Космическое агентство выделило деньги исследователям, работающим над созданием жидких зеркал для телескопов, лунного кислородопровода и марсианских строительных блоков из грибов.
У МАЙКА ЛАПОИНТЕ есть завидная работа - выяснять, как перенести космические исследования в научно-фантастическое будущее.
Он и его коллеги финансируют рискованные и высокодоходные проекты в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts, или NIAC, которая на прошлой неделе объявила о предоставлении грантов 14 командам, исследующим фантастические идеи. Многие из них не будут реализованы. Но некоторые - возможно, лунный кислородопровод или зеркало для космического телескопа, которое действительно создается в космосе, - могут стать переломными.
"Мы рассматриваем все, начиная от концепций, созданных на скорую руку, до концептуальных, но еще не разработанных вещей", - говорит Лапойнт. "Это вещи на 20-30 лет вперед, чтобы понять, как мы можем радикально улучшить или сделать возможными новые типы миссий НАСА". Например, хотя усилия по небольшому повышению эффективности химического ракетного двигателя были бы похвальны, это недостаточно далеко для программы. Предложение по созданию совершенно новой системы, способной заменить химические ракеты, вполне подойдет для этой цели.
НАСА выделяет такие гранты ежегодно, в основном академическим исследователям в США. Новая партия грантов предназначена для проектов первой фазы, каждый из которых получит 175 000 долларов США на проведение девятимесячного исследования, в ходе которого исследователи смогут более подробно изложить свои планы, провести испытания и разработать прототипы. Несколько перспективных проектов перейдут в фазу 2 и получат 600 000 долларов на двухлетнее исследование. После этого НАСА выделит 2 миллиона долларов одному исключительному проекту для финансирования двухлетнего исследования фазы 3.
Некоторые из участников конкурса в конечном итоге могут найти свое место в НАСА или у коммерческого партнера; другие могут оказать косвенное влияние на освоение космоса, проложив путь к созданию новых технологий. Например, надувная космическая антенна компании Freefall Aerospace начиналась как проект NIAC. Предложение NIAC по созданию винтокрылой машины на Красной планете вдохновило марсианский вертолет Ingenuity.
Один из победителей этого года - предложение спроектировать жилище, собранное из строительных материалов, выращенных на Марсе - веществ, вырабатываемых грибками и бактериями. Сложно отправлять в космос большие и тяжелые вещи, такие как жилые конструкции. Стоимость запуска непомерно высока, а еще нужно втиснуть его на вершину ракеты и приземлить на Марсе. Но этот проект, разработанный инженером-механиком и материаловедом Конгруи Джин и ее коллегами из Университета Небраски, исследует идею саморастущих строительных блоков.
Эти грибки или бактерии начинают с малого, но постепенно разрастаются нитями и усиками, заполняя доступное им пространство. "Мы называем их самовосстанавливающимися материалами", - говорит Джин, чья исследовательская группа использовала их для создания биоминералов и биополимеров, заполняющих трещины в бетоне. "Мы хотим сделать еще один шаг вперед и разработать саморастущие материалы".
В биореакторе на Марсе такие материалы вырастут в прочные кирпичи. Этот процесс был бы дорогостоящим на Земле, но поскольку на Красной планете нет бетона и строителей, он может иметь больше экономического смысла. В ходе своего исследования в NIAC Джин планирует определить, можно ли ускорить процесс выращивания с нескольких месяцев до нескольких дней, и как долго материалы смогут выживать в суровой марсианской среде.
NIAC не в первый раз финансирует эксперимент, направленный на использование грибов для выращивания структур в космосе - другой проект "микотектура" был одним из победителей прошлого года. Но проект этой команды будет сосредоточен на использовании другого аспекта гриба: минералов, которые он образует в определенных условиях, например, карбоната кальция, а не корнеподобных нитей, называемых мицелием.
Еще один победитель NIAC предлагает разработать гигантский лунный трубопровод, который сможет доставлять столь необходимый кислород астронавтам на будущей лунной базе. Благодаря текущей программе НАСА "Артемида" астронавты прибудут на Луну уже в 2026 году. Более длительные будущие миссии потребуют запасов кислорода на несколько недель или месяцев - и, возможно, для использования в качестве ракетного топлива. Переправлять баллоны с кислородом в космос так же проблематично, как и запускать строительные материалы, но производство газа на Луне может стать лучшим вариантом. Кислород можно получить в качестве побочного продукта при добыче водяного льда с помощью процесса, называемого электролизом.
Однако существует проблема логистики: лунная шахта может находиться не совсем рядом с лагерем. Лунный лед изобилует в постоянно затененных кратерах, но это также самые холодные места на Луне, и связь с ними и обратно может быть затруднена. Один из вариантов - производить кислород на месте кратера и доставлять его на базу на вездеходе, говорит Питер Куррери, бывший ученый НАСА, соучредитель и главный научный сотрудник компании Lunar Resources. Но, как он отмечает, "производство кислорода в одном месте и его перемещение с помощью сжатых канистр или дьюаров с роботами очень дорого и громоздко".
Предложение его команды состоит в том, чтобы выяснить, как построить 5-километровый трубопровод, соединяющий два района. Он будет строиться из сегментов с помощью роботов, используя металлы, такие как алюминий, извлеченный из лунного реголита. Сегменты будут свариваться вместе, и труба будет проходить в траншее или на подставке, что не так уж отличается от нефтяных труб на Земле. Скорость потока кислорода составит 2 килограмма в час, что вполне достаточно для будущих потребностей астронавтов НАСА. В настоящее время Куррери и его коллеги проводят технико-экономическое обоснование, рассматривая возможные затраты, наилучшую архитектуру трубы и возможность проведения ремонта с помощью роверов.
Некоторые из других обладателей грантов имеют более астрономический уклон. Например, Эдвард Балабан, ученый из Исследовательского центра Эймса НАСА в Калифорнии, изучает возможность использования почти нулевой гравитации космоса для формирования жидкостей для зеркал или линз гигантских космических телескопов. Они будут более мощными, чем существующие зеркала телескопов, которые часто изготавливаются из особого вида стекла и уязвимы к ударам микрометеороидов и тряске во время запуска. Диаметр зеркала также определяет, насколько далеко телескоп может разрешить объект в глубоком космосе, но сегодня это ограничено размерами ракеты-носителя.
"Зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба диаметром 6,5 метров - это чудо инженерной мысли. Потребовалось много творчества и технического риска, чтобы сложить его в виде оригами и поместить в кожух ракеты-носителя", - говорит Балабан, - а затем эта хрупкая конструкция должна была выдержать насилие при запуске. "Если мы попытаемся масштабировать это дальше, это станет еще дороже и сложнее".
Вместо этого, согласно его концепции "жидкостного телескопа", необходимо лишь запустить каркасную конструкцию - например, зонтикообразную спутниковую тарелку - и резервуар с зеркальной жидкостью, например, сплавами галлия или ионными жидкостями. После запуска жидкость будет впрыскиваться в каркас. В космосе капли слипаются из-за поверхностного натяжения, а досадная сила земного притяжения не мешает им и не искажает их форму. В результате получится невероятно гладкое зеркало, не требующее механических процессов, таких как шлифовка и полировка, которые используются для традиционных стеклянных зеркал. Затем оно будет прикреплено к другим компонентам телескопа с помощью автоматизированного процесса.
Проводя испытания на самолете и на Международной космической станции, его команда уже научилась делать линзы из жидких полимеров и определила, что объем жидкости определяет степень увеличения. Получив финансирование NIAC, они будут готовиться к следующему шагу: проведению испытаний небольшого жидкого зеркала в космосе в конце этого десятилетия. Их цель - разработать 50-метровое зеркало, но поскольку эта технология масштабируема, Балабан говорит, что можно использовать те же физические принципы для создания зеркала километровой ширины. Большое зеркало JWST делает его одним из самых чувствительных телескопов, когда-либо построенных, но, по его словам, для дальнейшего прогресса может потребоваться создание больших зеркал с помощью этого нового метода.
Закари Кордеро, исследователь астронавтики из Массачусетского технологического института, возглавляет еще один новый проект по разработке технологии производства в космосе под названием "формовка изгибом". Она предполагает сгибание одной нити проволоки в определенных точках и под определенными углами, а затем добавление соединений для создания жесткой структуры. Кордеро и его команда работают над конкретным применением: проектируют отражатель для спутника на высокой орбите, который может отслеживать штормы и осадки, измеряя изменения влажности в атмосфере.
Как и некоторые другие победители, его предложение направлено на решение проблемы создания действительно больших вещей в космосе, несмотря на ограничения по размеру и весу, связанные с полетами на ракете. "С обычными отражателями, чем больше вы делаете эти вещи, тем хуже точность поверхности, и в конечном итоге они становятся практически непригодными для использования. Люди десятилетиями говорили о том, как сделать в космосе 100-метровые или километровые отражатели", - говорит он. По его словам, с помощью их технологии можно запустить на одной ракете достаточно материала для 100-метровой антенны.
Среди других 14 победителей: предложение по развертыванию гидросамолета для полетов на Титане, самой большой луне Сатурна, и проект по созданию зонда с подогревом для проникновения в океан соседнего спутника, Энцелада, который окружен толстым внешним слоем льда, который ведет себя как камень, благодаря температурам ниже нуля.
Хотя некоторые из этих проектов не увенчаются успехом, программа помогает НАСА проверить границы возможного, говорит Лапуэнт: "Если проект провалится, он все равно будет полезен для нас. Если он сработает, это может изменить будущие миссии НАСА".
