Каким будет полет на Сатурн: 17 лет в пути и топливо прямо из атмосферы

Экипаж Артемиды 2 в 2026 году установил рекорд, улетев на 406 771 километр от Земли и вернувшись обратно. Минимальное расстояние от Земли до Сатурна составляет 1,2 миллиарда километров, и может показаться, что долететь до него мы не сможем еще долго. Но физик и ракетный инженер из NASA Джеффри Лэндис с командой уже просчитали, как туда отправить людей, и даже вернуть их обратно. План звучит амбициозно: долететь до системы Сатурна, собрать образцы с ледяного Энцелада и метанового Титана, заправиться на месте и вернуться на Землю. Вся миссия заняла бы около 17 лет.

Ученые выяснили, при каких условиях люди могут полететь на Сатурн

Зачем нужен полет на Сатурн

Сатурн — шестая планета от Солнца, и добраться до нее куда труднее, чем до Марса. Полет на Марс при удачном расположении планет займет около семи месяцев. До Сатурна полет может занять годы. Но именно в системе Сатурна находятся два самых интересных для науки объекта, спутники Энцелад и Титан.

Энцелад — ледяной спутник Сатурна с глубоким подповерхностным океаном. Титан — крупнейший спутник Сатурна, единственный в Солнечной системе (кроме Земли) с жидкими озерами на поверхности, правда, наполненными не водой, а жидким метаном. Органические соединения на Титане, толины, встречаются только во внешней Солнечной системе и могут помочь понять, как зародилась жизнь на нашей планете.

Исследование, проведенное командой Лэндиса в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts, оценило реалистичность миссии по доставке образцов из системы Сатурна на Землю. И результат оказался обнадеживающим: большая часть необходимых технологий уже существует.

Читайте также: Открыто 60 новых спутников Сатурна — об их существовании никто не знал

Топливо из атмосферы Титана

Главная проблема любого дальнего космического полета — топливо. Чем больше топлива вы берете с собой, тем тяжелее корабль, а чем тяжелее корабль, тем больше топлива нужно, чтобы его сдвинуть. Этот замкнутый круг инженеры называют тирания ракетного уравнения.

Решение, которое предложила команда из Исследовательского центра Гленна (NASA), изящно. Ученые предлагают не тащить все топливо с Земли, а производить его прямо на Титане. Метан на Титане и так находится в жидком состоянии, а еще его буквально можно собирать из атмосферы. А кислород для окислителя получается при электролизе водяного льда, из которого состоят «камни» на поверхности Титана. Для плавления льда предлагается использовать тепло от ядерного источника.

На производство примерно 3000 кг топлива (жидкий метан плюс жидкий кислород) уйдет около трех лет. Возвратная ракета при этом задумана надувной — она будет расширяться по мере заполнения топливом.

Концепт посадочного модуля на поверхности Титана рядом с метановым озером

Сколько лететь до Сатурна

Даже если топливная проблема решена, 17 лет в межпланетном пространстве — колоссальное испытание для людей. Сам Лэндис признает, что это, пожалуй, слишком долго для экипажа.

Начнем с еды. Астронавты потребляют больше калорий, чем люди на Земле, а производить пищу в космосе в промышленных масштабах мы пока не умеем. При норме около 2 кг еды на человека в день за 17 лет набирается более 12 тонн продовольствия на одного астронавта. И это без учета воды и упаковки.

Есть и другие проблемы:

• Космическая радиация — за пределами магнитного поля Земли экипаж подвергается воздействию галактических космических лучей и солнечных вспышек, что требует мощного экранирования;
• Масса защитного экрана добавляет вес кораблю, а значит, требует еще больше топлива;
• Психологическая нагрузка многолетней изоляции в замкнутом пространстве;
• Невесомость разрушает костную и мышечную ткань при длительном воздействии.

Все упирается в параметр, который инженеры называют дельта-v — суммарное изменение скорости, необходимое для всех маневров: разгона, торможения, смены орбиты. Чем больше масса корабля, тем выше дельта-v, а значит, тем больше топлива нужно. Можно экономить топливо, используя гравитационные маневры у планет, но пилотируемую миссию нельзя отправить по слишком медленной траектории — экипаж просто не выдержит.

Ядерные двигатели для полета на Сатурн

Первое, что нужно разработать — это двигательная установка, способная доставить корабль до Сатурна и обратно. На химических двигателях поездка будет невыносимо долгой.

Решение — ядерная тепловая тяга. Принцип прост: вместо химической реакции горения жидкий водород нагревается в ядерном реакторе и выбрасывается через сопло. Ядерные тепловые двигатели как минимум вдвое эффективнее лучших химических — они обеспечивают более высокий удельный импульс при большей тяге.

NASA занималось этим еще в 1960-х годах в рамках проекта Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application. За почти два десятилетия работы было построено и испытано более двадцати реакторов. Программу свернули в 1973-м из-за сокращения бюджетов, но в 2023 году NASA и DARPA объявили о совместной разработке нового ядерного теплового двигателя для будущих пилотируемых миссий на Марс.

Для Марса ядерный двигатель может сократить время полета с 8–9 месяцев до 3–4. Одна из оценок и вовсе предполагает 45 дней. До Сатурна все равно лететь годы, но внезапно это уже не фантастика, а инженерная задача с конкретными параметрами.

Схема ядерного теплового ракетного двигателя: реактор нагревает водород, создавая тягу

Можно ли отправить людей к Сатурну уже сейчас

Технически — да. Но, как иронично замечает Лэндис, если цель — с высокой вероятностью погубить экипаж, то можно отправлять хоть завтра. Существующие химические двигатели в принципе способны доставить корабль к Сатурну, но путешествие окажется настолько долгим, а условия настолько суровыми, что шансы на выживание будут минимальны.

А вот с ядерной тягой картина меняется. Время полета сокращается, масса топлива уменьшается, а производство горючего на месте решает проблему обратной дороги. Система Сатурна, с ее удивительными спутниками, перестает быть недосягаемой целью.

Важно подчеркнуть, что исследование Лэндиса — это концептуальная работа в рамках программы NIAC, которая финансирует именно ранние идеи. Это не утвержденная миссия NASA и не план на ближайшие годы. Но расчеты показывают принципиальную осуществимость, а это уже серьезный шаг.

Любопытно, что мы живем в момент, когда человечество только-только вернулось к Луне: экипаж Артемида 2 в апреле 2026 года побил рекорд дальности, установленный «Аполлоном-13» в 1970-м. От 400 тысяч километров до 1,4 миллиарда (среднее расстояние до Сатурна) — путь огромный. Но каждая технология, от ядерных двигателей до производства топлива на других мирах, делает этот путь чуть короче. И самое главное, что впервые в истории ученые могут посчитать, сколько именно еды, топлива и времени понадобится, чтобы его пройти.

Источник: Mission Incredible: A Titan Sample Return Using In-Situ Propellants