Полет на Марс — дорогое удовольствие, ведь только в одну сторону такое путешествие растягивается на 55 млн километров. Астронавтам нужны ракеты нового поколения, оснащенные мощными, но экономичными двигателями. А еще будущие космические корабли должны быть многоразовыми, чтобы звездный путь не был билетом в один конец.

Совсем близко к этой мечте подошли в США, где космическая программа в последние годы переживает ренессанс. Идеи и проекты NASA активно подхватили частные предприятия.

Компания SpaceX на смену двигателю Merlin, созданному в начале 2000-х, разработала инновационный — SuperDraco. Он создан специально для пилотируемого корабля Dragon V2, предназначенного для доставки экипажа из семи человек на Международную космическую станцию и возвращения на Землю.

Отличительная особенность SuperDraco — камера сгорания, которая напечатана на 3D-принтере. Это существенно удешевило его производство. А используемая в двигателе топливная смесь позволяет перезапускать его многократно, даже через несколько месяцев, проведенных в космосе.

Амбициозные планы и у американского стартапа Relativity Space, который разработал ракетный двигатель Aeon, полностью напечатанный лазерным 3D-принтером. Компания уже строит первую ракету Terran 1, изготовленную таким же способом. Количество деталей при трехмерной печати должно уменьшиться в сто раз, а время, необходимое для постройки одной ракеты, сократится буквально до нескольких дней.

А еще для будущей марсианской колонии людям понадобятся жилые и хозяйственные модули, многочисленные машины и оборудование. И то, и другое будет выходить из строя, а доставлять детали с Земли – долго и дорого. Технология 3D-печати поможет решить и эту проблему.

Существующие разработки уже позволяют печатать на принтере целые дома. Так, власти Дубая хотят к 2025 году построить в городе квартал из зданий, созданных на 3D-принтере. Технология успешно внедряется и в автомобилестроении. Например, Ford активно применяет 3D-печать в производстве деталей для серийных моделей.

И самое главное, метод лазерной печати металлом можно использовать на других планетах, например, на Марсе. Таким образом, если технология зарекомендует себя, то будущие колонисты смогут строить себе не только дома, но и целые межпланетные ракеты.

В космосе сверхпрочные, устойчивые к радиации и экстремальным температурам материалы будут особенно необходимы. Инженеры возлагают большие надежды на создание специальных материй, которые не встречаются в природе, а будут искусственно синтезированы для межпланетных экспедиций.

К примеру, российским ученым из Сколково и Российской академии наук удалось получить новое соединение вольфрама и бора, которое в полтора раза тверже победита – материала-«звезды» металлургии – и существенно дешевле его в производстве. Новинке нашли применение в технологиях для подземного бурения: синтезированный материал используют для замены элементов из победита на конце буровых механизмов.

Следующая цель — создание новой сверхтвердой материи, которая сможет заменить дорогие алмазные пластины на буровых резцах, используемых для устройства скважин и тоннелей на глубине в несколько километров под землей. Уже получены тестовые версии материалов, сопоставимых по свойствам с кубическим нитридом бора — это одно из наиболее близких к алмазу особо твердых соединений.

Появление новых материалов снизит затраты на подготовку межпланетных экспедиций. Это дополнительно приблизит долгожданную высадку людей на Красной планете.

Переселенцы на Марс, как и мы, будут носить фитнес-трекеры, только гораздо более продвинутые. Нынешний уровень технологий и точность измерений уже позволяют в реальном времени отслеживать показатели здоровья человека и давать нужные сигналы и рекомендации. Так, часы Apple Watch научились делать ЭКГ и обнаруживать отклонения от нормы сердечного ритма, способные перерасти в сердечный приступ, и прочие проблемы.

Пройдет еще несколько лет — и браслеты будут мониторить давление, делать анализ крови, вдыхаемого воздуха и даже уровня радиации вокруг. И это не говоря о контроле положения тела в пространстве.

Промышленные системы мониторинга состояния человека уже разработаны и используются на опасных или труднодоступных объектах. Кроме основных физиологических показателей, они замеряют температуру окружающей среды, запыленность, уровень вибрации. Пилотные проекты тестирования таких систем, к примеру, были опробованы компанией «Газпром нефть» для обеспечения безопасности и здоровья работников на отдаленных месторождениях. Любое падение человека или нештатная ситуация с сотрудником фиксируется системой, которая оповещает экстренный персонал и медицинские службы.

В экстремальных условиях космического полета или пребывания на Марсе такие технологии в прямом смысле жизненно необходимы.

Производство продуктов питания на Марсе — амбициозная задача, которую давно пытаются решить на Земле. Допустим, первая экспедиция возьмет с собой достаточно консервированной (а точнее, лиофилизированной) еды и концентратов. Тем не менее, вопрос выращивания овощей на Марсе должен быть решен для будущих поколений поселенцев.

Ставший уже хрестоматийным пример Марка Уотни из фильма Ридли Скотта «Марсианин» пусть и получил одобрительные отзывы научных консультантов, но не лишен недостатков и художественных преувеличений. Напомним, персонаж Мэтта Деймона, оставшись на Марсе один, для собственного выживания начинает выращивать картофель на марсианском грунте.

Главная проблема здесь — радиация и тяжелые металлы. Марсианский грунт сам по себе не подходит для растений. Даже если будущим колонистам удастся вырастить на этой почве овощи и зелень, они будут непригодны в пищу из-за радиоактивного заражения и содержания токсичных элементов.

Более перспективной считается установка на Марсе компактных тепличных и гидропонных систем, где растения будут выращивать на субстрате — заменителе почвы, доставленном с Земли. При этом остаются проблемы обеспечения растений достаточным количеством света и защиты их от убийственной радиации.

Сейчас в мире реализуется несколько проектов, призванных решить проблему производства продуктов в космосе и на других планетах. Так, голландские ученые из Вагингенского университета выращивают овощи на вулканической почве, которая якобы близка по составу к марсианскому грунту. А космонавты на МКС в 2015 году получили первый урожай салата, выращенного в условиях невесомости и повышенной радиации.

Радиационный фон Марса составляет в среднем 8 рад в год, но может достигать и 2 рад в день во время вспышек на Солнце. Это в разы больше того, с чем сталкиваются простые люди на Земле и даже подготовленные астронавты на МКС. Так что радиация остается в числе главных проблем, которую придется решать будущим межпланетным путешественникам.

Чтобы защититься от нее, ученые предлагают различные способы, например, увеличивать толщину обшивки космических аппаратов и жилых модулей. Или использовать источник магнитного поля, который будет защищать людей и технику от солнечного ветра — основного источника смертельного облучения. Альтернативный способ — строить жилые модули под поверхностью Марса, так, чтобы слой почвы был естественным щитом от радиации.

Научиться воспроизводить воздух на других планетах — нетривиальная задача. Причем нужно научиться это делать с наименьшими энергозатратами.

Для выработки пригодного для дыхания воздуха на Марсе ученые предлагают использовать атмосферу самой планеты. Она довольно разряжена, а масса составляет лишь 0,5% массы земного газового слоя. При этом марсианский воздух содержит большое количество углекислого газа — примерно 95%. Предполагается, что первые колонизаторы будут использовать устройства для преобразования углекислого газа в кислород, что позволит получать и пригодный для дыхания воздух, и топливо для заправки машин и ракет.

Еще в 2014 году NASA представило проект Moxie, разработанный в недрах Массачусетского технологического института. Это компактное устройство методом электролиза преобразует углекислый газ в кислород. Существующий прототип — это аппарат, который питается от энергоустановки мощностью 300 Вт. Он может производить до 10 граммов кислорода в час и работать при температуре до 800°С.

NASA планирует отправить на Марс большой аппарат Moxie наряду с другим оборудованием для будущей колонизации на грузовом корабле после 2030 года.

Сейчас на обеспечение работы экипажей МКС тратятся огромные средства и усилия. Почти все на орбиту доставляется с Земли на грузовых кораблях. Такие полеты очень дорогостоящие, поэтому повышение автономности станции является одним из приоритетов для ученых. Заметного прорыва в последние годы позволила добиться установка на МКС системы рециклинга воды. Она позволяет извлекать из жидких отходов «жизнедеятельности» станции до шести тысяч литров питьевой воды в год, что сокращает потребности в ее поставках почти вдвое.

В будущем для очистки воды в космосе пригодятся и специальные бактерии. К примеру, такие микроорганизмы уже используются в российском проекте «Биосфера». Эту беспрецедентную биологическую систему очистных сооружений сейчас применяют на Московском нефтеперерабатывающем заводе. Как отмечают эксперты, аналогов проекта в мировой промышленности не существует.

После того, как вода проходит механическую очистку, а мощный поток воздуха выбивает из нее оставшиеся примеси и нефтепродукты, к работе приступают специально выращенные бактерии. Микроорганизмы съедают остатки нефтепродуктов. Затем воду отфильтровывают сквозь мембраны с отверстиями толщиной меньше волоса. На финальном этапе воду пропускают через 200 тонн активированного угля и через специальный фильтр, размер ячеек в котором не больше молекул воды. На выходе получается питьевая вода.

С самого своего возникновения в 1950-х годах лазеру суждено было стать оружием. Уже больше полувека исследования лазера ведутся главным образом в оборонной сфере. Но и гиганты аэрокосмической отрасли не отстают.

Кстати, один из самых известных проектов лазерного оружия — это разработка Boeing. Изначально лазер компания решила использовать для перехвата ракет. Однако позднее технология была модернизирована и успешно опробована для других целей. С ее помощью научились уничтожать артиллерийские мины и даже самолеты-беспилотники.

Развитие мощностей лазерных установок не будет лишним и в суровых условиях космоса. Станет возможным изменение ландшафтов других планет, устранение астероидов и прочих препятствий на пути покорителей новых планет.

К созданию ручного лазерного оружия технологии тоже подошли совсем близко. В июле 2018 года специалисты китайского Института оптики и высокоточной механики закончили разработку лазерной штурмовой винтовки. Пока она классифицируется как нелетальная, но может быть использована и как зажигательная, и для нанесения телесных повреждений противнику. Радиус действия оружия — 800 метров, а количество выстрелов на одном заряде аккумулятора — более тысячи. Сейчас винтовку готовят к массовому производству по заказу спецподразделений китайской полиции.

Ученые прогнозируют создание к 2030 году «умных» машин, которые будут в разы превосходить по интеллекту любого человека. Программы уже потеснили людей в узких областях. Например, нейросети не хуже врачей диагностируют многие заболевания — определяют риск сердечных болезней по сетчатке глаза и анализируют рентгеновские снимки.

На новый уровень искусственный интеллект вышел в 2017 году. Программа для нейронных сетей AlphaZero в течение 24 часов самостоятельного обучения достигла сверхчеловеческого уровня игры в шахматы и другие интеллектуальные игры, победив все программы-предшественники с разгромным счетом и тотальным доминированием. Жертвой пали Stockfish, Elmo и другие программы, уже давно превзошедшие живых игроков. Это произвело настоящий фурор не только в области спорта, но и среди экспертов по искусственному интеллекту во всем мире.

Не отстают в машинном обучении и российские специалисты. На недавнем конкурсе по машинному обучению Gazprom neft Smart Oil Contest команде МГУ на основе данных со скважин удалось построить точную модель предсказания получения нефти с месторождений. Зачем искусственный интеллект нефтяникам? Сейчас, чтобы добраться до нефти в недрах, приходится решать множество уравнений с большим количеством неизвестных на основе огромного массива данных — эта задача по силам только машинам.

В настоящее время цифровые модели месторождений создаются на основе промысловых данных, полученных из разных источников — анализа сейсмики, геологоразведки, лабораторных исследований. Процесс напоминает судоку: есть небольшой набор данных, а остальное искусственному интеллекту нужно достроить самостоятельно.

Только в отличие от самых сложных кроссвордов в данном случае объем знаний и неизвестных можно сравнить с соотношением большой цистерны и Азовского моря. Несмотря на это, «умные» программы уже научились собирать в огромные цифровые модели целые нефтеносные бассейны размером с регионы. Программы на основе Big Data находят закономерности в геологических сочетаниях и достраивают недостающую информацию.

Перебор различных комбинаций установки скважин и освоения залежей происходит по разработанному алгоритму оптимизации. Он позволяет не тратить время на расчет заведомо неэффективных вариантов. Больше не нужно терять месяцы на сложную работу инженера — программа за неделю предлагает несколько оптимальных планов добычи углеводородов. Уже сегодня опыты показали, что машина в состоянии находить варианты, которые на 20% эффективней предложенных человеком.

Все разрабатываемые сейчас марсианские программы делятся на два вида — возвращаемые и невозвращаемые миссии. Возможность вернуться на Землю или отправиться на дальнейшее исследование космоса будет напрямую зависеть от решения проблемы поиска и добычи ракетного топлива на Красной планете. Также энергоресурсы будут необходимы для функционирования будущих исследовательских баз и колоний переселенцев.

Кислород для заправки ракет можно более или менее эффективно добывать на поверхности Марса при помощи электролитических устройств. Из твердого льда также можно получать воду, необходимую для синтеза топлива. Вдохновленные этой идеей инженеры проекта Swamp Works в NASA разрабатывают автономные машины, которые будут собирать реголит и пыль на поверхности планет и других объектов для производства из них космического топлива и других полезных человеку веществ.

А очередное открытие марсохода Curiosity и вовсе обнадежило ученых. Он нашел на Красной планете газовые клатраты с включенными в них молекулами метана, спрятанные под поверхностью планеты. А ведь это уже вполне родное нам земное топливо. И если научиться извлекать на Марсе метан, то можно решить проблему обеспечения космических экспедиций столь необходимыми энергоресурсами.

Так что российские инженеры и геологи, которые сейчас разрабатывают технологии добычи труднодоступных залежей нефти в подземных глубинах суровой Арктики, будут незаменимы даже на других планетах.