Зонд mars express нашел на красной планете лед

Причины научного интереса

Марс относится к земной группе планет Солнечной системы (помимо него и Земли в нее входят также Венера и Меркурий). Среди этой группы Марс наиболее схож с Землей. В его атмосфере, пусть и в малом количестве, содержится кислород. Присутствует вода — в полярных шапках в виде льда (слишком низкое атмосферное давление не позволяет существовать воде на поверхности в жидком виде). На этой планете, как и на Земле, есть вулканы. На Марсе наблюдаются извилистые долины и углубления, похожие на русла рек. Такие образования могут быть связаны с водной и ледниковой эрозией и свидетельствовать о том, что несколько миллиардов лет назад эта планета имела более плотную атмосферу и гидросферу. При этом, в отличие от Венеры с ее очень плотной и ядовитой атмосферой, Марс является более перспективным небесным телом для поиска следов жизни и возможной колонизации в будущем.

Отправка на Марс космических аппаратов сопряжена с трудностями: расстояние между Землей и Марсом колеблется от 55 млн км (когда обе планеты находятся по одну сторону от Солнца) до 400 млн км (когда Солнце находится между ними). Наиболее удобное время для запуска наступает во время сближения планет. Такие периоды происходят примерно раз в два года и длятся около трех месяцев. В предыдущий раз планеты сближались весной 2016 года (расстояние между ними составило 75,3 млн км). По состоянию на 5 мая между планетами 120 млн км.

Изучение Марса с помощью телескопов

Вид Марса в телескоп. Credit: espogor.ru

Первые письменные сведения об этом небесном теле оставили еще древние египтяне за 1,5 тыс. лет до н. э. Знали о нем и вавилоняне, и древние греки с римлянами.

В Средние века свой вклад в изучение внесли европейские астрономы:

  • Н. Коперник предложил, что Марс — одна из планет, вращающихся вокруг Солнца;
  • И. Кеплер доказал, что это небесное тело движется по эллиптической орбите;
  • Г. Галилей увидел марсианские вулканы;
  • Дж. Д. Кассини обнаружил на южном полюсе ледяной покров;
  • Х. Гюйгенс нашел такие же залежи льда на северном полюсе и первым составил карту поверхности Марса;
  • Дж. Скиапарелли придумал существующую до сих пор систему обозначения элементов местного рельефа — «море», «низина», «область» и др.

Максимум телескопических наблюдений пришелся на конец XIX — начало XX в. В это время Марс изучали П. Ловелл, Э. Барнард, Э. М. Антониади и другие ученые.

Легкий материал

Солнечные паруса делают из сверхтонкого материала с высокой отражающей способностью. Когда фотон солнца попадает на зеркальную поверхность, он отскакивает от паруса и передает свой импульс космическому аппарату — точно так же бильярдный шар передает свой импульс, когда сталкивается с другим шаром на столе.

Идея солнечного паруса существует с 1924 года, когда легенда советского ракетостроения Константин Циолковский и Фридрик Цандер задумали космический аппарат, «использующий огромные зеркала из очень тонких листов» и «давление солнечного света для достижения космических скоростей». Спустя сорок лет писатель фантаст Артур Кларк популяризовал эту идею в своем романе «Солнечный ветер».

NASA начало инвестировать в технологии солнечного паруса в конце 90-х. В 2010 году агентство успешно запустило небольшой парусный спутник на орбиту Земли, где тот оставался 240 дней, пока не вошел в атмосферу и не сгорел.

В том же году Японское космическое агентство продемонстрировало возможность применения солнечных парусов для межпланетных путешествий. Испытательный аппарат прицепили к борту венерианского зонда «Акацуки». Аппарат с солнечным парусом под названием IKAROS был раскрыт в космосе зондом, когда тот находился в 7 миллионах километров от Земли. Спустя шесть месяцев IKAROS успешно пролетел мимо Венеры.

Все дело в том, что проект солнечного паруса является своего рода заложником второго закона движения Ньютона: сила равна массе, умноженной на ускорение. Сила солнечного света постоянна, поэтому для достижения высокого ускорения вам потребуется низкая масса.

Джонсон приводит в пример CubeSat — миниатюрные спутники-кубики, построенные из «готовых к употреблению» технологий. NEA Scout будет CubeSat размером с обувную коробку, которую будет толкать солнечный парус площадью 86 кв. м.

Несмотря на свои скромные размеры, зонд упакован достаточным количеством инструментов для проведения обширного исследования астероида 1991 VG, фотографируя и измеряя химический состав, размер и движение объекта.

NASA видит в такой разведке важный первый шаг к будущим пилотируемым миссиям к астероидам. Если астронавт соберется исследовать поверхность космического камня, NASA хочет быть в уверенности, что тот вращается медленным и предсказуемым образом, а не вертится волчком в различных направлениях. Аналогичным образом, космическое агентство хочет знать заранее, твердый ли астероид или же представлен грудой камней, удерживаемых силой тяжести.

Марс

Марс — четвертая от Солнца планета Солнечной системы, вращается по вытянутой (эллиптической) орбите. Свое название она получила в честь древнеримского бога войны. Часто Марс именуют Красной планетой из-за оттенка поверхности, вызванного высоким содержанием оксида железа.

Среднее расстояние Марса от Солнца составляет 227,9 млн км, период обращения вокруг него — 687 суток (вдвое больше земного). Средний радиус планеты — 3 тыс. 389,5 км (в 1,88 раз меньше земного — 6 тыс. 371 км), масса — 0,108 от земной. Сила притяжения на Марсе почти в три раза слабее земной. Период вращения вокруг своей оси равен примерно 24,5 земных суток. На Марсе, как и на Земле, происходит смена дня и ночи, а также сезонов.

Марсианская атмосфера разряженная и в основном состоит из углекислого газа (порядка 95,3%), в малых количествах присутствуют азот (2,7%), аргон (1,6%) и кислород (0,13%). Температура на поверхности планеты колеблется от -153 (зимой) до +20 (летом) градусов Цельсия. Характерны резкие перепады температуры в течение суток: днем +20, ночью -90 градусов.

У Марса два естественных спутника: Фобос и Деймос.

Mars Climate Orbiter и Mars Polar Lander (США)

23 сентября 1999 г. при выходе на орбиту Марса перед запланированным включением двигателей на торможение прервалась связь с американской автоматической станцией Mars Climate Orbiter (MCO). Запуск MCO состоялся 11 декабря 1998 г. с космодрома на мысе Канаверал ракетой-носителем Delta II. Автоматическая станция была первой миссией программы Mars Surveyor-98; предназначалась для проведения исследований с орбиты планеты и ретрансляции данных, полученных с зондов Deep Space 2 второй миссии этой программы — Mars Polar Lander (запущена 3 декабря 1999 г.).

Специалисты NASA сделали вывод, что из-за неверно рассчитанной траектории MCO прошел слишком близко от поверхности планеты (на высоте 57 км вместо 226 км) и разрушился в марсианской атмосфере. В результате так и не удалось получить данные с успешно доставленных на Марс зондов Mars Polar Lander. Причиной неудачи Mars Surveyor-98 было использование специалистами разных систем единиц измерения: так, компания Lockheed Martin при изготовлении блока управления космических аппаратов пользовалась английской системой, а NASA производило расчет в метрической. Практика применения одновременно разных систем мер использовалась NASA с 1990 г.

В 2007 г. американское аэрокосмическое ведомство объявило о полном переходе на метрическую систему.

Описание аппарата Mars Express

Вес аппарата составлял 1123 кг, из них113 кг приходилось на научное оборудование, 65 кг составлял вес спускаемого аппарата с АМС «Бигль-2», вес топлива составил 430 кг.

Размеры аппарата 1,5 на 1,8 на 1,4 метра, при раскрытых солнечных батареях — 12 метров.

Солнечные батареи имеют площадь 11,42 м², при этом проектная мощность составляет 660 Вт, но  в реальности, из-за ошибки монтажа, выдают 460 Вт.

Спутник оснащен тремя литий-ионными аккумуляторами ёмкостью 64,8 А*час

Стоимость программы составила примерно 300 миллионов евро.

Спутник оснащен камерой, позволяющей приводить съемку марсианской поверхности с разрешением 10 метров на пиксель.

На борту «Mars Express» установлены спектрометр OMEGA (Observatoire pour la Mineralogie, l` Eau, les Glaces ot l`Activite) с разрешением 100 метров, его назначение – проведение геологических исследований в видимом и инфракрасном диапазоне.

Спутник оснащен радаром MARSIS, назначение которого — зондирование ионосферы и глубинных слоёв поверхности планеты.

Так же аппарат оснащен ультрафиолетовым и инфракрасным спектрометрами (для изучения атмосферы), а также другим научным оборудованием.

АМС Бигль-2 была оснащена буровым механизмом и приборами для нахождения следов активности (в прошлом или настоящем) микроорганизмов.

Научные результаты

Исследования, проведенные с помощью приборов, созданных в кооперации российскими и западноевропейскими учёными, помогли получить важные научные данные, часть которых лишь готовится к научной публикации. В их числе была установлена с высокой точностью структура марсианской атмосферы от поверхности планеты до высоты примерно 100 — 150 км и её температурный профиль до высоты 50 — 55 км. Впервые прошло одновременное измерение содержания и построение карт, показывающих распределение водяное пара и озона в марсианской атмосфере. Открыто явление ночного свечения моноксида азота, существующее на Венере, но не наблюдавшееся ранее на красной планете. Интересным фактом стало обнаружение мельчайших аэрозольных частиц, заполняющих атмосферу до высот примерно 70 — 100 км.

Впервые водяной лёд в южной полярной шапке Марса был найден в конце местного лета. Согласно картам, построенным на основе данных прибора OMEGA с разрешением от 1 до 3 км, стало понятно, что районы с водяным льдом располагаются по краям более обширных участков замёрзшей углекислоты. Толщина таких зон не превышает нескольких метров, а под ними  скрываются залежи водяного льда, по мощности, может быть, эквивалентные северной полярной шапке, которая полностью состоит из водяного льда с незначительной (менее 1 процента) примесью пыли.

Прибор OMEGA также занимался минералогическим картированием значительной части Марса, и, несмотря на существенное разнообразие найденных минералов, карбонаты (соли угольной кислоты) найдены не были. Карбонаты в больших количествах встречаются на Земле и именно в их отложениях, а не в живой материи, нефти или каменном угле содержится большая часть углерода на Земле. Таким образом, «Mars Express» не подтвердил нахождение на Марсе запасов СО2 , необходимых для серьезных изменений в массе его атмосферы, и, соответственно, изменения климата.

Спутник обнаружил в атмосфере планеты метан, что, возможно, служит доказательством  наличия жизни на Марсе (ведь метан быстро распадается в атмосфере, а значит, его запасы поддерживаются жизнедеятельностью микроорганизмов, либо геологической активностью). Было установлено и его содержание  — примерно 10±5 частей на миллиард. Казалось бы, это немного, но так как из-за явления фотодиссоциации метан постоянно разрушается, для поддержания его в таком количестве в атмосфере на красной планете должен быть источник,  производящий около 300 тонн метана в год. В этой роли может выступить тектоническая деятельность, хотя и считается, что Марс в настоящее время не проявляет тектонической активности. Однако приток метана в атмосферу может вызываться точечной тектонической активностью: остаточными проявлениями вулканизма или геотермальной активностью.

Снимки, сделанные спутником, помогли ученым смоделировать трёхмерные модели марсианской поверхности.

Аппаратом были обнаружены плотные облака из частиц сухого льда, отбрасывающие тень на поверхность Марса и даже влияющие на его климат.

Движение света

Во время своей миссии NEA Scout осуществит как минимум один медленный подлет на близкое расстояние — его скорость упадет до 10 метров в секунду, а аппарат пройдет в полукилометре от поверхности астероида. Это указывает на другое преимущество солнечных парусов: они очень маневренные, иногда даже превосходят традиционные методы движения.

Ключ к управлению парусом — будь то Атлантический океан или космос — лежит в создании асимметричной тяги. Есть много разных способов ее создать, используя небесные эквиваленты мачт и такелажа. IKAROS обладает электрооптическим покрытием, которое темнеет при подаче напряжения, поглощая свет, а не отражая его. Можно таким образом «настроить» часть паруса так, чтобы она получала в два раза меньше солнца, чем другая, и развернуть аппарат.

NEA Scout будет использовать другой подход, используя скользящий механизм, который движет CubeSat вперед и назад относительно рам, на которых развернут парус.

Гибкость космического аппарата с солнечным парусом — в сочетании с постоянной тягой, благодаря неисчерпаемому запасу топлива — открывает путь нескольким интересным возможностям.

Другое потенциальное применение, уже поближе к дому, это «сидящий на полюсе» спутник. Сейчас, если вы хотите зафиксировать спутник в определенном положении относительно места на Земле — а это было бы очень кстати для технологий связи — вы можете только отправить его на геостационарную орбиту, строго над экватором, на высоту 35 786 километров над Землей.

Но с парусом «вы можете находиться над Северным или Южным полюсом Земли и вращаться вокруг Солнца с такой же скорость, с какой Земля вращается вокруг Солнца, — говорит Джонсон. — Чтобы побороть гравитацию Земли, достаточно направить парус так, чтобы он толкал вас вверх все время. Таким образом, вы зависнете неподвижно над Северным или Южным полюсом».

Дальнейшие планы в изучении планеты

Разговоры о полете на Марс возобновились в 2004 г. — в NASA анонсировали новую программу, основными целями которой были полет на Луну в 2020 г., оборудование на ней космической базы и старт с нее в направлении Красной планеты в 2037 г. Сегодня от реализации миссии отказались в виду ее высокой стоимости и недоказанной эффективности.

В 2020 г. Марс подойдет на минимально возможное расстояние к Земле, этим хотят воспользоваться участники сразу нескольких марсианских программ:

  • на поверхность планеты будет доставлен марсоход в рамках российско-европейской программы «ExoMars»;
  • Индия доставит на марсианскую орбиту второй зонд;
  • Китай готовит к отправке марсоход и орбитальную исследовательскую станцию;
  • США и ОАЭ планируют запуск корабля «Mars Hope».

В 2022 г. запустить миссию по доставке на Землю грунта с Деймоса и Фобоса планирует Япония. В 2024 г. аналогичную программу анонсировала Россия.

Но самые далеко идущие планы — полет на Марс человека. Такую возможность рассматривают Роскосмос, NASA и Европейское космическое агентство ЕКА. Первые 2 организации хотят сделать это в 2030 г., а последняя — на 3 года позже.

Миссии к Марсу

Первым попытку запуска к Марсу предпринял в 1960 году Советский Союз. В рамках программы «Марсник» (от «Марс» и «Спутник») планировалось исследовать планету двумя зондами во время ее облета. Запуск аппаратов «Марс 1969А» и «Марс 1969Б» был проведен с Байконура 10 и 14 октября 1960 года. Однако оба были потеряны из-за аварий ракеты-носителя «Молния».

Первым аппаратом, пролетевшим рядом с планетой, стала советская автоматическая межпланетная станция «Марс-1» (запущена в 1962 году). По расчетам, 19 июня 1963 года она прошла на расстоянии 193 тыс. км от планеты. Однако миссия потерпела неудачу, так как связь с АМС прервалась еще до подлета к Красной планете.

Впервые фотографии марсианской поверхности были получены в 1965 году с американского зонда Mariner 4 (1964). 15 июля, облетая Марс, он подошел к планете на расстояние 9 тыс. 846 км.

Первым искусственным спутником Марса стал американский Mariner 9 (1971). Космический аппарат добрался до планеты 14 ноября 1971 года и почти год проводил исследования с ее орбиты. Mariner 9 впервые с близкого расстояния сфотографировал спутники Марса.

Первым аппаратом, достигшим поверхности планеты, стал 27 ноября 1971 года посадочный модуль советской АМС «Марс-2» (1971). На Марс планировалось спустить самоходный аппарат, который назывался «Прибор оценки проходимости — Марс» (ПрОП-М). Однако марсоход, на борту которого находился вымпел с изображением герба СССР, разбился при посадке.

Впервые мягкую посадку 2 декабря 1971 года удалось осуществить советскому «Марсу-3» (1971), который был идентичен предыдущему аппарату. Однако и второй советский марсоход был потерян, связь с ним прервалась спустя 14,5 сек. после начала работы из-за пылевой бури.

Первыми аппаратами, предназначенными для исследования одного из спутников Марса, были советские «Фобос-1» и «Фобос-2» — запущены 7 и 12 июля 1988 года соответственно. В проекте участвовали также ученые ряда европейских стран. С первым аппаратом была потеряна связь на пути к Марсу, второму удалось передать 37 изображений Фобоса.

Первую успешную миссию марсохода удалось осуществить США. Sojourner (1996) был спущен на поверхность Марса 4 июля 1997 года. Он проработал около трех месяцев и преодолел расстояние почти 100 м, передал 550 фотографий и проанализировал 15 химических проб с поверхности. Всего на Марсе работали четыре марсохода — все американские. В 2010 году завершил свою миссию Spirit. До сих пор функционируют Opportunity (с января 2004 года) и Curiosity (с августа 2012 года).

В настоящее время с орбиты планеты ведут исследования шесть земных космических аппаратов. Среди них три американских: Mars Odyssey (с октября 2001 года), Mars Reconnaissance Orbiter (MRO; с марта 2006 года), MAVEN (с сентября 2014 года). А также европейский Mars Express (с декабря 2003 года) и индийский «Мангальян-1» (с сентября 2014 года). В 2018 году к ним присоединился орбитальный модуль TGO российско-европейской миссии ExoMars-2016, который после завершения серии сложных маневров занял в начале апреля свою рабочую орбиту.

Всего за всю историю освоения космического пространства к 5 мая 2018 года с Земли к Марсу было отправлено 44 миссии автоматических космических аппаратов разных стран. Из них 16 миссий — успешные, семь — частично успешные, 21 миссия потерпела неудачу. По 20 миссий на счету США (15 успешных и пять неудачных) и СССР/России (шесть частично успешных, включая совместный с Европейским космическим агентством, ЕКА, проект ExoMars-2016, и 14 неудачных). У ЕКА — две частично успешных миссии, в том числе ExoMars-2016 (совместно с Россией). По одной миссии у Индии (успешная), Китая (неудачная) и Японии (неудачная).

Следующая остановка: Альфа Центавра

За пределами NASA у Леса Джонсона есть и другая работа: он пишет фантастику. На самом деле, он благодарен роману «Сучок в глазу Бога» 1974 года за пробуждение интереса к солнечным парусам.

Неудивительно, что он грезит о далеком будущем. Он хочет, чтобы солнечный парус отправился в другую солнечную систему.

Разумеется, остаются технические трудности, которые придется решить. Во-первых, парус должен быть размером с Техас. И орбитальный лазер должен будет вырабатывать энергию, объем которой можно сравнить с той, что вырабатывает весь мир сегодня. Звучит, конечно, так себе, но за сто лет многое можно сделать.

Первое космическое судно, созданное людьми и отправленное в другую систему, может прибыть туда как его океанические предки во время эпохи Великих географических открытий: под развернутыми парусами, идущее по звездам.

Положительная энергия

Фотоны — которые мы видим как солнечный свет — не единственное топливо для космического аппарата, вырабатываемое Солнцем. Ученые NASA недавно получили дополнительные средства на исследование передовой концепции сверхбыстрого паруса, подгоняемого заряженными частицами в солнечном ветре.

Называется он электрический парус, e-sail. Эту идею впервые предложил Пекка Янхунен, научный сотрудник Финского метеорологического института. Он представил аппарат, окруженный 20 тончайшими проводами длиной в 20 километров каждый.

Эти провода генерируют положительно заряженное электрическое поле, растянувшееся на десятки метров в космос. Протоны солнечного ветра, путешествующие со скоростью выше 750 километров в секунду, отталкиваются этим электрическим полем, в ответ выталкивая космический аппарат. Отрицательно заряженные частицы солнечного ветра гасятся своего рода «электронной пушкой», так что электрический парус поддерживает положительно заряженное электрическое поле.

Электропарус будет иметь много топлива. Если солнечный свет, толкающий солнечный парус, значительно ослабевает, когда космический аппарат достигает пояса астероидов, солнечный ветер по-прежнему дует сильно. Со временем электропарус можно разогнать до 100-150 км/с.

Это означает, что космические зонды могут достичь Юпитера всего за два года или Плутона за пять. Электропарус может обеспечить совершенно новые возможности для освоения космоса, позволить нам осуществить экспресс-путешествие за пределы Солнечной системы, в межзвездное пространство.

«Вояджеру-1» потребовалось 35 лет, чтобы достичь границы Солнечной системы. Солнечный парус осуществил бы такое турне за 20 лет, а электропарус — за 10.

На самом деле, Вигманн считает, что прототип можно запустить всего за пять лет. Но придется решить пару важных вопросов. Хотя электропарусу не нужно топливо, ему нужен мощный источник энергии для электронной пушки, которая отбивает электроны. Как много энергии? Зависит от количества электронов, которое собирает электропарус. Специалисты NASA изучают этот вопрос с помощью заряженного провода в плазменной камере, имитирующей солнечный ветер.

Еще одна проблема заключается в предотвращении изгибов тонких длинных проводов по мере воздействия на них солнечного ветра. Решение: вращать аппарат со скоростью, которая будет обеспечивать достаточно центробежной силы, чтобы провода оставались натянутыми.

Дальнейшие планы

На 2020 год, когда будет очередное сближение нашей планеты с Марсом, запланировано несколько миссий разных стран:

  • начнется второй этап российско-европейского проекта ExoMars, предусматривающий доставку на поверхность планеты спускаемого модуля с посадочной платформой и автономным марсоходом Pasteur;
  • США собираются запустить пятый планетоход — Mars 2020 Rover;
  • Индия намеревается отправить к Красной планете второй зонд «Мангальян-2»;
  • Китай планирует осуществить миссию, включающую исследование Марса с помощью орбитального аппарата и марсохода;
  • Объединенные Арабские Эмираты (ОАЭ) совместно с США готовятся отправить к планете свой первый аппарат Mars Hope.

В 2022 году может состояться запуск японской автоматической станции с целью доставки грунта со спутников Марса — Фобоса и Деймоса (в рамках проекта Phobos/Dеimos Sample Rеturn). В 2024 году Россия собирается повторить попытку по забору образцов вещества с Фобоса (проект «Бумеранг»/»Экспедиция-М»), предыдущая подобная миссия («Фобос-Грунт») потерпела неудачу в 2011 году.

Кроме того, в планы входит осуществление полета человека на Марс. Пилотируемые марсианские миссии рассматривается космическими ведомствами России (может быть осуществлен не ранее 2030 года) и США (к 2030 году), а также ЕКА (до 2033 года). В феврале 2017 года власти ОАЭ объявили о проекте строительства первого мини-города на Красной планете — «Марс 2117» — в сотрудничестве с ведущими международными организациями и научно-исследовательскими институтами. Существуют также частные инициативы по пилотируемым миссиям на Красную планету.

Ссылка на основную публикацию