Промышленное освоение астероидов – будучи фантастикой, стало реальностью с запуском новых предприятий, таких как Planetary Resources и Deep Space Industries. Критики сомневались, что такие операции могут быть осуществимы, указывая на огромные расходы. Однако, большинство материалов, добываемых этими новыми компаниями предназначены для использования в космосе, избегая огромные затраты на топливо и неоднократных возвращений на Землю, спасаясь от гравитационного поля Земли. Кроме того, обслуживание спутников связи приносит доходы в $5-8 млн в месяц. Эти компании имеют огромную общественную поддержку и участие посредством коллективного финансирования, например, вместе с опытными командами бывших сотрудников NASA.
Адаптивное производство на базе 3D-принтеров начало возникать в 2010-е годы и впервые было использовано на Международной Космической Станции в 2013 году. Сейчас подобная усовершенствованная технология принята в космическом пространстве. Создаваемые компоненты собираются в ещё более сложной технике, которая включает в себя продвинутых роботов. Скорость, качество и стоимость 3D печати продолжает улучшаться.
Первоначально ограничиваясь околоземными астероидами, операции освоения астероидов будут расширены до главного пояса астероидов между Марсом и Юпитером. Эта область содержит в более миллиарда раз больше металла, чем существует на Земле, наряду с практически бесконечными запасами льда-воды, что значительно расширяет потенциал для коммерческой эксплуатации. Будут созданы новые частные компании, специализирующиеся в определенных технологиях, космических аппаратах и методах добычи.
Дальнейшее расширение промышленного освоения астероидов превратится в горнодобывающую огромную индустрию с роем автоматических зондов, участвующих в разведке и добыче во внутренней части Солнечной Системы. Редкие металлы теперь в изобилии, цена на них падает. Позднее в будущем, даже далёкие пояс Койпера и Облако Оорта будет эксплуатироваться человечеством по мере продвижения ко второму типу цивилизации по шкале Кардашёва.
В 2033 году НАСА проводит первую пилотируемую миссию к Фобосу, ближний и больший из двух естественных спутников Марса. Это последний полёт в серии новой амбициозной программы по расширению освоения человеком космоса. Предыдущие миссии в 2020-х годах запускали астронавтов на орбиту вокруг Луны для строительства космической станции на лунной орбите, используя «Систему космических запусков» (Space Launch System — SLS) и космического корабля Орион. На первой стадии этой миссии, спустя 60 лет после эры Аполлонов, перед посадкой на поверхность Фобоса предполагается выход на орбиту вокруг Марса.
В то время как среднее расстояние до Луны 384,000 км, путешествие на Марс почти в 600 раз дальше, за 225 млн. км, что представляет серьезный вызов с точки зрения технической и финансовой реализации. Однако, подлёт и высадка на Фобос перед Марсом — это менее дорогая и рискованная миссия, позволяющая НАСА продемонстрировать ключевые технологии для более сложных миссий в дальнейшем.
В околоземном пространстве используется многоцелевой пилотируемый корабль (Multi-Purpose Crew Vehicle — MPCV), способный перевозить до четырех астронавтов в течение 21 дня. Для путешествий на более отдаленные расстояния, такие как Марс, требующие долгих месяцев в пути — он состыкован к другим модулям, которые содержат все необходимые ресурсы. На спутнике, во время сбора образцов и выполнения различных научных экспериментов, астронавты в состоянии маневрировать в условиях низкой гравитации Фобоса при помощи реактивных ранцев и другого оборудования. Эта орбитальная миссия предшествует запланированным на 2039 и 2043 гг. высадкам на Марс.
Laser Interferometer Space Antenna (LISA) – гравитационно-волновая обсерватория, запущенная Европейским космическим агентством. Этот проект является третьим из трех больших миссий «Космического Видения» (Cosmic Vision) – программы фундаментальных космических исследований, которая включает в себя также запуск двух других космических аппаратов: для исследования ледяных лун Юпитера – Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE), запущенный в 2022 году и Передовой телескоп для астрофизики высоких энергий (ATHENA), развернутый в 2028 году.
LISA разработана для исследования с предельной точностью гравитационных волн – «отрывающихся» от источника гравитации и свободно распространяющихся в пространстве волн, приводящих к изменению (возмущению) гравитационного поля в окружающем пространстве (т. н. «рябь пространства-времени»). Ввиду относительной слабости (по сравнению с прочими) гравитационных сил, эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.
Проект LISA нацелен на исследование гравитационных волн посредством лазерной интерферометрии на астрономических расстояниях. Измерения будут проводиться при помощи трёх космических аппаратов, расположенных в вершинах правильного треугольника. Две стороны этого треугольника длиной 5 миллионов километров, проходящих по схожей с Земной гелиоцентрической орбите, будут образовывать плечи гигантского интерферометра. Когда гравитационная волна искажает структуру пространства-времени между двумя космическими аппаратами, появляется возможность измерить относительные изменения длины плеч интерферометра по сдвигу фазы лазерного луча, несмотря на малость этого эффекта. Лазерная интерферометрия используется, чтобы контролировать колебания относительных расстояний между ними, с разрешением всего в 20 пикометров (20 триллионных метра, что меньше, чем атом гелия).
Целью проекта является не только детектирование гравитационных волн, но и измерение их поляризации, а также направления на их источник. Таким образом, в конечном итоге цель проекта — построение карты неба с угловым разрешением порядка нескольких градусов путем исследования низкочастотного гравитационного излучения. В случае успешной работы эксперимента в течение нескольких лет, разрешение для источников высокочастотных гравитационных волн (с периодами менее 100 секунд) может быть улучшено до нескольких угловых минут.
Для устранения негравитационных сил, таких как давление света и солнечного ветра на пробных массах, каждый космический аппарат выполнен как спутник с нулевым сопротивлением, позволяющий эффективно «плыть» вокруг масс, начинённый специальными сенсорами для определения относительной позиции, с сверхточными двигателями, что позволяет всё время оставаться правильно ориентированным.
Результаты предыдущих поисков гравитационных волн в космосе были проведены в течение коротких периодов планетарных миссий с другими первичными целями (Например, Кассини-Гюйгенс), с помощью микроволновых доплеровских радаров, позволяющих измерить колебания расстояния между Землёй и кораблём. Но Миссия LISA использует лазерную интерферометрию для достижения гораздо более высокой чувствительности. Другие антенны работают на Земле, но их чувствительность на низких частотах сильно ограниченна из-за сейсмического шума, помехи от близлежащих движущихся масс.
Прохождение гравитационных волн поочередно сжимают и растягивают объекты на ничтожную величину. Эти волны вызваны энергетическими событиями во Вселенной, такими, как массовые слияния черных дыр в центре галактики, черные дыры, потребляющие небольшие компактные объекты, как нейтронные звезды и белые карлики; взрывы сверхновой звезды; остатки на очень ранней стадии Большого взрыва и, возможно, теоретические объекты, как космические струны.
Поскольку LISA является первой расположенной в космосе обсерваторией на основе детектора гравитационных волн, миссия добавляет совершенно новый смысл нашего восприятия Вселенной – её запуск позволяет астрономам «слышать» события так, как это невозможно было ранее и раскрывает многие важные явления, которые прежде были «невидимыми».
Dragonfly (англ. – «Стрекоза») – это четвёртая миссия в рамках программы NASA New Frontiers («Новые рубежи»), выбранная в качестве победителя в июне 2019 года. Космический аппарат, запущенный к Сатурну в 2026 году, приземлился на поверхности его спутника Титана в 2034 году.
Аппарат Dragonfly, весом около 450 килограммов, совершил посадку на парашюте в экваториальных дюнах «Шангри-Ла», которые по своей природе похожи на линейные дюны Намибии на юге Африки и предлагают места с разнообразием образцов породы. Специалисты NASA по планированию миссий многие годы анализировали более ранние данные космического корабля “Кассини” (Cassini), чтобы выбрать период спокойной погоды, а также безопасное первоначальное место посадки и интересные с научной точки зрения цели.
Dragonfly состоит из винтокрылого летательного аппарата, во многом похожего на большой квадрокоптер с двойными винтами – октокоптер. Такая конфигурация позволяет аппарату выдержать потерю по меньшей мере одного винта или мотора. Аппарат выполняет вертикальные взлёты и посадки (VTOL) и контролируемые полёты между объектами, подзаряжаясь от радиоизотопного термоэлектрического генератора (RTG). Он может двигаться со скоростью 36 км/ч или около 10 м/с и подниматься на высоту 4 км. Корабль предназначен для работы при температуре в среднем -179,2 °C.
Используя преимущества плотной атмосферы Титана и низкой гравитации (требующей в 38 раз меньше энергии, чем полёт на Земле), Dragonfly исследует разные области на поверхности спутника Сатурна, общая протяженность полётов составит 175 км за трёхлетний период. Аппарат соберёт и измерит составы органических материалов с поверхности для того, чтобы определить жизнепригодность окружающей среды Титана и изучить пребиотическую химию. Основная цель миссии – огромный кратер Селк, образовавшийся в результате удара, достаточно большого, чтобы в далёком прошлом расплавить водно-ледяную кору Титана и высвободить кислород.
В ночное время, которое длится на Титане 192 часа или восемь земных дней, аппарат работает на поверхности. Мероприятия в это время включают в себя сейсмологические исследования и метеорологический мониторинг, анализ проб и микроскопическое фотографирование местности с использованием светодиодной подсветки. Dragonfly связывается непосредственно с Землей – на расстоянии более миллиарда километров – используя антенну с высоким усилением, с задержкой передачи 79 минут. Помимо спектрометров, метеорологических датчиков и сейсмометра, научная полезная нагрузка включает в себя панорамные камеры высокого разрешения для съемки поверхности Титана и поиска потенциально интересных площадок для исследования.
Ко второй половине этого десятилетия правительственные и частные предприятия создали постоянное присутствие человека на Луне. Это знаменует собой важную веху в период ускоренного развития космоса, в котором наблюдались значительные технологические достижения и возросшая коммерциализация космических полетов.
С конца 2000-х годов НАСА начало сосредотачивать свое внимание на возвращении на Луну. Агентство инициировало разработку огромной новой ракеты, известной как Система космического запуска (SLS), крупнейшей со времен эпохи Аполлона, и космического корабля с экипажем под названием “Орион”. Тем временем другие национальные космические агентства раскрыли свои долгосрочные планы по исследованию Луны. Это произошло параллельно с значительным увеличением коммерческих разработок, таких как многоразовые ракеты Falcon и Starship SpaceX, а также Blue Origin и другие.
К концу 2020-х годов НАСА и другие агентства построили станцию на лунной орбите. Впоследствии они развернули ряд роботизированных платформ для удаленных операций на поверхности Луны. Первая база с экипажем на лунной поверхности создана в середине-конце 2030-х годов под руководством НАСА, но при участии Европейского космического агентства (ЕКА), Канадского космического агентства (CSA) и других, наряду с коммерческими компаниями.
3D-печать делает строительство намного дешевле и проще, благодаря новым инструментам, запасным частям и даже компонентам для целых зданий, изготовленных с использованием лунного реголита в качестве материала. Расположение этой базы – в южной полярной области – обеспечивает преимущества как (а) постоянно освещенных мест для почти непрерывной солнечной энергии, так и (б) близлежащего доступа к постоянно затененным кратерам, которые, как известно, содержат воду и другие летучие вещества. Первоначальная база постепенно расширяется в течение последующих десятилетий, включая новые модули и даже теплицы для производства продуктов питания.
Южный полюс Луны. Постоянно затенённые регионы изображены чёрным. Области с наивысшим средним освещением, выделены розовым, распределены в нескольких кластерах. Точка с наивысшим количеством постоянного света возле кратера Шеклтон показана стрелкой. Изображение: NASA/GSFC
Помимо западных космических агентств, Китай готовит собственную отдельную лунную базу в сотрудничестве с Роскосмосом. Его временная роботизированная станция вскоре будет модернизирована для более долгосрочных операций человека с 2036 по 2045 год.
Достижения в телескопии выявили множество новых тел в поясе Койпера, многие из них схожи с Плутоном по размерам. В то же время, появляется новое поколение солнечных парусных технологий. Космический аппарат с этим типом двигательной формы впервые был продемонстрирован в 2010 году. В настоящее время развёрнуто производство новых версий. Некоторые парусные мембраны расширяются до сотни метров, со значительно улучшенной тягой к массе – до 50 раз выше, чем в предыдущих проектах. Это открытие стало возможным благодаря нанотехнологиям и производству парусных панелей непосредственно в космосе.
Следуя по стопам автоматической межпланетной станции НАСА «Новые горизонты», в 2030х ряд зондов отправляются в пояс Койпера – место, которое до сих пор было в значительной степени неисследованным. Исследования с близких дистанций проводятся по ряду очень старых ледяных планетоидов этого отдалённого региона.
С улучшением телескопов и зондов большей дальности, человечество проникает всё дальше в глубины космоса. Астрономы составляют цельные, высоко детализированные, точные карты нашей Солнечной системы.
Самая долгожданная космическая миссия – пилотируемый полет на Марс с возвращением на Землю – наконец-таки осуществилась. Через шесть десятилетий после посадки Аполлона, технологии значительно улучшились, особенно в отношении к вычислительной технике и телекоммуникациям, чтобы доставить человека на Марс и вернуть его обратно на Землю.
Первым космическим аппартом, пролетевшим мимо Сатурна стал, отправленный в 1979 году, “Пионер-11”. Он подтвердил, что его крупный спутник Титан слишком холодный для поддержания жизни. Затем последовали “Вояджер-1” и “Вояджер-2”, в 1980 и 1981 годах, соответственно. “Кассини-Гюйгенс” был запущен в 1997 году, прибыв в 2004 году и отправив на Титан спускаемый аппарат, он передал первые фотографии поверхности спутника в 2005 году.
В последующие годы были предложены ряд концептуальных миссий с возвращаемыми зондами с орбиты Титана. Особый интерес вызывали углеводородные озера и океаны. Считается, что эти условия аналогичны тем, которые были на Земле во время её ранней истории. Большинство бюджета НАСА и целей в 2010-х уже были назначены на ближайшие два десятилетия, однако, Институт перспективных концепций НАСА (NASA Institute for Advanced Concepts, NIAC) обозначил цели на более длительный срок. Среди многих проектов был и запуск беспилотной «подводной лодки», предназначенной для изучения подповерхностной среды Титана. Это дало старт разработкам первоначальных технико-экономических обоснований и привело к дизайну подробных и практических прототипов.
Шли годы, возможности миссии были улучшены за счёт нового поколения робототехники – доступными технологиями, которые использовались в глубоководной добыче полезных ископаемых на Земле, наконец, их теперь могли применить и в космосе. Запуск был спланирован на начало 2040-х годов, чтобы подводная лодка прибыла в то время, когда на Титане лето – период максимального таяния льдов, что обеспечит простоту маневрирования. Судно будет доставлено к морю Кракена, крупнейшему углеводородному озеру Титана, глубиной приблизительно 300 м.
Особенности данного судна включают навигацию в реальном времени, системы предупреждения опасности, разведывательный набор датчиков и программное обеспечение, позволяющее автономно производить научные исследования. Земля получит потрясающее видео высокого качества и множество данных из этой странной чуждой среды, где температура падает ниже -179°C.
В результате многолетних разработок к энергетической системе теперь можно отнести и энергию, вырабатываемую из космической солнечной энергии. Эту идею пытались реализовать с 1970-х годов, но достижения в нанотехнологиях и достижения, касающиеся эффективности передачи, лишь недавно сделали её коммерчески и технически осуществимой.
Система предполагает запуск нескольких спутников на геосинхронную орбиту Земли. На начальном этапе он финансируется и осуществляется совместно правительственными организациями и частными корпорациями. Очень большие поверхности на каждой солнечной батарее спутника, изготовленные на основе нанотехнологий (как правило, размером от 1 до 3 км), захватывают энергию Солнца, которая затем передаётся на Землю с помощью микроволн или лазеров. Большие собирающие тарелки на земле принимают энергию и преобразуют ее в годное к употреблению электричество. Вот несколько плюсов такого подхода:
Большее количество захватываемой энергии: В космосе передача солнечной энергии не подвергается фильтрующему воздействию атмосферных газов. Вследствие этого, количество энергии, захваченной на орбите, составляет 144% от максимального количества, которое можно собрать на поверхности Земли.
Больше срок сбора энергии: высоко над Землёй орбитальные спутники подвергаются достаточно высокому уровню солнечного излучения 24 часа в сутки, тогда как наземные панели ограничены максимум 12 часами в день.
Независимость от погодных условий: орбитальные спутники находятся достаточно далеко от каких-либо атмосферных газов, облаков, ветра, дождя и других возможных погодных явлений.
Управляемая передача энергии: При необходимости спутники могут направлять энергию в различные места на поверхности Земли, установленные в зависимости от географически обусловленных потребностей в базовой или пиковой мощности нагрузки.
Также орбитальная солнечная энергия приносит пользу климату, поскольку при этом подходе отсутствуют выбросы газов, вызывающих парниковый эффект (хотя энергия, передаваемая на Землю, в конечном счёте, переходит в тепло). Эти проекты, однако, изначально были очень дорогостоящими ввиду агрессивности космической среды. Необходимо высокопрочное экранирование панелей для того, чтобы защитить их от космического мусора, поскольку огромные размеры делают их очень уязвимыми для летящего в него космического мусора. Некоторые из наиболее высокотехнологичных панелей содержат композитный материал на основе нанотехнологий, который может самовосстанавливаться. Ухудшение качества поверхности солнечных панелей делает их практически невыгодными, но дальнейшее развитие технологий позволит решить эту проблему.
Несмотря на далекое от совершенства начало, космическая солнечная энергия станет очень успешной отраслью промышленности в конце 21-го и в 22-м веке. На орбитах вокруг Луны и Марса начнут появляться спутники, оказывая значительную поддержку пилотируемым базам. Космическая энергия продолжит распространяться по всей Земле на протяжении почти двух столетий до тех пор, пока практически весь солнечный свет, падающий на планету, не начнёт использоваться и в некотором роде «собираться».
Несмотря на то, что порой Уран различим невооружённым глазом, более ранние наблюдатели принимали его за звезду из-за его тусклости и медленной орбиты. С появлением больших телескопов и новых методов наблюдения, Уран стал первой планетой, обнаруженной в Новое время в 1781 году. Уильям Гершель первоначально полагал, что обнаружил комету или звездный диск, но его более поздние исследования показали истинную природу и местоположение Урана в нашей Солнечной системе. Названная в честь греческого бога неба Урана, он делает одно вращение вокруг Солнца за 84 года (по сравнению с 11,9 у Юпитера и 29,5 у Сатурна), на расстоянии в среднем 20 а.е. (3 млрд. км). Это значительно отдалённее более крупных братьев, с гораздо более низкой температурой и большей концентрации «ледяных» летучих веществ, таких как вода, аммиак и метан. На самом деле, поздние измерения нижних слоёв атмосферы Урана показали температуру в 49К (-224°C), как одно из самых холодных мест в Солнечной системе. Ещё одной примечательной особенностью является ось вращения под углом 97,86°, «лёжа на боку слегка вниз головой», у планеты экватор там, где у большинства других планет будет Северный и Южный полюса.
Гершель открыл и первые два спутника – Титанию и Оберон в 1787 году. Позднее в 1851 году Уильямом Ласселом были обнаружены ещё два – Ариэль и Умбриэль, а в 1948 году Джерардом Койпером – Миранда. Эти пять спутников имеют планетарные массы, то есть они могли бы быть рассмотрены в качестве карликовых планет, если бы вращались по прямой орбите вокруг Солнца. Остальные спутники были открыты после 1985 года. Все эти спутники были названы в честь персонажей из произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. Кольца вокруг планеты были обнаружены в 1977 году; не такие обширные как вокруг Сатурна, но и не такие простые как системы вокруг Юпитера и Нептуна.
До конца 20-го века исследования Урана проходили лишь с помощью телескопов. Это поменялось лишь в 1986 году, когда космический аппарат НАСА «Вояджер-2» сделал самый близкий подход и прошел в 81,500 км от вершин облаков. При помощи бортовой оптики удалось обнаружить ещё 10 спутников, 2 кольца, тем самым увеличив общее число известных колец до 11. На пяти крупнейших спутниках удалось увидеть, что их поверхности покрыты метеоритными кратерами и каньонами. У программы «Вояджера-2» был только облёт Урана, так что, в отличие от орбитальной станции, времени на Уран было отведено относительно мало.
Размер Урана в сравнении с Землёй
Десятилетия проходили без дальнейшего изучения ледяного гиганта – внимание переключилось на Юпитер («Галилео» и «Джуно»), Сатурн («Кассини–Гюйгенс») и Плутон («Новые горизонты»). Проводимые исследования с помощью телескопов открыли ещё больше новых спутников, доведя их общее число до 27. В НАСА и ЕКА обсуждались несколько концепций миссии на Уран в конце 2000-х и начале 2010-х годов, включая совместное сотрудничество между двумя организациями. Однако, они имели более низкий приоритет по сравнению с Марсом и Юпитером.
К концу 2010-х годов, после успеха этих и различных других миссий по всей Солнечной системе, нужны были новые цели для исследований, и Уран стал рассматриваться как более перспективный кандидат. Астрономы обнаружили, что более всего распространены экзопланеты по массе схожие с Ураном и Нептуном, нежели газовые гиганты, как Юпитер и Сатурн. Определение основного состава и внутренней структуры этих ледяных гигантов позволит восполнить существенный пробел в знаниях о том, как формируются другие звёздные системы. С близкого расстояния исследование также позволило бы увидеть больше особенностей у необычайно динамичных ледяных лун, колец, странных магнитных полей; а также, возможно, обнаружить новые спутники. Кроме того, в течение нескольких десятилетий после посещения «Вояджером-2», Уран достаточно сместился по своей орбите и его экватор теперь больше повёрнут к свету. Это делает его атмосферу менее слабой и невыразительной, чем раньше, можно рассмотреть огромные бури и вихри.
В своих целях на 2013-2022 годы, НАСА включило возвращение к Урану или Нептуну в качестве одной из своих долгосрочных целей. Урану отдаётся предпочтение в связи с более удобной планетарной ориентации. В июне 2017 года НАСА опубликовала работу – “Ice Giants: Pre-Decadal Survey Mission Study Report” – как предшественник к следующему десятилетнему исследованию (2023–2032). В этом всеобъемлющем 529-страничном докладе более подробно описываются параметры, доступные для миссии к Урану и Нептуну; большинство концепций предлагают десантирование зондов в ледяную атмосферу гигантов, отделяемых от основного корабля, оставшегося на орбите в течение двух-трех лет. Из-за снижения солнечного света во внешней Солнечной системе, должны использоваться источники ядерной энергии вместо солнечных батарей. Научные станции с полезной нагрузкой до 150 кг должны включать в себя набор камер, магнитометров, спектрометров и приборов допплерометрии для обнаружения «сейсмических волн» вокруг каменного ядра и слоёв ледяной мантии.
Для Урана оптимальное стартовое окно находится между 2030 и 2034 годами, время в пути займёт около 12 лет. Однако, развитие новых и более мощных ракет, таких как «Система космических запусков» (Space Launch System – SLS) НАСА, предоставит возможность выиграть четыре года на полёт. Таким образом, появился график миссии между 2038 и 2046 гг. Использование SLS потребует особой технологии «скольжения» по внешней атмосфере планеты, чтобы не промахнуться мимо цели и вовремя затормозить.
Несмотря на назначенную на 2030 год дату запуска, НАСА испытывала ряд ставших обычными задержек и бюджетных проблем, как и постигших многие её предыдущие миссии. Следовательно, миссия на Уран была отодвинута ближе к концу стартового окна. Однако, SLS была опробована в других дальних космических путешествиях и теперь была использована для более быстрого транзита через всю Солнечную систему, компенсируя вышеупомянутые задержки.
К 2042 году миссия на Уране идёт полным ходом, раскрывая множество научных тайн о его атмосфере, строении, кольцах и спутниках. Планета фотографируется по всей площади с беспрецедентной детализацией; получены изображения десятков спутников с потрясающим разрешением, в то время как обнаруживаются и различные новые спутники.
