Размышления на тему колонизации солнечной системы

Автор собрал воедино разрозненную информацию по колонизации соседних планет и спутников. Осталось дело за малым - начать действовать :)

В первую очередь необходимо определить куда можно лететь человеку, и где можно разворачивать колонию. Схема нашей системы, простая, но понятная (по спутникам не очень точно)

Итого в нашей системе имеем:
- 8 планет (+ Плутон);
- 15 крупных спутников (не считая Луны и считая Харон);
- Церера в поясе астероидов.

Малые спутники колонизировать особого смысла нет. На них будет очень слабая гравитация, что очень не удобно для человека. Например, с Деймоса, спутника Марса, можно буквально «выпрыгнуть» на орбиту, а если разбежаться, то можно достичь второй космической (5.6 м/с).

Крупные спутники планет:
- Юпитер - Ио, Европа, Ганимед, Каллисто;
- Сатурн - Титан, Рея, Япет, Диона, Тефия;
- Уран - Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон;
- Нептун - Тритон;
- Плутон - Харон (хоть теперь Плутон не полноценная планета).

Из 17 потенциальных целей для высадки не все одинаково полезны для человека, даже в скафандре.

Напомню, основные проблемы для человека - это высокая температура, большая радиация и ускорение свободного падения больше 1.5 g. С остальным в скафандре / жилом модуле жить можно.

Краткая справка по условиям на планетах и спутниках:
- Меркурий: можно высадится на полюса х для «галочки», создавать постоянную базу нет смысла, там очень жарко и радиоактивно;
- Венера: на высоте 50 км самые комфортные условия после Земли, в облаках можно ходить в акваланге с гидрокостюмом, соответсвенно можно создать летающую базу в научных целях по типу дирижабль, которую будет мотать ветром по планете.
- Луна: первый кандидат для постоянной базы.
- Марс: второй кандидат для постоянной базы.
- Церера: условия почти как на Луне, можно добывать ракетное топливо, колонизировать можно;
- Юпитер: на химии взлететь не возможно, уйти с орбиты можно только на ионниках, сесть нельзя, но радиация убьёт быстрее, лететь не надо.
- Каллисто: условия почти как на Луне, только воды как на земле, можно добывать ракетное топливо, колонизировать можно.
- Ио, Ганимед, Европа: радиация, лететь не надо.
- Сатурн: уход с орбиты на грани возможностей химических двигателей, сесть нельзя, лететь не надо.
- Титан: ракетного топлива (метан) там, в буквальном смысле, океан (это прям мечта Газпрома), ходить можно в подогреваемых легких негерметичных скафандрах, колонизировать можно.
- Япет, Рея, Тефия, Диона: лёд, радиация и ничего интересного, лететь не надо.
- Уран: сесть нельзя, а атмосфера очень холодная и лёгкая (на дирижабле не полететь) и радиация.
- Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон: лед, холод, предпочтительнее Оберон, там меньше радиация, лететь долго, высадится можно для «галочки».
- Нептун: сесть нельзя, в атмосфера очень холодная и лёгкая (на дирижабле не полететь) и радиация.
- Тритон: будет тяжело сесть, на поверхности замёрзший азот ( будет испарятся от двигателей), очень холодно, лететь долго, можно высадится для «галочки».
- Плутон и Харон: на спутник проще сесть, на Плутоне на поверхности замёрзший азот, лететь долго, можно высадится для «галочки».

Для наглядности орбиты в масштабе. Как видно, до Сатурна почти в 10 раз дальше от солнца, чем Земля, а Уран уже в 2 раза дальше Сатурна.

Итого получаем следующие точки для создания баз (разовые высадки не учитываем) с указанными соответсвенно минимальным запасом характеристической скорости (с НОО на НОО) - запасом скорости для взлета с поверхности на НОО в- среднего удаления от Земли в млн км - минимального (в оптимальное окно запуска) временем полёта от Земли по гиперболической траектории (без учета разгона):
1. Луна - 3.94 км/с - 1.73 км/с - 0.385 млн км - часы;
2. Венера (в облака) - 6.79 км/с - 9.0 км/с - 150 млн км - 40 дней;
3. Марс - 5.71 км/с - 3.8 км/с - 225 млн км - 70 дней;
4. Церера - 8.67 км/с (из них 3.12 на изменение наклона орбиты) - 0.36 км/с - 415 млн км - около 400 дней;
5. Каллисто - 12.41 км/с - 1.76 км/с - 777 млн км- 405 дней;
6. Титан - 11.43 км/с - 7.6 км/с - 1425 млн км - 560 дней.

Для справки: старт на НОО с Земли требует 9.4 км/с (с учётом атмосферы).

На Венере, Марсе, Титане можно тормозить об атмосферу - таким образом запас скорости на посадку нужен менее 1 км/с.

В ближайшей перспективе (на земле все дано реализовано, осталось это вывести в космос) технология освоения следующая:
- для взлетов/посадок с планет использование кораблей типа «Starship» на химической тяге (запас по характеристической скорости около 9 км/с при полной заправке позволяет произвести посадку и взлёт на все точки колонизации);
- для межпланетных перелетов используются ядерные буксиры типа «Нуклон» с разгоном выше гиперболических скоростей (запас по характеристической скорости от 50 км/с).

Таким образом для колонизации необходимы следующие минимальные запасы (как минимум для первых кораблей пока не будет обеспечена дозаправка местным топливом):
- 5 км/с на химические двигатели для посадки/взлёта (для редких полетов на Венеру 10 км/с), а это топлива в 1.3 раза больше чем масса самого корабля).
- 12.5 км/с для ядерных буксиров (если мы хотим лететь на Титан 6.5 лет, на Марс около 300 дней) либо больше 25 км/с (чтобы долететь до Титана быстрее, чем за 3 года, а до Марса, быстрее 150 дней).

Для тех, кто ещё не видел - время полёта по эллиптическим траекториям (минимальный запас скорости) и минимальной гиперболической (разгон от земли до 16.65 км/с).

Использование гравитационных манёвров при массовой колонизации исключено - никто не будет ждать пару лет окно запуска, если надо доставить через полгода необходимый груз для поддержания жизни колонистов.

Получаем, что даже до Титана лететь уже под 3 года, при существующих сегодня технологиях. Очень далеко, но жить там человеку достаточно удобно (про это в части 2 будет).

Вывод этой части:
- Не там много мест в солнечной системе, которые можно колонизировать.
- Дальше Сатурна что-то осваивать смысла нет вообще, по крайней мере пока не достигнем запаса по характеристической скорости на 2 порядка.
- Современные технологии, связка ядерного буксира многоразовых кораблей с химическими двигателями, позволяют летать к другим планетам

Заметка про то, что ждёт космонавтов в потенциальных местах для создания колоний.

Изображение проекта Starship при торможении в атмосфере Марса.

Перед началом надо заметить, что данный пост (как и первая часть) не говорит, о том, что уже завтра летим колонизировать Титан, Марс. Колонизация, в полном ее понимании (не разовые высадки), в ближайшие лет 30, не грозит даже Луне. Это будет долгий и опасный процесс по длительности ближе к сотне лет. На вопрос «Зачем надо лететь к другим планетам?» очевидного ответа нет. Но я надеюсь, что человечество выберет путь запуска ракет на другие планеты, а не друг по другу.

Самое главное для колоний - это условия обитания вне жилых модулей.

Начнём с самых удобных для человека. А это Венера и Титан.

Венера

Для высот 45 - 55 км, в среднем примерно + 15 С. В атмосфере углекислый газ и немного азота 3.5%, давление близко к земному, (можно выбирать, что комфортнее температура или давление - поднимаемся выше, там холоднее и разряженее, ниже, наоборот). Тяготение 0.9 g - кислородный баллон очень быстро начнёт оттягивать спину. В облаках серная кислота, но концентрация довольно большая. Можно ходить в ОЗК, с баллоном кислорода. В принципе, акваланг с полным гидрокостюмом (из подходящего материала) вполне подойдёт. Вокруг облака, земли не видно. Если вывалиться из аэростата, то не долетев до земли, примерно одновременно, сварит в атмосфере и раздавит давлением. Радиация приемлема.

Подходящая форма одежды для длительного пребывания в облаках Венеры - это акваланг.

Если надо быстро перебежать от одного- конца дирижабля до другого - можно в повседневной одежде, надо просто задержать дыхание (опять же глаза лучше закрыть), если вдохнёте - отравитесь серной кислотой.

Серная кислота на Венере космонавтов не окислит - если судить, что концентрация кислоты 80%, а доля водяного пара на «жилых высотах» 1% (0.1 г/кг) , получаем 1 г кислоты на м3. (тут приблизительный расчёт), это в 5 раз выше смертельной дозы. Но в пластиковом костюме - не страшно.

Условия подтверждены аппаратами, совершившими посадку (либо попытку) на поверхность:
- Венера 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 11, 12, 13, 14;
- Вега 1, 2;
- Пионер-Венера 1, 2.

Титан

Очень холодно, температура почти постоянна и равна - 179 С. На Земле люди периодически выдерживают - 70 С. Давление 1.5 атмосферы - будет не заметно даже. Тяготение 0.14 g - можно на себе таскать очень много кислорода и оборудования. Атмосфера - почти полностью азот и 1.6% метана + немного, но ядовитых примесей. Вдыхать даже подогретый местный «воздух» не стоит - можно хорошо травануться, а вдох холодного гарантировано убьёт. Много рек и озёр/морей жидкого этана, метана, пропана (вообщем мечта Газпрома). Из этих газов собственно состоят облака, идут дожди. Радиация приемлемая.

Подходящая форма одежды - очень тёплый непродуваемый (почти герметичный) комбинезон, с принудительным наддувом (система может состоять из насоса, тепловой спирали, батареи и нагнетая забортный воздух предотвратит поступление холодного воздуха из вне) подогретым атмосферным азотом и кислородная маска с баллоном.

В метановых озёрах купаться и мыть руки не следует.

Температура - 180С не такая страшная. В обычной зимней куртке, защитив глаза и задержав дыхание, можно кратковременно (минута) прогулялся по поверхности.
Теплопередача прямо пропорциональна разнице температур, соответсвенно, так как на Земле и на Титана в воздухе в основном азот, то человек будет мерзнуть всего в 3.5 раза быстрее. Можно вспомнить, что много людей пользуются криосаунами.

Условия подтверждены зондом «Гюйгенс», совершившим посадку на поверхность.

Теперь там, где условия похуже.

Для Луны/Цереры/Каллисто/Марса форма одежды одна - гермоскафандр.

Марс

Температура в среднем -63 С. Атмосфера считай отсутсвует, для человека разницы между ней и вакуумом нет. Радиация приемлема. Тяготение - 0.38 g. Пейзаж думаю всем известен.

Условия подтвердили как минимум 4-ре Марсохода и аппаратами Викинг 1, 2.

Луна

Температура от -173 до 117 С с резким перепадом, атмосферы нет, тяготение 0.17 g, вокруг пустыня, под ногами почти песок, на полюсах попадаются куски льда.
Большой плюс - уже частично освоена астронавтами. Радиация приемлема.

Условия пребывания подтверждены астронавтами.

Церера

Температура в среднем -106 С. Атмосферы нет. Тяготение - 0.028 g. Прыгать можно очень высоко (метров на 30), но ходить из-за этого будет тяжело. Под ногами глина с небольшой примесью льда. Радиация высока.

Посадок на поверхность не было, только пролеты.

Каллисто

Температура в среднем -139 С
Атмосферы нет. Тяготение - 0.126 g. Под ногами - на половину лёд и металлическая руда. Радиация высокая

Посадок на поверхность не было, только пролеты.

Пояснение:
- под радиацией приемлема понимаю, что можно гулять по поверхности в своё удовольствие, но со счетчиком Гейгера и пока он не покажет предел.
- под высокой радиацией понимаю, что выходить на поверхность лишний раз не стоит. Но если надо, то ладно.

Теперь про то, где жить.

У Венеры свой путь

Фотография дирижабля из интернета.

Создание наземной базы там исключено. Обитать там можно только а облаках. Так как сход с орбиты дирижабля жесткой конструкции в плотные слои атмосферы представляется маловозможным, то остаётся схема развёртывания относительно небольших мягких аэростатов из отсека космического корабля уже в атмосфере, после торможения.

Аэростаты из СССР в атмосфере Венеры уже успешно летали.

Для всего остального это подземные или хорошо присыпанные землей модули.

Строения должны быть похоже, как минимум, на данный проект ЕКА.

Лучше, но сложнее, углубляться под поверхность.

Такая концепция решает сразу несколько проблем:
- защита от радиации;
- сохранение тепла либо предотвращение нагрева;
- защита от микрометеоритов, если нет атмосферы.

Все проекты надземных городов на Марсе и Луне обречены на провал - жить там можно, но не постоянно. Придётся слишком часто менять персонал из за получения предельных доз облучения.

Абсолютно все модули должны быть герметичными, так как снаружи либо вакуум, либо недружелюбная атмосфера.

Основная проблема внеземных колоний - получение энергии. Пока есть электричество - есть тепло, воздух, вода, возможность работы оборудования и оборудования для починки оборудования. Как только электричество пропадает - начинается обратный отсчёт.
Солнечные панели дальше Марса не эффективны. Соответсвенно на все колонии надо будет везти реакторы.

Но это уже тема инфраструктуры колоний. Об этом в следующей части (через пару постов).

PS.
Веста, Энцелад (похожие на них планеты и астероиды) не попали в список по причине малых размеров и, как следствие, низкой гравитации (0.01 g для Энцелада).

Следующий пост скорее всего будет про космическую радиацию.

Источник