21 March 2015

Подводная лодка для… Титана. А может машина времени?

Popular scienceEnergy and batteriesAstronautics
image

Титан — это суперхолодный спутник Сатурна: средняя температура на его поверхности — в районе минус 180 градусов Цельсия. Вода здесь не существует ни в каком виде, кроме глубоко замороженного льда. Условия совершенно не подходят для жизни человека.

Однако, как это ни странно, Титан имеет большее количество сходств с Землёй, чем любая другая планета Солнечной системы, несмотря на исполинские отличия в температурных и других климатических условиях.

Поверхность Титана очень сильно напоминает земную. На ней обнаружены горные гряды, барханы, многочисленные озера и вершины, среди которых немало вулканов. Как и на Земле, атмосфера на Титане, похоже, стерла следы большинства метеоритных кратеров. Титан — единственный из известных человеку естественных спутников, на котором есть плотная атмосфера, и единственное из известных небесных тел (помимо Земли), на поверхности которого существуют стабильные жидкие озера. А роль воды в гидрологическом цикле на Титане исполняют метан и этан; они выпадают в виде дождя и снега, они же формируют озера и реки.

Существует неплохой шанс, что химический состав атмосферы Титана очень похож на тот, который был на Земле в то время, когда она появилась на нашей планете. Если выяснится, что нынешние химические процессы, происходящие на Титане, поддерживают добиологическую химию, подобную той, что сопутствовала развитию жизни на Земле, то, изучая Титан, мы сможем изучить глубокое прошлое Земли и, возможно, лучше понять, каким образом зарождалась на нашей планете жизнь.

Большая часть информации об этой планете на сегодняшний день получена с помощью автоматической станции «Кассини», обследующей Сатурн и его луны на протяжении пяти лет. Кроме того, «Кассини» сыграл роль базового корабля для аппарата «Гюйгенс» Европейского космического агентства, который в 2005 году сел на поверхности Титана.

В результате экспедиции было обнаружено много новых невероятных вещей, например свидетельства существования на Титане ледяных (водных) и нашатырных «криовулканов». Судя по переданным «Кассини» фотографиям, эти вулканы выбрасывают нашатырь на поверхность планеты.

Неудивительно, что интерес к исследованию этой загадочной планеты не угасает и сегодня в рамках возрождённого в 2010 году проекта NIAC, который ныне представлял из себя часть Программы Космических Технологий NASA, ведётся разработка концепта подводной лодки для исследования морей Титана. Строго говоря, правильнее было бы назвать её на западный манер субмариной, потому как моря на Титане состоят отнюдь не из воды, а из углеводородов — преимущественно метана и этана.

Попробуем вместе пробежаться по истории вопроса и оценить реалистичность данного проекта исходя из сегодняшнего уровня технологий.

Назад в будущее


Поговорим о предшественниках данного концепта, в том числе и тех, которые никуда не полетели и, судя по всему, так и останутся нереализованными проектами. Это прямо будущее в прошедшем какое-то!

Ближе всех по техническим деталям стоит Titan Mare Explorer (TiME) — который должен был исследовать Море Лигеи или Море Кракена на предмет определения органических компонентов. Аппарат должен был спускаться на парашюте подобно тому, как это сделал «Гюйгенс» в 2005 году. Через несколько часов планирования в атмосфере он приводнится на жидкую поверхность. Аппарат планировался в виде плавучей платформы, основная миссия которой — поиск простейших форм жизни в течение от трех до шести месяцев, включая шесть часов атмосферного спуска.



Несмотря на то, что Проект TiME планировался как низкозатратная миссия с финансированием всего в 425 млн $, он проиграл конкуренцию у более удачливого соперника — программы InSight по изучению Марса. Однако на разработке концепта проекта было освоено от 5 до 10 млн долларов, и многие интересные решения, найденные в ходе этого процесса, могут быть использованы в других миссиях, самой реальной из которых на сегодняшний день является Titan Saturn System Mission (TSSM). Это совместный проект NASA и ESA для изучения Сатурна и его спутников: Титана и Энцелада. По расчету стоимости NASA проект обойдется уже в 2,5 млрд долларов. TSSM планируется запустить в 2020 году. Аппарат TSSM включает в себя один орбитальный и два спускаемых модуля: воздушный шар, который будет летать в небе Титана, и посадочный модуль, который должен приводниться на поверхность одного из метановых озёр. По прибытию к Сатурну в октябре 2029 года химический двигатель выведет аппарат на орбиту Сатурна. Двухлетний план работы у планеты должен происходить «по ситуации». Фаза будет включать в себя как минимум семь пролетов и сближений с Энцеладом и шестнадцать с Титаном. В течение этого периода будет повторен гравиманевр, который даст необходимую энергию, чтобы переместиться к орбите Титана. Как только аппарат завершит облет Энцелада, он начнет анализировать необычные криовулканические образования на его южном полюсе.



Воздушный шар будет спущен в атмосферу Титана во время первого облёта. Он будет находиться в воздушном пространстве спутника шесть земных месяцев: с апреля по октябрь 2030 года. Основываясь на данных с Кассини-Гюйгенса, шар будет плавать в небе Титана до окончания своего срока службы по 20-му градусу северной широты и в 10 километрах над поверхностью.

Загадки морей Титана


Ученым известно, что вдоль береговой линии на Титане лежит осадочный слой, оставленный испарившимися жидкими углеводородами; это указывает на резкие колебания уровня моря.

Изменения орбиты Титана приводят к тому, что жидкие компоненты его атмосферы каждые 30 тысяч лет перемещаются с одного полюса на другой. В настоящее время они сконцентрированы в полярных северных районах спутника.

На Титане главная задача состоит в том, чтобы получить информацию о таких аспектах, как: состав поверхности и географическое распределение различных органических элементов, выявление метанового цикла и бассейнов метана, активен ли сейчас криовулканизм и тектонизм, присутствует или отсутствует аммиак, изучение подповерхностного океана, магнитного поля и многого другого. Погружаемый аппарат мог бы заняться исследованием дна мелких морей Титана, которое, по предположению планетологов, представляет собой гигантский древний метеоритный кратер.



Ученые также высказывают догадки о наличии в океане Титана стратификации слоев — подобно тому, что наблюдается в Черном море, где под поверхностным слоем расположены слои более соленой воды с высоким содержанием сероводорода.
Таким образом, субмарина должна будет столкнуться с очень серьёзными проблемами, главными из которых является работа в условиях сверхнизких температур и весьма агрессивная в химическом плане среда.

Пентагон внесёт свой вклад?



Сегодня стало понятно, что многие задачи по исследованию морей Титана под силу только погружаемому роботу, поэтому космическая субмарина с высокой степенью вероятности может заменить плавучую платформу в ходе миссии TSSM, ну или дополнить её. При этом спуск на поверхность моря, видимо, будет осуществляться посредством парашюта — самым логичным способом для планеты, имеющей атмосферу.



Однако существуют и другие варианты, самым экзотическим из которых является предложение использовать для доставки аппарата к Титану уже существующий военный корабль многократного использования X-37B, который был создан по заказу Пентагона и недавно прошел серию испытаний.

Если б было море водки, я бы стал подводной лодкой!


Одной из самых серьёзных проблем, которую необходимо решить конструкторам субмарины — энергообеспечение. Со стороны обывателя ситуация, наверное, выглядит абсурдной — плавать в море углеводородов и искать при этом энергию! Однако для освобождения энергии из морей Титана требуется окислитель. На Земле в его роли выступает кислород, которого слишком мало на Титане, поэтому придётся отложить дизель-генераторы до лучших времён и искать другие решения.



Широко используемые в настоящее время для менее дальних полётов солнечные батареи, к сожалению, тоже не подойдут. Их нельзя будет использовать даже после всплытия на поверхность из-за туманной атмосферы спутника и большого расстояния до Солнца. Похоже, что нет на сегодняшний день альтернативы применению изотопного источника энергии. Обычно в качестве источника энергии в таких устройствах служит плутоний-238, который выделяет тепло в результате полураспада. И на этом пути существует серьёзная проблема — в США производство этого изотопа прекращено еще в 1980-е годы, и его запасы на сегодняшний день подходят к концу. Дело в том, что по большей части данный изотоп является побочным продуктом производства ядерного оружия, программа работы над которым в последнее время сильно сокращена.



Лабораторный прототип радиоизотопного генератора Стирлинга.

В рамках упоминаемого выше проекта TiME предполагалось использование новой энергосистемы под названием «радиоизотопный генератор Стирлинга», который обеспечивал наиболее эффективное извлечение энергии из плутония-238, однако его разработка была приостановлена вместе с данным проектом.

Земля, Земля, как слышно? Приёммм.


Пока разработчики не определили набор приборов, которые мог бы нести погружаемый аппарат. Но очевидными кандидатами являются сонар, видеокамера и система забора проб с грунта.

Связь с Землей важна для успеха этой экспедиции. Проект TiME предусматривал прямую передачу данных, так как северный полюс Титана в течение текущего десятилетия ориентирован в сторону Земли.



Но с приближением конца десятилетия Земля смещается все ниже и ниже к горизонту Титана, что затрудняет прямую связь. Поэтому подобный вид связи возможен будет теперь только в ходе экспедиции, которая планируется на 2040 год, когда наклон орбиты Титана снова станет благоприятным.

Однако возможен и другой вариант — высадка аппарата может осуществляться с орбитального блока, который останется на орбите вокруг Титана и будет транслировать на Землю сигналы с подлодки. Та же в свою очередь будет передавать информацию во время всплытия на поверхность. Такой вариант ведет к значительному удорожанию всего проекта, но с другой стороны отлично вписывается в программу TSSM.

Есть ли место для России?


По моему мнению, амбициозные межпланетные миссии уровня TSSM следует осуществлять в тесном сотрудничестве как можно большего количества стран. Сегодня в нём участвуют США и Европа. Соглашение об участии Роскосмоса в миссии обсуждается, но в связи с сегодняшним курсом страны на “особый путь” шансы на это убывают с каждым днём. Конечно, хочется верить в чудеса, ведь наша Энергетическая Сверхдержава неравнодушна к источникам углеводородов, насколько бы ни были они труднодоступны. Может, когда свершится победное освоение Арктики, наше правительство обратит взоры на космос, и запасы полония пойдут на топливо для космической программы, а не для усовершенствования специфических свойств отдельных сортов чая? А вдруг, случится чудо, и мне ещё придётся поучаствовать в разработке электроники для космической субмарины, ведь было же на этой неделе Северное Сияние в Московской области, в конце концов, за пару дней до Солнечного затмения, кстати!

P.S. Выражаю признательность пользователю zv347 за помощь в редактировании текста.
Tags:космонавтикатитанподводная лодка
Hubs: Popular science Energy and batteries Astronautics
+21
19.4k 25
Comments 28
Top of the last 24 hours