Неизбежность, незаменимость и туманные перспективы пилотируемой космонавтики

В течение минувшего лета и даже немного ранее мы с моим замечательным собеседником и старшим товарищем Виктором Викторовичем Доценко (заведующий кафедрой органической химии в КубГУ) немало переписывались о пилотируемой космонавтике, вернее, о её стагнации. Именно благодаря этим беседам и изящным недоспойлерам Виктора я прочитал и осмыслил роман Питера Уоттса «Ложная слепота». Недавно уважаемый @SLY_G, с которым мы также не раз затрагивали эту тему, опубликовал на Хабре перевод «Как учёные снижают пагубное влияние космических полётов на организм человека». Поэтому давайте попробуем рассмотреть эту проблему в более широком контексте. Действительно, будучи голой обезьяной, человек с эволюционной точки зрения совершенно не приспособлен к обитанию в космическом пространстве и, вероятно, на абсолютном большинстве экзопланет.

В настоящее время, примерно после миссии «Новые горизонты», укоренилось мнение, что будущее определённо за роботизированными экспедициями, а пилотируемая космонавтика оказывается чрезмерно дорогостоящей, непредсказуемой и опасной. Долговременное пребывание людей на МКС и станции «Мир» показало, что два основных патологических фактора, влияющих на экипаж в космосе — это невесомость и радиация. В упомянутой над катом статье «Как учёные снижают пагубное влияние космических полётов на организм человека» указано, что космонавты испытывают двоякое пагубное воздействие: гравитационное и радиационное. Повышенное облучение в космосе — давно известная проблема. В частности, о ней многократно рассказывал знаменитый космонавт и доктор физико-математических наук Георгий Михайлович Гречко, который совершил три космических полёта и суммарно провёл на орбите почти 135 суток.

Неприспособленность организма к длительной невесомости — проблема более тонкая и неочевидная. Тем не менее, без ярко выраженной гравитации у человека не только атрофируются мышцы, и развивается остеопороз, но и деградируют сердечные клапаны, а также «всплывает» головной мозг: серое вещество сильнее обычного прижимается к верхней части черепа, из-за чего возможны нарушения сознания и восприятия.    

Ещё в середине XX века следующие этапы пилотируемой космонавтики воспринимались именно как изыскательская и геолого-географическая работа на поверхности Луны, Марса и астероидов, а не как строительство всё более автономных станций в открытом космосе. К началу XXI века, когда наблюдалась постепенная деградация программы «Шаттлов» вместе с постоянными отсрочками новых пилотируемых экспедиций на Луну, укрепилось мнение, будто беспилотные роботизированные миссии не только гораздо дешевле, но и эффективнее пилотируемых. На первый взгляд, так и есть, в особенности потому что не приходится выводить в космос запасы воздуха, скафандры и другие средства жизнеобеспечения для космонавтов. Исследование Марса при помощи роверов — также большая и успешная история, показавшая, что живучесть марсоходов оказалась гораздо выше расчётной. Более того, простое сравнение процессоров, установленных на ровере Perseverance и марсианском вертолёте Ingenuity позволяет оценить, насколько мощнее и дешевле становится электроника космических роботов по сравнению с оборудованием, использовавшимся при пилотируемых лунных экспедициях «Аполлонов».

Тем не менее, научный интерес к пилотируемым космическим экспедициям вновь стал постепенно возрастать с 2016 года, когда Европейское космическое агентство запустило программу аналоговых полевых исследований «PANGAEA»,  призванную натренировать космонавтов в работе на местности и сборе образцов — пока на Земле. Курс проходят по два‑четыре специалиста в год, он состоит из следующих частей:

1) Основы земной и планетарной геологии, марсианской осадочной геологии и поверхностных процессов — каньон Блеттербах, Южный Тироль, Италия.

2) Изучение лунной геологии и ударных кратеров в кратере Нёрдлингер-Рис, Бавария, Германия

3) Инопланетная полевая геология и астробиология на девственных вулканических равнинах на Ланзароте, самом восточном из Канарских островов, Испания

4) Обучение дифференциации магмы и работе на лунных возвышенностях в архипелаге Лофотен, Норвегия

Достоинства пилотируемых космических экспедиций

Поскольку лунные экспедиции в рамках программы «Аполлон» до сих пор остаются единственным примером полевой работы астронавтов на поверхности внеземного небесного тела, именно на материале этих миссий можно сравнить успешность роботов и людей при таких работах. По данным аналитического отчёта, выполненного комиссией Королевского Астрономического Общества по научным аспектам исследования космоса человеком в 2005 году, человек явно превосходит роботов по следующим показателям:  

• Принятие решений на месте и гибкость в их принятии, что повышает вероятность случайных открытий

• Выигрыш в мобильности при перемещении на местности и при развёртывании/настройке научных приборов. Так, в декабре 1972 года астронавты «Аполлона-17» прошли по Луне 35,7 километров за три дня, а марсоход «Оппортьюнити», работавший на Марсе с 2004 по 2018 год, прошёл более 45 километров.

• Значительный выигрыш в эффективности при сборе образцов. Так, в рамках экспедиций «Аполлона» на Землю удалось доставить около 382 кг лунного грунта. Для сравнения: советские аппараты «Луга-16», «Луна-20» и «Луна-24» добыли всего 0,32 кг лунного грунта, а марсианский реголит доставить на Землю до сих пор не удалось.

• Человек незаменим при выполнении крупномасштабных геологических работ, например, при бурении.

• Только человеческий экипаж теоретически способен поддерживать в рабочем состоянии инопланетную обитаемую базу, а также астрономическое  (телескопы) и навигационное оборудование, которое там наверняка будет установлено.

Последний пункт ныне воспринимается скептически, поскольку пока остаётся умозрительным. Но для сравнения можно рассмотреть, например, экспедицию STS-125,  cостоявшуюся в мае 2009 года. Тогда экипажу шаттла «Атлантис» удалось провести четвёртый и последний ремонт космического телескопа «Хаббл» (семеро астронавтов за 10 дней выполнили 35 выходов в открытый космос). В 2021 году НАСА пришлось работать дистанционно — сначала телескоп перевели в безопасный режим, а затем стали по очереди включать его приборы. Притом, что срок аппарата действительно удалось таким образом продлить, о дистанционном капитальном ремонте (даже орбитальных аппаратов) пока не может быть и речи.   

По-видимому, без участия подготовленных человеческих экипажей невозможны и полноценные поиски жизни на Марсе. На современных роверах нет приборов для астробиологических исследований. Насколько мне удалось найти, в последний раз астробиологическое оборудование ставили только на «Викингах» в 1970-е. По мнению астробиолога Франсес Уэстфолл, сотрудницы Национального центра естественнонаучных исследований (Франция), шансы найти марсианскую жизнь при помощи одних только роботов близки к нулю. Даже если на Марсе существовала какая-либо многоклеточная жизнь, она должна была исчезнуть не менее полутора-двух миллиардов лет назад, и какие-либо окаменелости такого возраста современная техника просто не отличит от горных пород. Если же марсианская жизнь была условно «бактериальной» и вообще не фоссилизировалась, то искать потребовалось бы именно биохимические аномалии, то есть, «необычное в неизвестном». Алгоритмизировать для робота условия такого поиска в настоящее время вряд ли возможно, правда, здесь открываются интересные возможности для обучения с подкреплением.    

Как марсоходы жизнь искали

Как видно из этой иллюстрации, на Марс было успешно спущено восемь экспедиций (в том числе, работающие ныне роверы «Кьюриосити» и «Персеверанс». Районы их посадки, в частности, знаменитый кратер Гейл, подбирались как наиболее вероятные последние оазисы жизни на Марсе, но сами роботы не оборудованы приборами для тонкого биохимического анализа. Они просто топографы и первопроходцы. В частности, именно в кратере Гейла «Кьюриосити» нашёл в 2018 году древние органические молекулы, но без участия человека невозможно определить, могли ли они иметь биологическое происхождение. В качестве первопроходцев марсоходы безусловно выигрывают у человека, но ни на какую сложную работу и даже на саморемонт такие машины в обозримом будущем окажутся неспособны. Современные марсоходы требуют регулярного навигационного контроля с Земли (из ЦУП), так что в 2012 году для специалистов, управлявших «Спирит» и «Оппортьюнити» даже были впервые сконструированы часы, идущие по марсианскому времени (сутки на Марсе называются «сол» и длятся 24 часа, 39 минут и 35 секунд) Эта модель называлась EZ430 Chronos. Кстати, в 2019 году российский дизайнер Константин Чайкин сконструировал часы «Марс Конкверор», показывающие сразу земное и марсианское время.

При этом пилотируемые космические полёты остаются запредельно дорогими. Всего один запуск программы «Спейс Шаттл», действовавшей с 1969 по 2011 год, обходился примерно в $450 миллионов. Космический челнок выводил на орбиту до 23 000 килограммов полезной нагрузки, а возвращать мог примерно до 14 500 килограммов. По нынешним ценам даже килограмм золота стоит чуть менее $37 000, то есть, программа «Шаттл» была изначально убыточной. Исходная смета МКС составляла около $8 миллиардов, но в итоге станция обошлась примерно втрое дороже. В отличие от «Шаттла», космическая станция оставляет хотя бы слабую возможность окупаемости — например, если бы там было можно выращивать кристаллы и материалы (в частности, тонкие полупроводники и лекарственные действующие вещества), не формирующиеся в условиях земной гравитации. Но пока приходится признать, что долговременные орбитальные пилотируемые экспедиции представляют строго научный интерес, и что если у пилотируемой космонавтики и есть будущее — то оно за колонизацией Луны, Марса и других небесных тел.

Биологические осложнения

Начнём с того, что человек примерно на 70% состоит из различных жидкостей, представляющих собой водяные растворы. При отсутствии привычной гравитации эти жидкости «перераспределяются вверх», то есть в избытке поступают в грудную клетку и в голову. Образуются отёки и возрастает внутричерепное давление. До сих пор врачи обнаруживают новые мелкие, но опасные изменения такого рода: например, в условиях микрогравитации у космонавтов деформируются глазные яблоки.

Проблемы со зрением у космонавтов были впервые отмечены в 2009 году, когда на МКС работал астронавт Майкл Дж. Баррат, врач по профессии. Он совершал шестимесячный космический полёт и заметил у себя странную дальнозоркость. В том же экипаже оказался канадский астронавт Роберт Триск, тоже имевший медицинское образование и подтвердивший наблюдения Баррата. Обследовав друг друга, коллеги обнаружили у себя не только дальнозоркость, но и признаки разбухания зрительных нервов и помутнение сетчатки. УЗИ‑исследование показало, что глазные яблоки сжаты с боков и приобретают несколько продолговатую форму, вероятно, из‑за того, что в череп и его глазные полости может просачиваться спинномозговая жидкость.  

Другая проблема, известная с начала 2010-х — истончение костей и остеопороз у космонавтов. Потеря костной массы идёт со скоростью 1–2% в месяц и сопровождается ослаблением мышц, в том числе сердечных. По‑видимому, организм в условиях невесомости просто гораздо меньше нуждается в поддержке опорно‑двигательного аппарата и утилизирует его гораздо быстрее, чем на Земле. Впрочем (позаимствую иллюстрацию из статьи @SLY_G) простые физические нагрузки, например, работа на беговой дорожке, плюс приём препаратов от остеопороза, позволяют почти полностью предотвратить потерю костной массы.

Радиационное облучение при космическом полёте также приходится принимать как данность. По словам Георгия Гречко, за самый длинный свой полёт он «нахватал столько, сколько получил бы за одновременный рентген желудка и позвоночника». На следующей схеме даны примерные дозы в миллизивертах, характерные для проживания на уровне моря, пребывания на МКС, полуторагодичного полёта к Марсу и годичного пребывания на Марсе. Учитывая консервативность этих оценок, марсианская экспедиция с огромной вероятностью обернётся для человека подорванным здоровьем и/или лучевой болезнью.

Без роботов не обойтись

Если не ограничиваться исследованием Марса и Луны, то приходится признать, что в большинстве районов Солнечной системы сугубо пилотируемые миссии просто неприменимы. На Меркурии или Венере для них просто слишком жарко, а в поясе астероидов или на спутниках планет-гигантов — слишком холодно. Кроме того, даже на Марсе человек неизбежно оставил бы столько мусора (в особенности при авариях или других нештатных ситуациях), что обязательно загрязнил бы планету земной органикой, и отличить её от потенциально автохтонной марсианской было бы невозможно. С другой стороны, только люди могли бы в ходе космической экспедиции принимать быстрые нестандартные решения, проявлять изобретательность, здравый смысл, а также общий искусственный интеллект (AGI), которым роботы в обозримом будущем обладать не будут. Люди обязательно нужны для ремонта роботов и/или станции, а чисто беспилотную станцию пришлось бы оснащать с большой избыточностью, закладываясь на неизбежный выход машин и механизмов из строя.     

По-видимому, на данном этапе любые экспедиции по исследованию планет, спутников и астероидов в солнечной системе могут строиться только как комбинированные робо-человеческие с главенствующей ролью людей. В 2022 году марсоход «Персеверанс» был впервые переориентирован на новый вид миссий, которые называются «sample return» (со сбором и возвратом образцов). «Персеверанс» раскладывает образцы по герметичным пробиркам, которые оставляет в заранее выбранном с Земли месте; в данном случае это точка в марсианском кратере Езеро. В перспективе весь этот массив образцов могла бы забрать и изучить пилотируемая  экспедиция с Земли. В настоящее время и NASA, и японское космическое агентство разрабатывают проекты марсианских миссий, которые изначально строились бы по принципу «sample return», но, к сожалению, в прошлом году этот проект откладывался, как минимум, до 2028 года. Впрочем, марсианская пилотируемая экспедиция должна быть рассчитана на доставку настолько больших объёмов полезной нагрузки с Марса на Землю, что пара килограммов грунта в данном случае не будет играть решающей роли. Самое время поучиться их собирать. В целом же описанные проблемы и тенденции выглядят пессимистично и скорее могут быть решены приближением  искусственного интеллекта к человеческому (тогда, действительно, за беспилотными космическими экспедициями среднесрочное будущее), чем киборгизацией человека с целью адаптации нашего организма к долгосрочной работе за пределами Земли.