Освоение человечеством космоса неизбежно (данное утверждение становится особенно актуальным в свете новостей о развитии частного космического бизнеса). Однако, в отличие от всех других «географических открытий», происходивших в земных условиях, покорение космоса будет самым трудным. Космос – это самая чуждая (и враждебная) среда, с которой когда-либо сталкивался человек. Враждебна невесомость, враждебен вакуум, представляет большую опасность космическое излучение. Планетарные поселения могут встретиться со своими проблемами. Например, широко обсуждается проблема космической пыли, существующей на Луне и Марсе.     Все эти вопросы требуют тщательного изучения. Уже накоплен большой материал, собранный в программах пилотируемых полетов. Есть определенная информация, собранная планетоходами. Однако в будущем необходимы дополнительные, более специализированные, программы по изучению планет, где предполагаются космические поселения.Отдельного упоминания заслуживает защита технических средств космических аппаратов (в первую очередь, электроники). От ее успешного функционирования зависит жизнь людей, и поэтому в этом направлении также проводятся значительные исследования.

Защита космонавтов от солнечных вспышек. (27 октября 2005)
Представьте следующую ситуацию: космонавт идет по Луне. Внезапно происходит солнечная вспышка.
    Треск радио: «Исследователь 1. Это центр контроля миссии».
    Космонавт: «В чем дело?»
    Центр: «Произошла солнечная вспышка, довольно сильная. Вам необходимо укрытие. Буря излучения начнется примерно через 10 минут».
    Космонавт: «На мне сейчас только легкий костюм. Будут указания?»
    Центр: «Да, защитите ваши бока»
    Защита боков может быть ключевым моментом в выживании при солнечных вспышках. Другими чувствительными областями являются плечи, позвоночник, бедра, грудина и череп. Суть такого странного списка заключается в том, что кости этих областей содержат костный мозг, который производит клетки крови. Клетки костного мозга особенно чувствительны к излучению; большая доза протонов Солнца, прошедших через тело, может их полностью разрушить. А без производства новых клеток крови человек может погибнуть через неделю. Таким образом, чтобы выжить при вспышках, космонавт в первую очередь должен защищать свой костный мозг.
    Планы NASA предусматривают высадку человека на Луну в 2018 году, и потому задача выживания при солнечных вспышках становится актуальной. Вне защитного магнитного поля Земли и в отсутствии атмосферы космонавт, передвигающийся по Луне, испытывает воздействие вспышек в полной мере.
    Наилучшим решением является укрытие. Но если оно находится далеко, то скафандр, который имеет дополнительную защиту в нужных областях (плечи, спина и т.д.), станет основой выживания. «Создание скафандра с полной защитой может оказаться не практичным, - говорит Франк Куцинотта (Frank Cucinotta), ведущий разработчик NASA, - так как он окажется слишком громоздким». Космонавт должен быть в состоянии ходить, прыгать, наклоняться, работать с объектами и инструментами. Слишком большая защита сделает такие движения невозможными. Это означает идею выборочной защиты.
    В частности, слой полиэтилена толщиной всего в 1 см может предотвратить лучевую болезнь. Куцинотта говорит: «Этого будет достаточно для защиты костного мозга. Разумеется, останутся другие проблемы, такие как рак или катаракта. Ни один скафандр не может остановить все космические протоны. Но если выживет костный мозг, то выживет и космонавт».
    В настоящее время данная разработка находится на уровне идеи. Куцинотта отмечает, что обсуждалось множество стратегий для защиты космонавтов. Идея выборочной защиты получила одобрение.
Риски для марсианских экспедиций. (29 октября 2005)
    Новый доклад NASA сообщает о возможных рисках при освоении Марса и о том, как их избежать.
    Согласно закону Мерфи, все, что может идти неправильно, обязательно будет идти неправильно. В частности, этот закон применим и к процедуре освоения Марса. Будут ли готовы космонавты к таким ситуациям? Что необходимо знать об этой планете, прежде чем посылать туда людей? Исследованием этих вопросов занимается Аналитическая группа по программе освоения Марса (Mars Exploration Program Analysis Group, MEPAG), которая представила 2 июня 2005 года развернутый доклад относительно возможных рисков.
    В докладе содержится таблица, описывающая 20 ситуаций, «каждая из которых может привести к прекращению миссии», - говорит Девид Бити (David Beaty), руководитель научной части марсианской программы и главный автор доклада.
    Главные среди описанных рисков:
    Марсианская пыль – вызываемые ей коррозия и влияние на электронные схемы, например, компьютерные платы;
    Возможная «биоугроза» - организмы, опасные либо для космонавтов, либо для земных организмов после возвращения экспедиции;
    Движения марсианской атмосферы, включая пылевые бури, которые могут влиять на взлет и посадку кораблей;
    Отсутствие воды и поиск ее источников, что будет особенно важно, если космонавты будут оставаться на поверхности более одного месяца.
    После установления основных угроз MEPAG проанализировала вопрос о том, что необходимо будет изучить в первую очередь с помощью роботизированных миссий? Насколько полученная в них информация снизит риски?
    Однозначным итогом доклада MEPAG было то, что «марсианская пыль является самым главным источником опасности, - говорит Джим Гарвин (Jim Garvin), ведущий сотрудник Goddard Space Flight Center. – Нам необходимо учитывать ее влияние при проектировании силовых систем, скафандров и систем фильтрации. Нужно понять, как жить с ней». По этой причине первостепенную важность имеет миссия по сбору и доставке на Землю образцов марсианской почвы и пыли.
    «Многие ученые полагают, что невозможно оценить биоугрозу без наличия образца почвы», - отмечает Бити. Кроме того, доставленная проба грунта могла бы разрешить вопросы о том, насколько твердой или насколько токсичной может быть марсианская почва. Хотя и было доказано, что лунная пыль являлась основной проблемой для астронавтов миссии Apollo, «лунная и марсианская пыль отличаются друг от друга», замечает Гарвин. Ученым и инженерам просто нужно поработать с реальным образцом марсианской пыли. При этом значимость даже одного килограмма грунта трудно недооценить.
    Доклад MEPAG также говорит о большой значимости измерений в марсианской атмосфере с помощью парашютов и баллонов. «Мы сможем наблюдать скорости ветра на разных высотах, что будет важно для процессов приземления или запуска кораблей на необходимую орбиту», - говорит Бити.
    Наконец, в докладе отмечается необходимость роботизированных экспедиций, которые смогут обнаружить воду, либо в виде льда, либо в виде водных минералов. В настоящее время обсуждаются два вида пилотируемой экспедиции на Марс – короткая, длиной около месяца, и длинная, примерно на полтора года. Если короткая экспедиция еще может взять всю необходимую воду с собой, то для длинной нужно будет наладить процесс получения свежей воды и кислорода на месте.
Опасности, связанные с лунной пылью. (11 ноября 2005)
    Ученые и инженеры решают, как доставить космонавтов на Луну, создать там поселения и с помощью полезных ископаемых, добытых из лунного грунта, создать все необходимые вещи – от строительных материалов до ракетного топлива. Единственной серьезной проблемой для всех этих планов является вездесущая лунная пыль. Она попадает везде, набивается в герметичные уплотнители и обдирает поверхность скафандров. Также легко она накапливает электрический заряд, поэтому может парить над поверхностью Луны и прилипать к лицевым панелям скафандров и линзам камер. Возможно, она даже токсична.
    Для решения этих проблем Лари Тейлор (Larry Taylor), профессор Университета шт. Теннеси предлагает переплавлять пыль во что-нибудь полезное. «Я являюсь одним из тех странных людей, которым нравится помещать вещи в обычную микроволновую печь, чтобы посмотреть, что из этого получится», - говорит он. Аналогичным образом он однажды поместил маленький образец лунного грунта, привезенный астронавтами программы Apollo, в печь и обнаружил, что он сплавился за 30 секунд при мощности всего 250 ватт.
    Лунная почва – реголит – образуется, когда микрометеориты врезаются в камни и песок при скоростях в десятки километров в секунду, расплавляя их в стекло. Оно содержит нанометровые вкрапления чистого железа. Именно они эффективно концентрируют энергию микроволновых лучей, превращая все остальное рыхлое вещество в цельные куски.
    Проведенный в микроволновой печи эксперимент позволил Тейлору предложить образец лунных машин, которые будут переплавлять лунную пыль в полезные материалы. «Вообразите тележку, которую тянет планетоход, и на которой смонтировано несколько магнетронов. – описывает он (см. рис.). – Подобрав подходящую мощность и частоту излучения, космонавт может ехать, одновременно плавя лунный грунт. Сперва будет создан сплошной камень на глубину до полуметра, а затем на его поверхности будет создана стеклянная дорога толщиной один-два дюйма». Аналогичным образом предлагается создавать и радиотелескопы. При этом машины будут плавить стенки подходящего лунного кратера.
    Однако технические трудности пока остаются. Плавление лунной пыли в микроволновой печи на Земле не совсем похоже на тот же самый процесс в условиях Луны. Исследователи должны будут проработать все детали процесса, чтобы создать прочный, однородно расплавленный материал. Между тем, идея является многообещающей: таким способом можно изготавливать стартовые площадки для ракет, дороги, кирпичи для строительства и многое другое.
Работа компьютеров в условиях космоса. (20 ноября 2005)
    Когда ваш компьютер работает с ошибками, теряет данные или полностью «зависает», это не может не расстраивать. Однако для космонавтов, полагающихся на компьютеры систем навигации и жизнеобеспечения, подобные ошибки могут стать фатальными.
    Но, к сожалению, именно существующее космическое излучение и вызывает подобные сбои. Когда частицы высоких энергий сталкиваются с элементами микроэлектронных схем, они могут привести к возникновению ошибок. Последние же могут вызвать то, что космический корабль направится не туда или что система жизнеобеспечения будет нарушена. По этой причине большинство космических миссий используют компьютерные чипы, устойчивые к радиации (так называемые «rad-hard» chips). Во многом они отличаются от традиционных чипов. Например, они содержат избыточное количество транзисторов.
    Космическое агентство NASA широко использует такие чипы для космических программ. Однако такие специализированные микросхемы имеют и определенные недостатки: они дороги, потребляют много энергии и медленны – примерно в 10 раз медленнее, чем эквивалентные процессоры в современных настольных ПК. Между тем, для запланированных пилотируемых миссий на Луну и Марс их разработчики хотели бы иметь намного большие вычислительные мощности.
    Размещение более мощных компьютеров на борту космических аппаратов позволило бы решить еще одну проблему: низкую скорость передачи сигналов на Землю. Довольно часто она не превышает скорости передачи старых dial-up модемов. В то же время, если бы все объемы данных, собранных космическим аппаратом, обрабатывались «на месте», а на Землю передавались только результаты вычислений, существующей скорости передачи было бы достаточно.
    Наконец, на поверхности Луны или Марса, мощные компьютеры пригодились бы исследователям для обработки данных сразу после их получения. При этом можно было бы быстро определять территории, представляющие высокий научный интерес. Планетоходы также выиграли бы от высокой производительности современных процессоров.
    Для удовлетворения таких потребностей можно было бы использовать современные процессоры (например, Pentium), но при этом необходимо решить проблему сбоев, возникающих при облучении. Для этого в NASA разрабатывается проект, называемый «Устойчивые вычисления, адаптивные к окружающей обстановке» (Environmentally Adaptive Fault-Tolerant Computing, EAFTC). При этом исследователи экспериментируют со стандартными процессорами. Особый интерес у них вызывают так называемые «одиночные сбои», наиболее распространенный тип ошибок, который возникает, когда в микросхему попадает только одна частица.
    Рафаэль Сам (Raphael Some), член исследовательской группы, объясняет идею проекта: «Для использования таких процессоров просто необходимо утроить их количество. Все три процессора выполняют одинаковые вычисления, а затем сверяют результаты. В том случае, если в работе одного из них из-за излучения возникла ошибка, корректные результаты двух оставшихся будут согласованы, а потому - приняты».
    Такая методика действительно работает, однако постоянное ее использование мало оправданно – из-за больших затрат электроэнергии и вычислительной мощности на тройную проверку малозначимых результатов. «Чтобы сделать эту систему «умнее» и эффективнее, мы разработали программное обеспечение, которое анализирует значимость проводимых вычислений. – продолжает Сам. – Например, для навигации крайне важно использование всех трех процессоров, тогда как для химического анализа образцов будет достаточно одного или двух из них».
    Описанная методика является лишь одной из многих, разработанных в рамках EAFTC и собранных в единый пакет. Итогом является более высокая эффективность: без программы EAFTC компьютер на основе стандартных процессоров требует 100-200% избыточности, чтобы избегать ошибок, вызываемых излучением (под 100%-ной избыточностью понимается использование двух процессоров, под 200%-ной - трех). В то же время, с программой EAFTC необходима всего 15-20%-ная избыточность при той же степени защиты. Соответственно, все сэкономленное процессорное время может быть использовано для других целей.
    «EAFTC не подразумевает полного отказа от rad-hard чипов. – предупреждает Сам. – Некоторые задания, такие как жизнеобеспечение, столь важны, что здесь нельзя обойтись без них». Но, разумеется, системы EAFTC могут дополнять их, выполняя некоторую часть всех вычислений.
    Первые тесты системы EAFTC пройдут на спутнике Space Technology 8 (ST-8). Запущенный в 2009 году, он пролетит через радиационные пояса Ван Аллена, где существует высокий уровень радиации, аналогичный глубокому космосу.
Лунные пылевые бури. (16 декабря 2005)
    Каждое лунное утро, когда Солнце впервые освещает ее поверхность после двухнедельной ночи, начинается странная буря. В следующий раз, когда вы будете смотреть на Луну, отметьте линию терминатора (линию, разделяющую лунный день и ночь). Именно здесь и происходит пылевая буря, простирающаяся от южного до северного полюса, следующая за линией терминатора.
    Хотя большинство и не слышало об этом, ученые крайне уверены, что подобные бури – реальность. Доказательства были получены из старого эксперимента, выполненного в ходе программы Apollo, LEAM (Lunar Ejecta and Meteorites, Лунные выбросы и метеориты). «Астронавты Apollo 17 установили оборудование LEAM на Луне в 1972 году. – поясняет Тимоти Стаббс (Timothy Stubbs) из Отделения изучения Солнечной системы NASA. – Оно было нацелено на регистрацию пыли, выбитую маленькими метеоритами при ударах о поверхность Луны».
    Миллиарды лет назад метеориты бомбардировали Луну практически непрерывно, разрушая горные породы. Именно по этой причине там так пыльно. В настоящее время удары тоже продолжаются, хотя и значительно реже.
    Ученые времен программ Apollo хотели знать, как много пыли выбивается ежедневными соударениями, а также каковы ее свойства. LEAM ответила на эти вопросы, используя три сенсора, регистрирующие скорость, энергию и направление движения частиц.
    Однако эти данные 30-летней давности оказались столь интригующими, что были заново изучены несколькими независимыми группами NASA и университетских ученых. Гари Олхоефт (Gary Olhoeft), профессор геофизики в Школе руд в Колорадо, говорит: «К всеобщему удивлению, каждое лунное утро LEAM регистрировал большое количество частиц, передвигающихся с востока на запад, и, как правило, со скоростями меньшими, чем ожидались при лунных выбросах. Причина может быть в том, что дневная сторона заряжена положительно, а ночная – отрицательно. Поэтому под действием горизонтального электрического поля частицы переносятся через линию терминатора».
    Еще более удивительным было то, что уже через несколько часов после лунного восхода солнца температура оборудования взлетала так высоко, что его приходилось отключать из-за перегрева. Это может быть объяснено тем, что электрически заряженная пыль прилипала к приборам, приводя к поглощению, а не отражению света, предполагает Олхоефт.
    Однако точных объяснений никто не имеет. LEAM действовала очень короткое время: 620 ночных часов и всего 150 дневных.
    Возможно, что астронавты также наблюдали лунные бури. Так, при полетах вокруг Луны, экипажи Apollo 8, 10, 12, и 17 отмечали «сумеречные лучи», где солнечный свет частично проходил через пыль, висящую над поверхностью. Такое происходило во время каждого лунного восхода и заката. Космический аппарат Surveyor также фотографировал сумеречные отблески горизонта, во многом похожие на то, что видели астронавты. Может, возможно наблюдать пылевые бури и с Земли.
    Понимание процессов, происходящих на Луне, крайне важно. К 2018 NASA планирует высадку людей на ее поверхность. В отличие от астронавтов Apollo, никогда не присутствовавших при лунном восходе Солнца, новые исследователи должны будут основать постоянное поселение. Стена пыли, возникающая утром, может быть прозрачной, невидимой и безвредной. Или, наоборот, она может представлять серьезную проблему. Для решения этой задачи необходимы дальнейшие исследования.

---

Открытия миссии Cluster. (24 декабря 2005)     Миссия Cluster Европейского космического агентства обнаружила новый механизм возникновения «электронов-убийц» - электронов с высокими энергиями, которые повреждают спутники и представляют большую опасность для здоровья космонавтов.     В течение последних пяти лет серия открытий в рамках программы Cluster, состоящей из нескольких космических аппаратов (см. рис.), значительно расширила наши понимание о том, как, где и при каких условиях образуются эти электроны в магнитосфере Земли.     Более ранние измерения на спутниках обнаружили существование двух устойчивых колец энергичных частиц вокруг нашей планеты. Обычно называемые «радиационные пояса Ван Аллена» (Van Allen radiation belts, см. на рис.), они содержат частицы, захваченные магнитным полем Земли. Наблюдения показали, что внутренний пояс содержит довольно стабильную популяцию протонов, тогда как внешний состоит из электронов, количество которых может меняться. Некоторые из электронов внешнего пояса могут ускоряться до высоких энергий, и тем самым, становиться исследуемыми «электронами-убийцами», проникающими через толстые защитные слои и повреждающие чувствительную электронику спутников. Также они представляют угрозу и для людей.     В течение долгого времени ученые пытались понять, почему количество заряженных частиц в поясах меняется так сильно. Основной прорыв здесь произошел тогда, когда две солнечные вспышки произошли последовательно, в октябре и ноябре 2003 года. Во время вспышек, часть пояса Ван Аллена потеряла свои электроны и затем сформировалась гораздо ближе к Земле, в той области, которая традиционно считалась относительно безопасной для спутников.     При такой перестройки сработала так называемая «радиальная диффузия», вызывающая ускорения частиц. В данной теории силовые линии магнитного поля Земли рассматриваются как эластичные нити, которые могут колебаться при внешнем воздействии. Если колебание происходит с той же частотой, с какой частицы дрейфуют вокруг Земли, тогда они движутся поперек магнитного поля и потому ускоряются. Всем процессом управляет солнечная активность.     Группа европейских и американских ученых под руководством Ричарда Хорна (Richard Horne) использовала данные миссии Cluster и с наземных приемников в Антарктике, чтобы показать, что описанные колебания - волны сверхнизкой частоты - действительно вызывают ускорение частиц. Такие волны, названные «хором», являются электромагнитным излучением в слышимом диапазоне. Они состоят из отдельных элементов короткой длительности (короче одной секунды) и звучат как хор птиц на рассвете.     Оказалось, что количество электронов с высокой энергией действительно возрастает в тысячи раз при прохождении пика магнитной бури и в последующие несколько дней. Кроме того, интенсивная солнечная активность сдвигает внешний пояс ближе к Земле, подвергая спутники более жесткому воздействию, чем они рассчитаны.     До этого открытия некоторые ученые сомневались в том, что такие волны достаточно сильны для перестройки внешнего радиационного пояса. Теперь, благодаря исследованиям миссии Cluster, было показано, что при определенных геофизических условиях такое возможно. Также, благодаря возможности вести одновременное измерение во многих точках пространства, впервые были оценены характерные размеры области источника волн: несколько сотен километров в направлении, перпендикулярном магнитному полю Земли, и несколько тысяч километров – в параллельном направлении.     Из-за того, что число космических технологий и средств коммуникации постоянно растет, проведенные исследования имеют большую важность.