Марс, туда и обратно

30 июля с космодрома на мысе Канаверал к Марсу отправится ракета «Атлас-5» с марсоходом «Персеверанс». И это не просто очередной марсианский ровер. Это — первый шаг в фантастически сложном, дорогом и долгом проекте по доставке на Землю образцов марсианской породы. Разберемся, зачем нужны все эти усилия, и как именно марсианский грунт американцы собираются доставить в земные лаборатории.

Примерно раз в 780 суток Земля и Марс оказываются в наиболее удобном положении для запуска космических аппаратов с Земли на Красную планету: в 2020 году «окно на Марс» открыто с 15 июля по 13 августа. В него должны были лететь четыре межпланетные миссии, но полетело три: орбитальный аппарат Объединенных Арабских Эмиратов «Аль-Амаль» (Al Amal) и китайская миссия «Тяньвэнь-1» (Китай запустил сразу орбитальный зонд и спускаемый модуль с марсоходом) уже отправились в путь, замыкают «марсианский караван» 2020 года американский «Марс-2020». Российско-европейскую миссию «Экзомарс-2020» «Роскосмос» и Европейское космическое агентство перенесли — вмешалась пандемия COVID-19, и организации не смогли обеспечить совместное удаленное управление проектом.

Американская программа предполагает отправку на Марс марсохода «Персеверанс» (Perseverance, «настойчивость»). Во многом этот аппарат похож на своего предшественника, марсоход «Кьюриосити», который работает на планете почти восемь лет. Но у него есть и существенные отличия в составе научных приборов, а кроме того, новый ровер отправится в путь не один, а в сопровождении первого внеземного вертолета.

Однако главное отличие состоит в том, что этот космический аппарат станет первым этапом миссии по доставке марсианского грунта на Землю, MSR (Mars Sample Return Mission). Решение этой задачи займет 11 лет и станет первой в истории попыткой доставить с Марса образцы песка и камней.

Набор инструментов

Для исследования грунта прямо на поверхности Красной планеты «Персеверанс» оснащен следующими инструментами: PIXL, RIMFAX, SuperCam и SHERLOC. Кроме этого, для осмотра местности «Персеверанс» использует Mastcam-Z, блок из двух камер, практически такой же как и на «Кьюриосити».

По инструментам «Персеверанс» напоминает ровер «Кьюриосити» — в его арсенале тоже в основном спектрометры различных типов. Главное отличие в том, что «Кьюриосити» обладает механической рукой, оснащенной ударным буром для взятия проб марсианского грунта с глубины, а анализ образцов производится внутри корпуса. У «Персеверанс» бур гораздо меньше и является частью прибора SHERLOC. Он прячется прямо в механической «руке» марсохода, а внутреннее пространство ровера используется для хранения образцов.

PIXL (планетарный инструмент для рентгеновской литохимии) — это рентгенофлуоресцентный спектрометр, способный определять состав грунта и работающий даже с мелкодисперсным песком. Образец облучается источником высокоэнергетического излучения, отраженное грунтом излучение улавливается детектором и при помощи специальных методов математического моделирования компьютер определяет состав образца. Плюс такого анализа в его скорости — он требует всего несколько секунд.

Похожим образом работает и SHERLOC, рамановский спектрометр, который вместо рентгеновского излучения использует ультрафиолетовое. Его основная задача — определять состав мелкодисперсных образцов и искать в них органические соединения, которые, возможно, подскажут нам, была ли на Марсе жизнь.

SuperCam оснащен двумя лазерами и четырьмя спектрометрами, а его задача — анализ химического и минерального состава горных пород и реголита на расстоянии. Метод, заложенный в его основу, называется лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия — лазер фокусируется на поверхности вещества, а специальные датчики изучают факел возникающей плазмы и анализируют его. Предполагается, что и он может определять биосигнатуры — следы проявлений жизни как в прошлом, так и в настоящем.

Новшеством на борту «Персеверанс» является прибор RIMFAX, предоставленный для миссии Норвежским центром оборонных исследований (FFI). Это георадар, способный изучать слои грунта с разными характеристиками, искать пустоты или подземный лед под колесами марсохода.

Испанские ученые, которые создавали для ровера «Кьюриосити» метеорологические приборы, сделали метеостанцию и для нового марсохода, но теперь их ассортимент существенно богаче. Набор датчиков MEDA, созданный Испанским центром астробиологии, будет измерять температуру воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление, влажность, уровень радиации, размер и форму частиц пыли, поднимаемой ветром или колесами «Персеверанса». Получается, что в основном грунт исследуется на месте лишь различными спектрометрами, без других типов анализа.

Прибор MOXIE на борту ровера будет прокладывать путь будущим пилотируемым экспедициям. Его главной задачей будет получение кислорода из марсианского воздуха. Если MOXIE будет исправно выполнять свою работу, то и у будущих покорителей Марса будет достаточно кислорода для дыхания, а также окислителя для ракетного топлива.

Помимо камер, на «Персеверансе» стоят еще и микрофоны. С их помощью ученые смогут послушать Марс (это впервые начал делать InSight), да и сам марсоход.

Первый в истории марсианский (и вообще внеземной) вертолет «Индженьюити» (Ingenuity, «изобретательность»), станет спутником марсохода. Дрон выполнен по соосной схеме с двумя винтами диаметром 1,2 метра. Они будут вращаться со скоростью 2400 оборотов в минуту, что гораздо быстрее, чем у земных вертолетов. Аппарат массой около 1,8 килограммов оснащен аккумуляторами на солнечных панелях, камерой и системой навигации. Главные проблемы дрона — низкие температуры и разреженная атмосфера Марса. Специалисты NASA говорят, что запустить вертолет в атмосфере Марса — это все равно что поднять его на 30-километровую высоту на Земле.

Предполагается, что дрон будет заниматься разведкой на местности: совершать небольшие полеты длительностью всего несколько минут, подниматься лишь на несколько десятков метров, делать фото и возвращаться обратно для подзарядки. Но главная задача дрона — хотя бы просто взлететь, это покажет, возможен ли управляемый полет в атмосфере Марса.

Зачем собирать камни

Зачем ученые пытаются собирать по всей Солнечной системе различные образцы вещества? Собирают камни на Луне, обстреливают и сбрасывают бомбы на астероиды, отправляют аппараты в пролет сквозь хвост кометы и ловят частицы солнечного ветра в ловушки из аэрогеля. Казалось бы, внеземное вещество само падает на Землю тоннами в виде метеоритов, и в распоряжении ученых есть даже метеориты, попавшие на Землю с Марса.

Один из ответов могут дать археологи: они хорошо знают, что старинный предмет, который нашел «черный копатель» и продал в антикварную лавку, практически бесполезен для исследователей, потому что для них критически важен контекст. Без ответа на вопрос, в каком слое лежал артефакт, рядом с какими предметами, находка становится немой.

По словам Марины Ивановой из лаборатории метеоритики Института геохимии и аналитической химии имени Вернадского РАН (ГЕОХИ), грунт, доставленный с Марса поможет точно атрибутировать марсианские метеориты. Сейчас ученых интересуют глубинные, коренные породы на Марсе. «Кьюриосити» уже дал достаточно информации об осадочных породах на самой поверхности. А вот получить керн, колонку марсианского грунта, было бы гораздо важнее. Полученное вещество можно будет сравнить с марсианскими метеоритами, как это было уже сделано с лунным грунтом. «Только тогда можно будет подтвердить, что метеориты, которые сейчас считаются марсианскими, попали на Землю именно оттуда», — сказала Иванова в беседе с N+1.

Второй ответ могут дать геохимики: они хорошо знают, что только крайне сложные, дорогие и капризные приборы, которые никак нельзя отправить на Марс, могут дать ответы на многие важные вопросы об истории этой планеты. В частности, по словам Эрика Галимова, научного руководителя ГЕОХИ, на марсоход нельзя поставить часть приборов, которые были бы очень важны для исследования грунта, например циклотронный масс-спектрометр, ионный зонд. Именно поэтому, несмотря на все инструменты «Персеверанса», ученым так важно доставить грунт на Землю и изучить его уже в лаборатории. «Именно там можно было бы построить изотопную диаграмму по кислороду, это не самое сложное из возможных исследований, но очень нужное и при этом требующее именно лаборатории», — говорит Галимов, добавив, что изотопный состав может дать информацию о биогенности вещества, то есть о связи его происхождения с работой живых организмов.

Подобные исследования — процесс небыстрый. Лунный грунт, добытый в прошлом веке Советским Союзом и США, изучается до сих пор: проводятся научные симпозиумы, выдвигаются новые теории. Анализ вещества, доставленного космическим аппаратом «Луна-20», поставил крест на теории о составе лунных «материков» и гипотезе, что они состоят из первичного, недифференцированного вещества, каким оно было непосредственно после образования Луны из протопланетного облака. Более того, присутствие анортозитов на поверхности лунных «материков», по-видимому, свидетельствует о значительной дифференциации первичной Луны уже на очень ранней стадии ее существования.

Получив лунный реголит, ученые смогли исследовать в лабораторных условиях химический состав различных образований в поверхностном слое спутника Земли, в том числе отдельных камней и фрагментов. Порой эти фрагменты имели размер нескольких микронов. Были изучены кристаллы различных минералов, слагающих лунные породы. Отдельно удалось проанализировать и обнаруженные в лунном грунте стеклообразные шарики, по-видимому, образовавшиеся при частичном расплавлении грунта в момент удара микрометеоритов.

Марс гораздо интереснее и перспективнее, чем Луна. Именно с Марсом связаны надежды специалистов найти первую инопланетную жизнь, пусть и простейшие бактерии. И именно изучение грунта в земной лаборатории способно поставить окончательную точку в этом вопросе.

Кроме чисто научного, тут еще присутствует и технологический интерес — возможность доставить грунт с другой планеты это очень сложная технологическая задача, настоящий вызов для современной космонавтики.

Коллекционер

Программа «Марс-2020» станет первым шагом миссии по доставке марсианского грунта на Землю. О дальнейших шагах этой программы известно не так много, ее продолжение существует пока лишь в виде планов и черновых разработок, и может полностью измениться, например, в случае проблем у миссии «Марс-2020» или ее переноса. Основная информация о доставке марсианского грунта стала известна в апреле 2020 года, после онлайн-совещания группы по анализу программы исследования Марса (MEPAG), в которую входят специалисты NASA и Европейского космического агентства (ЕКА).

Первая и самая важная стадия операции возложена на марсоход «Персеверанс». Во время своей работы на поверхности Марса он будет брать образцы марсианского грунта в разных точках и помещать их в специальные герметичные металлические «пробирки». Раньше предполагалось, что «Персеверанс» будет оставлять их на своем пути, подобно мальчику-с-пальчик, оставлявшему за собой хлебные крошки, а затем их должен был бы подобрать следующий марсоход, однако новый вариант миссии предполагает, что все они будут собраны в одной точке. Очень важно будет собрать образцы с разных мест прохождения марсохода. Марсоход специально отправляют в кратер Езеро: ученые считают, что раньше на его месте существовало озеро, а значит там много отложений богатых глиной. Если там была вода, то, вполне возможно, была и жизнь.

Александр Базилевский, заведующий лабораторией сравнительной планетологии ГЕОХИ РАН, считает, что наиболее важно попробовать взять образцы не с поверхности, где «все окислено», а из глубины породы — ученому хотелось бы увидеть филлосиликаты (марсианские глины), которые формировались при участии воды, и, возможно, могут содержать следы бактерий. Геологу интересно посмотреть и на магматические породы, они позволят больше узнать о процессах образования Марса, а про историю климата могут рассказать осадочные породы. Определять наиболее перспективные места нахождения таких пород как раз может помочь дрон, говорит Базилевский.

«Персеверанс» довезет образцы до условленного места в кратере Езеро. Кратер имеет диаметр 49 километров, вся миссия «Персеверанса» будет проходить внутри него. Прибыв на место, он организует специальную площадку, куда будет сгружать все собранное. Предполагается что после отправки образцов, если у «Персеверанс» будут силы, он продолжит работу, а в действие вступит вторая часть плана, которая сейчас называется «26-26-31».

В 2026 году, в очередное пусковое окно к Марсу, американцы запустят к планете еще один аппарат, чтобы отправить собранные «Персеверансом» пробы на Землю. Спускаемый аппарат второй миссии должен будет приземлиться в кратере Езеро в 2028 году. Ровер, судя по иллюстрациям, будет меньше «Персеверанса» в несколько раз. Главной его задачей станет сбор капсул с грунтом и перенос их в ракету. Это должно занять около 13 месяцев, около половины марсианского года. На работу у «Лэндера» будет несколько летних месяцев, следом за которым начнется сезон пыльных бурь. Посадка в этот период позволит марсоходу, скорее всего, обойтись только солнечными панелями, не используя в конструкции марсохода второго этапа тяжелый радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), который установлен на «Персеверанс».

Ровер погрузит пробы на ракету, та взлетит с поверхности Марса и направится к ожидающему ее на низкой орбите космическому аппарату для возврата образцов. Этот орбитальный аппарат тоже стартует в октябре 2026 года. Используя электрическую двигательную систему, он выйдет на низкую орбиту как раз к тому времени, когда туда же прибудет «подъемник».

При доставке образцов с Марса впервые в истории человечества будет использоваться протокол «обратной» планетарной защиты от возможных чужеземных микроорганизмов. Поэтому проектироваться возврат образцов будет с учетом того, чтобы они не контактировали с земной атмосферой до момента доставки на планету.

Пока общего бюджета миссии еще нет, как нет и выполненных в металле космических аппаратов, посадочного модуля и ровера для второй фазы. Все дело в том, что дальнейшая работа над миссией очень сильно зависит от начала успешной работы «Персеверанс», именно поэтому так важен этот запуск и безопасная посадка. Именно после нее может начаться одна из самых сложных и удивительных космических миссий настоящего времени — возврат марсианского грунта.