Миссия Psyche – долгое путешествие, способное изменить жизнь на Земле

Ядро как начало всего

Первая половина 2021 года ознаменовалась целой серией важнейших событий, связанных с исследованием космоса. Восемнадцатого февраля на Красную планету высадился марсоход Perseverance – самый крупный из всех планетоходов в истории человечества. В очередной раз заставил о себе говорить Китай, который доставил к Марсу исследовательский аппарат «Тяньвэнь-1»: на орбиту он вышел 10 февраля. Вместе с постоянными упоминаниями о Марсе со стороны Илона Маска и различных популяризаторов науки может показаться, что в рамках изучения нашей планетной системы это цель номер один. Такой подход не лишен оснований, если учесть расстояние до Марса и его относительное «сходство» с Землей. Но не нужно забывать, что есть не менее интересные объекты для исследований, помимо Красной планеты и спутника нашей планеты.

В феврале NASA вновь напомнило всем об этом, направив взоры землян к далекому и таинственному астероиду (16) Психея. После тщательного анализа прогресса проекта в создании научных инструментов и инженерных систем Psyche получила разрешение перейти к тому, что космическое ведомство США назвало фазой D ее жизненного цикла. По факту речь идет о заключительной стадии операции перед запланированным запуском в августе 2022 года. Забегая немного вперед, стоит сказать, что это будет далеко не рядовое событие даже по меркам NASA: на кону стоит примерно 10 квинтиллионов долларов, или 10 000 000 000 000 000 000. Чтобы было понятнее: это приблизительно в 10 тысяч раз больше объема мировой экономики в 2019-м.

Но можно выдохнуть: это не цена миссии, а расчетная стоимость «золотого» астероида, состав которого по меньшей мере сильно впечатляет. «Мы видели метеориты, которые в основном состоят из металла, но Психея уникальна тем, что полностью состоит из железа и никеля», — рассказал Трейси Беккер, планетолог из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио.

По оценкам специалистов, запасы благородных металлов в породах Психеи могут составлять около 110 миллиардов тонн. Но дело не только (вернее, не столько) в номинальной цене объекта, тем более что физических возможностей добывать там полезные ископаемые у землян пока попросту нет. Психея представляет собой прежде всего научно-исследовательскую ценность. Это один из тех объектов, которые, что называется, могут ответить «сразу и на все». Ну или, во всяком случае, на вопросы о происхождении планет и формировании на них жизни.

Где же находится Психея и почему именно она может в такой степени поведать о процессах, которые происходили и происходят в нашей системе? Астероид расположен в области, которую знают как «пояс астероидов». Находится она между орбитами Марса и Юпитера. В сумме масса главного пояса составляет примерно четыре процента от массы Луны, причем больше половины из этого приходится на такие относительно крупные объекты, как Веста, Церера, Паллада и Гигея. Церера — так называемая карликовая планета. Остальные вышеупомянутые тела — астероиды.

Понятие пояс астероидов ввели в обиход начале 1850-х, а конкретно Психею открыл в 1852 году итальянский астроном Аннибале де Гаспарис. Свое название объект получил в честь олицетворения души в мифологии древних греков. На фоне тысяч других объектов Пояса астероидов он выделяется хотя бы классом: Психея относится к так называемому спектральному классу M, изученному относительно плохо. Такие объекты обладают умеренно большим альбедо (термин из фотометрии, показывающий, какую часть световых лучей поверхность отражает).

Собственно, герой нашей статьи — самый большой астероид этого класса из всех известных. Он входит в десятку самых массивных астероидов Главного пояса: на него приходится примерно один процент массы всех его тел, массу объекта оценивают в 2,72E19 килограмма.

Изначально инфракрасная орбитальная обсерватория IRAS (InfraRed Astronomical Satellite) определила максимальный размер Психеи в 253 километра, а более детальные наблюдения, проведенные в начале 2000-х, идентифицировали его как эллипсоид с размерами в 214×181×145 километров. Еще позже ученые оценили размеры объекта в 277×238×168 километров. Средняя температура поверхности астероида составляет 160 кельвинов (минус 113 °C). Расстояние до Солнца – 2,834 астрономической единицы.

Как возникла Психея и почему она выделяется на фоне других объектов пояса? Ответы на все эти вопросы мы получим нескоро: пока у людей есть лишь размытое изображение, сделанное в 2018 году комплексом Very Large Telescope, или VLT. А еще есть данные, которые позволяют говорить, что на поверхности астероида заметны признаки наличия воды или гидроксила. Скорее всего, Психея — не что иное, как металлическое ядро протопланеты или его фрагмент. Она могла разрушиться в самом начале формирования нашей системы, столкнувшись с более крупным объектом. Вероятно, после столкновения силикатные породы оболочек, которые окружали металлическое ядро, откололись и разлетелись.

Компьютерное моделирование позволило выявить на поверхности Психеи кратеры, однако их природа ученым неясна. Одна из версий предполагает, что они возникли вследствие импактного воздействия, то есть столкновения с другими космическими телами. Существует еще одна гипотеза: согласно ей, кратеры Психеи имеют вулканическое происхождение.

Нельзя сказать, что за минувшие годы наших знаний о Психее не прибавилось. Не так давно Венди К. Колдуэлл из Лос-Аламосской национальной лаборатории и другие ученые провели двухмерную и трехмерную симуляцию появления самого большого ударного кратера астероида диаметром 67 ± 15 километров. Моделирование позволило подтвердить ранее полученные оценки химического состава небесного тела. В рамках одной из симуляций объект состоял из монеля, а коэффициент его пористости составлял 30-50 процентов. При этом ученые признают, что Психея, вероятно, неоднородное пористое тело с более сложной структурой, чем можно подумать.

Вообще, интерес научного мира выходит далеко за рамки определения структуры астероида. Можно сказать, что, добравшись до Психеи, ученые смогут увидеть «прообраз» ядра Земли, который, вероятно, тоже состоит из никеля и железа. А в перспективе исследователям удастся ответить и на более общие вопросы о формировании планет нашей (и не только) системы.

Если максимально упростить, то в рамках миссии ученых более всего интересуют следующие вопросы:

• Формирование железного ядра планет на примере Психеи;
• Строение относительно малоизученных астероидов класса M;
• Возраст областей поверхности астероида;
• Условия его образования;
• Характеристика топографии Психеи.

Попутно специалисты хотят разобраться и в ряде других вопросов. Например, если (16) Психея была лишена своей мантии, когда и как это произошло? И если астероид когда-то был расплавлен, то затвердел ли он изнутри или снаружи? Другие вопросы касаются, в частности, охлаждения магнитного поля небесного тела и основных элементов, существующих в металлическом железе сердечника.

Дорога к цели

Амбициозные цели ставят перед инженерами NASA трудные вызовы. Путешествие будет долгим: на орбиту космический аппарат должен выйти 31 января 2026 года. То есть полет к цели займет без малого три с половиной года. Расчетные сроки изучения астероида — 21 месяц.

Бюджет проекта составляет 450 миллионов долларов — безусловно, огромная сумма, но в то же время нужно понимать, что есть и более дорогие программы. За примером далеко ходить не надо: цена нового орбитального телескопа James Webb Space Telescope давно перевалила за десять миллиардов долларов. А стоимость всей программы МКС превышает 150 миллиардов (новая лунная орбитальная станция Gateway, вероятно, догонит и даже перегонит прародительницу).

Перейдем к плану полета. Для запуска Psyche используют сверхтяжелую Falcon Heavy от SpaceX. Это самая мощная ракета из всех, которые сейчас есть. Совершивший первый запуск 6 февраля 2018-го носитель подтвердил свою надежность, хотя за все годы выполнил только три запуска, все успешные. К 2022 году (когда должны запустить Psyche) у американцев будет даже более мощная ракета — комплекс Space Launch System. Однако на сегодня вопрос с выбором носителя уже решен и прямой необходимости менять его не наблюдается.

Psyche запустят с площадки Launch Complex 39A, расположенной на территории Космического центра Кеннеди. Согласно плану полета, космический аппарат должен вращаться на уменьшающихся режимах. Во время первого станция выйдет на орбиту А высотой 700 километров: это позволит определить магнитное поле и провести предварительное картографирование. После этого Psyche спустится на орбиту B (290 километров), что позволит провести более детальные исследования этих же вопросов. Следующий этап — орбита с высотой 170 километров: в это время космический аппарат проведет анализ гравитации и магнитного поля астероида. Наконец, заключительный этап — орбита D высотой более 80 километров. Благодаря максимальному сближению с Психеей станция проанализирует химический состав поверхности астероида.

Вместе с Psyche ракета-носитель Falcon Heavy выведет на орбиту дополнительную полезную нагрузку. Речь идет о программе Janus, призванной исследовать двойные астероиды. В состав вторичной нагрузки ранее также входил EscaPADE для исследования атмосферы Марса, но в 2020-м году его запуск перенесли из-за неподходящей траектории полета.

Что представляет собой станция? Построенный на платформе SSL 1300 аппарат будет довольно большим: его масса составит 2608 килограммов. Электричество должны генерировать двусторонние солнечные батареи в форме буквы X, имеющие пять панелей на каждой стороне. Аппарат получит двигатель SPT-140 на эффекте Холла (разновидность электростатического ракетного двигателя), работающий на ксеноне. Двигатель номинально рассчитан на рабочую мощность 4,5 киловатта. Концепцию разработали в российском ОКБ «Факел», но впоследствии американцы существенно ее дообработали. Первые испытания Соединенные Штаты провели еще в 2002 году, в рамках программы внедрения ракетных движителей в интересах Военно-воздушных сил.

Станция Psyche будет иметь новую систему лазерной космической связи Deep Space Optical Communications (DSOC), предназначенную для улучшения характеристик связи от 10 до 100 раз по сравнению с нынешней радиочастотной технологией без увеличения массы, объема или мощности. Управлять проектом будет Лаборатория реактивного движения — научно-исследовательский центр NASA, расположенный рядом с городами Пасадена и Ла-Каньяда-Флинтридж.

Полезная нагрузка космического аппарата включает в себя несколько инструментов:

• Многоспектральная камера;
• Гамма- и нейтронный спектрометр;
• Магнитометр;
• Аппаратура X-band Gravity Science Investigation.

Многоспектральная камера позволит получать изображения с высоким разрешением: для различения металлических и силикатных компонентов используют разные фильтры. Благодаря гамма- и нейтронному спектрометру ученые смогут провести анализ, отобразив элементный состав (16) Психеи. Магнитометр поможет изучить магнитное поле объекта: обнаружение следов остаточной намагниченности можно назвать одной из главных целей миссии. В свою очередь, X-band Gravity Science Investigation обеспечит радиосвязь рентгеновского диапазона для измерения гравитационного поля Психеи и определения внутренней структуры.

Иллюзия богатства

Вернемся к тому, с чего начинали, а именно — к практической стороне (если, конечно, здесь уместно употребить такое слово). Научные открытия важны, однако сейчас все активнее говорят о «коммерциализации» космоса. Знаменитый американский популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон заявил несколько лет назад, что первый в истории триллионер сделает свой капитал именно на космических ресурсах.

Как мы уже упоминали, Психея в этом случае — самый вероятный кандидат на то, чтобы изменить экономику планеты. «Добыча ресурсов на астероидах будет иметь революционный эффект в масштабах мировой экономики. Когда индустрия наберет вес, мы увидим, как тонны грузов из космоса будут прибывать на Землю, и мир начнет переход к постдефицитной модели относительно многих редких сейчас металлов», — отметил ранее Митч Хантер-Скаллион, создатель компании Asteroid Mining Corporation.

Конечно, не все так радужно: о технических проблемах мы уже говорили вскользь. «Экономически оправданным использование внеземных ресурсов является только при их применении непосредственно в космосе. Расходы, связанные с добычей и доставкой сырого ресурса, будь то редкоземельные или драгоценные металлы, из космического пространства на Землю, делают такое предприятие экономически нерентабельным. Другой вопрос — создание товаров с высокой добавленной стоимостью непосредственно в космосе: от крупногабаритных конструкций до заводов, производящих товары, которые возможно создать только в условиях микрогравитации, — например, биопечати запасных человеческих органов. Использование внеземных ресурсов экономически выгодно только вне Земли, поэтому риски, связанные с ценами на редкоземельные элементы, представляются крайне надуманными», — приводит издание Esquire слова Ивана Косенкова, проектного менеджера фонда «Сколково» по космическому направлению.

Примечательна оценка известного российского популяризатора науки и специалиста в ракетно-космической сфере Виталия Егорова: «… Если у нас появятся масштабные потребности, то такие космические ресурсы покажут свою рентабельность. Зависеть это будет от стоимости запуска и цены оборудования. Не стоит забывать и про экологическую компоненту: сегодня те же дата-центры начинают оказывать серьезное влияние на климат, они могут быть вынесены в космос и работать за счет солнечной энергии».

Возможная добыча ресурсов на астероидах повлечет за собой новые вопросы политического или, как сейчас модно говорить, геополитического плана. Можно максимально упростить вопрос: как ведущие страны будут «делить» космос и его ресурсы? Вне зависимости от технологических возможностей их добычи, этот вопрос будет решаться на Земле и напрямую зависеть от расстановки на мировой арене. Пока коллективный Запад и набирающий силу Китай выглядят основными из возможных первопроходцев. Вероятно, через несколько десятилетий ситуация несильно изменится, хотя нельзя исключать появления на арене новых игроков.