воду и воздух. Чем больше можно переработать, тем меньше запасов нужно брать в путешествие. Растения, например, являются важным фактором в повышении степени восстановления этих расходных материалов. Они обеспечивают пищу и могут расти на отходах, производят кислород и удаляют углекислый газ из воздуха.

Однако, согласно расчётам команды, даже 100% степень восстановления расходных материалов не была бы достаточной для снижения массы полезной нагрузки до уровня, соответствующего требованиям миссии.

Ещё одним расходным материалом является топливо. Чтобы уменьшить массу космического корабля, на борту можно нести только достаточное количество топлива для достижения Марса. Уже на Красной планете с использованием местных ресурсов (ISRU) можно создать новое ракетное топливо. Starship сжигает жидкий метан и кислород, но извлечение метана и кислорода из атмосферы Марса и водяного льда будет непростой задачей.  Технологии ещё не полностью догнали эту идею.

«Насколько мне известно, единственный эксперимент, который когда-либо проводился вне земной среды, – это MOXIE, эксперимент на марсоходе Perseverance», – сказал Майвальд. MOXIE – это эксперимент по использованию ресурсов для получения кислорода на Марсе, в 2021 году он стал первым экспериментом по извлечению кислорода из обильного углекислого газа в атмосфере Марса.

По данным NASA, для запуска всего четырёх астронавтов с поверхности Марса потребуется 15 000 фунтов (7 000 килограммов) ракетного топлива и 55 000 фунтов (25 000 кг) кислорода. Плюс кислород, который астронавтам понадобится для дыхания во время их пребывания на Марсе.

Изначально MOXIE удалось произвести 5 граммов кислорода, чего достаточно для дыхания одного астронавта в течение 10 минут. MOXIE был разработан для производства до 10 граммов кислорода в час во время работы, и к моменту завершения эксперимента в 2023 году он произвёл в общей сложности всего 122 грамма кислорода.

Что делает осуществимость пилотируемой марсианской миссии более сложной, так это то, что извлечение этих ресурсов, вероятно, должно будет происходить независимо, с помощью роботов, без наблюдения людей, до прибытия пилотируемой миссии, чтобы кислород и ракетное топливо ожидали первых астронавтов на Марсе, когда они туда прибудут. Это также поднимает проблему надёжности такой непроверенной технологии, без астронавтов на месте, чтобы починить её в случае поломки.

Ограничения, касающиеся ISRU на Марсе, также применимы к Луне. Разница в том, что до Луны три дня полёта, и пополнение запасов любых баз там было бы относительно тривиальным. Марс находится как минимум в шести месяцах пути, в зависимости от относительных положений Земли и Марса на их орбитах.

Другой вариант – запустить несколько беспилотных Starship, несущих всё топливо и кислород, которые понадобятся астронавтам на Марсе. Имея достаточно припасов для себя, астронавты могли бы производить кислород и ракетное топливо, необходимые второму экипажу, если и когда они прибудут. «Однако это, насколько мне известно, не является частью сценариев для Starship», – сказал Майвальд.

Существует множество других проблем. Космос – не безопасная среда, и астронавты будут подвержены воздействию космических лучей и солнечной радиации. Астронавты, отправляющиеся на Марс, получат дозы радиации до 700 раз больше, чем на Земле. Измерения, проведённые орбитальным аппаратом ExoMars Trace Gas Orbiter Европейского космического агентства, показывают, что шестимесячное путешествие на Марс подвергло бы астронавтов 60% их общей рекомендованной пожизненной дозы радиации.

И они не были бы намного безопаснее на поверхности Красной планеты, которой не хватает плотной атмосферы и магнитного поля, которые защищают Землю от космической радиации. Даже если бы на Starship были защищённые зоны, где можно укрыться во время солнечной бури, то это лишь уменьшило бы риск, но не устранило его. На МКС, которая находится внутри магнитного поля Земли и где есть защищённые зоны, астронавты тем не менее получают в 200 раз больше радиации, чем средний пилот авиалиний.

Учёные работают над улучшением защиты пилотируемых космических кораблей, проводя эксперименты в ускорителях частиц, где они бомбардируют биологические клетки высокоэнергетической радиацией, которой они подвергались бы в космосе, а затем экспериментируют с различными материалами, пытаясь защитить эти клетки. Ранние результаты показали, что литий является наиболее эффективным материалом для защиты, но требуются дальнейшие исследования.

Есть и другие аспекты. Микрогравитация разрушительно действует на организм, эволюционировавший для жизни в земной гравитации, а не в космосе. Мышечная атрофия – распространённое заболевание, с которым должны бороться астронавты, хотя лекарства показали, что могут уменьшить её эффекты. Недавние исследования также обнаружили, что микрогравитация может повредить зрение астронавтов. По крайней мере 70% астронавтов, побывавших на МКС в течение шести-двенадцати месяцев, пострадали от нейроокулярного синдрома, связанного с космическим полётом (SANS), который влияет на глаза в результате давления жидкостей на ткани мозга в условиях микрогравитации. Хотя зрение всех астронавтов в исследовании вернулось в норму после возвращения на Землю, последствия более длительных космических полётов неизвестны. Кроме того, сообщалось о более высоком проценте ранней катаракты у астронавтов в результате воздействия космической радиации.

Есть также проблемы, касающиеся микробов, которые астронавты захватят с собой. Планетарная защита – большой аспект межпланетных исследований. Правила, установленные COSPAR (Комитетом по космическим исследованиям), гласят, что все роботизированные миссии, предназначенные для поиска доказательств жизни – как некоторые текущие и разрабатываемые марсианские миссии – должны быть стерилизованы до такой степени, чтобы вероятность того, что микроб, случайно занесённый на борт с Земли, может загрязнить Марс или любое другое планетарное тело, которое исследует эта миссия, была меньше чем 1 к 10 000.

Хотя астробиологическое сообщество рассматривает возможность пересмотра этого предела, из-за присутствия человека любая пилотируемая миссия неизбежно приведёт к загрязнению Марса. Задача состоит в том, чтобы минимизировать влияние такого загрязнения. Однако хороших сценариев пока что нет, и неоправданная спешка может привести к тому, что значительно увеличится риск загрязнения Марса земными микробами. Если это произойдёт, то чрезвычайно затруднит попытки найти доказательства жизни на Марсе, прошлой или настоящей.

Команда Майвальда даёт некоторые рекомендации, чтобы ускорить процесс подготовки марсианских миссий. Одна из них – запустить сначала беспилотные миссии, чтобы проверить надёжность технологии производства кислорода и ракетного топлива, например, или для выращивания сельскохозяйственных культур на Марсе. Вторая рекомендация – запустить грузовые версии Starship в одну сторону, чтобы разместить всю необходимую инфраструктуру и припасы на поверхности до прибытия астронавтов на Марс. Вместо того, чтобы экипаж привозил с собой жилища, грузовые Starship могли бы использоваться в качестве жилищ. Третья рекомендация – сосредоточиться на разработке систем жизнеобеспечения, которые могут приблизиться к 100% степени восстановления расходных материалов. Команда Майвальда говорит, что это обязательно, поскольку нет возможности запустить успешную миссию без достижения этого. Их последняя рекомендация – включить международных партнёров, которые могут помочь в разработке технологий и предоставить финансирование, хотя с оговоркой, что международная политика и повестки дня добавляют дополнительный уровень бюрократии, который может замедлить процесс.