Кампания по возвращению образцов с Марса – это попытка доставить образцы марсианского грунта и почвы на Землю, где они будут исследованы с беспрецедентной детализацией, используя все возможности наземных лабораторий.
Цель миссии или зачем нам марсианский грунт
Возврат пробы с Марса представляет собой веху в исследовании Солнечной системы и, в частности, в исследовании Марса и вопросах, касающихся его потенциальной обитаемости. Возвращение образцов Марса на Землю имеет большую ценность для учёных, в вопросах которые не могут быть решены с помощью полевых миссий. Приоритетная задача программы: добыть и доставить образцы с Марса, не загрязняя их земными микроорганизмами. Это необходимо, потому что визуальной идентификации, которую выполняют марсоходы, недостаточно чтобы учёные безоговорочно могли согласиться или опровергнуть жизнь на Марсе. Поэтому важно доставить образцы на Землю «чистыми» для детального изучения.
Потребность в добычи и исследование марсианского грунта, стало предположение, что миллиарды лет назад на Красной планете была такая же жизнь, как на Земле. Моделирование Марса показало, что планета обладала атмосферой, а на поверхности находились водоёмы. Всё это удалось выяснить с помощью работы марсоходов, однако перевезти на Марс всё необходимое оборудование, чтобы провести полный анализ временно не видится возможным. Именно поэтому была разработана миссия для возврата марсианских образцов.
Научная ценность и использование
Изучение марсианского грунта может решить многие вопросы учёных и помочь спрогнозировать будущее Земли:
- если в ходе изучения будет доказано, что прошлое Марса по биохимическому составу это наше настоящее, учёные смогут понять, почему жизнь там прекратилась и смоделировать по примеру будущее Земли;
- если грунт пригоден для земледелия, это значит, что у Земли появилась планета Б;
- также при доказательстве жизни на Марсе можно будет начинать моделирование возможного «переезда» человеческой расы на новую планету.
Как будут выглядеть предполагаемые биосигнатуры
Чтобы убедиться в наличии жизни на Марсе не обязательно находить целую бактерию или микроорганизм. Как заявил Кен Уилифорд (заместитель научного руководителя проекта) достаточно будет и доисторических биосигнатур в почве:
- строматолиты;
- фоссилии;
- изотопы углерода, водорода или азота;
- большие скопления изотопов металлов, которые отличаются участием в окислительно-восстановительных реакциях.
Именно эти элементы являются основополагающими в создании жизненных условий схожих с земными.
Планы возврата
Первые попытки осуществить сбор и привезти образцы с Марса были предприняты ещё в Советском Союзе в 1975 году, но она была отменена из-за не однократных отказов ракеты N1. Следующий полёт был запланирован на 1979 год, который отменили из-за сложности и технических проблем. Каждая попытка, даже неудачная, подготавливала благоприятную почву для развития следующих. Благодаря этому были сделаны первые шаги в освоении этой сферы знаний.
На протяжении десятилетий учёные выступали за возвращение геологических образцов. Одни планы сменялись другими. По ряду причин миссии отменяли, появлялись новые проекты:
SCIM «Сбор образцов для исследования Марса»
SCIM стал недорогим проектом — это программа миссии по возвращению марсианского грунта с пониженным риском и затратами, которая была предложена компанией Mars Scout. Проект позволит доставить, образцы мельчайших частиц пыли и воздуха проходя через атмосферу на высоте около 40 км над поверхностью планеты во время сбора, исключая выход на орбиту или посадку. Проект стал одним из четырёх финалистов, запуск отложен до 2024 года в пользу других приоритетных миссий.
План космические агентства США и Европы
Концепция совместной миссии NASA и EKA по проект ExoMars, конечной целью которой являлось возвращение образцов, не суждено было сбыться по ряду причин:
- Отмена кеширующего марсохода MAX-C из-за бюджетных ограничений.
- Выхода NASA из проекта ExoMars.
Такая ситуация отодвинула миссию на не определённый срок.
Сотрудничество возобновилось в 2018 году, а в апреле 2020 была представлена новая концепция обновлённой миссии:
- Персевирэнс будет собирать образцы и оставит их на поверхность для последующего извлечения.
- В июле 2026 года отправят к Марсу спускаемый аппарат с восходящей ракетой разработанной NASA и марсоход Sample Fetch Rover для сбора образцов предоставленный ЕКА. Они спустятся в кратер Езеро, где новый марсоход соберёт спрятанные образцы и транспортирует их на восходящую ракету.
- После загрузки контейнера с образцами марсианская восходящая ракета будет запущена весной 2029 году на орбиту Марса.
- Созданный EKA орбитальный аппарат запустят в октябре 2026 году, к июлю 2028 года он займёт надлежащую орбиту, заберёт контейнер с пробами на орбите и вернёт его на Землю в 2031 году.
Рассматриваемые варианты NASA
На рассмотрение NASA было представлено три варианта проекта возврата образцов породы с Марса:
- Поездка с одним запуском. Силовая установка с плазменно реактивным двигателем, работающая на солнечной энергии могла бы позволить запустить все аппараты за один запуск. Используя двигатель Холла потребовалось бы меньше топлива, что позволило бы запустить спускаемый и возвращаемый космический аппарат вместе.
- Полёт с двумя запусками. В данном проекте планируется осуществить два запуска с промежутком около четырёх лет. Первый доставит орбитальный аппарат, второй предназначен для посадочного модуля. Именно второй запуск будет включать в себя марсианский восходящий аппарат.
- Поездка в три запуска. Наиболее эффективной выглядит миссия при разделении возвращения образцов грунта на три этапа. При данном развитии марсоход по сбору образцов почвы запускается отдельно, чтобы по приземлению на поверхность сделать анализ и добыть пробы в период не меньше пяти ста солей (определение марсианских дней). Через четыре года планируется запуск орбитального аппарата, в след за которым отправится аппарат для спуска и восхождения на Марс. Полномасштабный вездеход должен быть заменён на более простой для исполнения одной только функции – изъятие контейнера с образцами марсианского грунта и возвращение в основной модуль для загрузки на МВА.
В ходе обсуждений было принято решение воспользоваться проектом трёхступенчатого запуска. Так как благодаря разделению задач снижается риск потерять все образцы и аппараты разом. Кроме того позволяет избежать на затраты разработки и испытания ещё одной системы посадки с нуля. А возобновлённое сотрудничество с EKA, и распределение обязанностей уменьшают стоимость миссии для каждой заинтересованной стороны.
Сбор образцов как это будет
Первый элемент миссии является марсоход Персевирэнс. В течение всего времени Perseverance будет использовать бур для сбора образцов горных пород и реголита из различных мест, сосредоточив внимание на породах, которые образовались в воде или были изменены водой. Такие образцы с Марса могут содержать признаки древней органической жизни.
Perseverance будет собирать образцы грунта и горные породы, чтоб упаковывать их в стальные трубки. Марсоход Perseverance имеет 43 пробирки. Пять пробирок будут пустыми — они не будут заполнены марсианскими образцами — чтобы помочь учёным, анализирующим образцы, разобраться, какие молекулы пришли с Марса, а какие возникли на Земле. Собранные примеры грунта будут надёжно спрятаны на протяжении всего пути прохождения Perseverance.
Не ранее 2026 года NASA и ЕКА двумя запусками начнут поисковую миссию, отправят на Марс посадочную платформу с MAV и мобильного робота для сбора образцов. Марсоход Sample Fetch Rover в течение полу года будет совершать ежедневную прогулку до 200 метров, чтобы собрать образцы и поместить их в ракету на палубе посадочного модуля, называемую Mars Ascent Vehicle, или MAV. Нагруженный образцами MAV должен затем взлететь на марсианскую орбиту.
Высоко над Марсом образцы встретятся с другим орбитальным аппаратом Earth Return Orbiter ЕКА, оснащённый оборудованием NASA для захвата, который должен будет забрать образцы домой.
Наземные операции Персевирэнс
Как по плану проявит себя Perseverance во время наземных операций:
- Поиск опытных образцов. Особое внимание будет уделено грунту, который образовался в воде или был изменен ею. Вода-это ключ к жизни, какой мы её знаем. Такие породы ещё более интересны, если в них есть органические молекулы, химические строительные блоки жизни на основе углерода. Особые типы горных пород могут сохранять химические следы жизни на протяжении миллиардов лет. Поиск пород, которые образовались в воде, имеют биохимические строительные блоки и могут сохранять признаки органики являются ключевыми.
- Сбор образцов горных пород. Как только учёные идентифицируют интересующую их горную породу, Perseverance высверлит из неё образец на глубину 5 сантиметров.
- Резервация грунта с Марса. Марсоход поместит марсианские образцы, в стальные контейнеры и запечатает их. Каждый образец будет весить около 15 грамм.
- Запечатанные контейнеры будут храниться на борту Персевирэнс до тех пор, пока команда не решит где их сохранить на поверхности, чтобы будущая миссия могла извлечь и вернуть их с помощью ровера от ЕКА Sample Fetch Rover
Когда прибудут образцы с Марса даты и сроки
В середине 2006 года международная группа по архитектуре Марса для возвращения образцов заявила о возможности привезти грунт в 2018-2023 году. А в октябре 2009 NASA и ЕКА учредили совместную работу по исследованию марсианского грунта для возвращения образцов пород Марса ориентировочно в 2020 году, при условии запуска в 2018. Однако отмена запуска MAX-C отдалила миссию на неопределенный срок. Но, после пересмотра программы были назначены новые даты трехступенчатого запуска. Первый нацелен на 2020 год, второй 2026 и возврат к 2031 году.
В планах конкурирующих стран с датами пока поделился только Китай. Заявлен возврат к 2030 году.
Дополнительные планы
Также проекты добычи опытных образцов разрабатывают и другие страны:
- Китай. Разработал систему для возврата марсианского грунта уже к 2030 году. По плану программа включает в себя зондирование поверхности на дистанционной основе, успешную высадку, применение марсохода для сбора почвы и успешный возвращение образцов.
- Франция. Много лет страна занимается разработкой миссии для получения образцов с Марса. Сейчас они работают в совместной миссии с NASA, где их роль отведена на разработку орбитального аппарата для возврата и спускаемого ровера для сбора пробирок с грунтом.
- Россия. Программа возврата грунта была нацелена на спутник Марса Фобос и имела название Фобос-грунт. Аппарат вышел на орбиту Земли, но последующие команды вывести аппарат в направлении цели потерпели неудачу. В 2012 году были озвучены дальнейшие планы на 2020 год перезапуска миссии Фобос-грунт-2, но поскольку было достигнуто соглашение с ЕКА в программе ExoMars некоторые инструменты разработанные для Фобос-грунт были запущены на орбитальном аппарате ExoMars Trace Gas Orbiter. В 2014 году были озвучены планы повторения миссии Фобос-грунт примерно в 2024 году. В настоящее время рассматривается новая миссия Марс-грунт на 2026 год.
- Япония. В июне 2015 года JAXA известило о миссии возвращения образцов со спутника Марса – Martian Moons Explorer. Этот план основан на прошлом опыте, приобретенном в ходе проектов “Хаябуса-2” и “Слим”. Также Япония обозначила свой интерес участия в интернациональных миссиях по возвращению образцов с Марса.
Цена грунта
Цена марсианских пород невероятно высока из-за сложности привезти грунт на Землю. По средним подсчётам уже потрачено около 8,5 млрд долларов:
- 1,5 млрд долларов вкладывает ESA;
- на создание MAV предполагается около трёх млрд долларов;
- 2,4 на Perseverance;
- Остальное на сопутствующие расходы.
Как забрать почву с марса и не заразить землю
Потребуются тщательные меры для защиты образца, чтобы избежать загрязнения Марса организмами с Земли и наоборот. Миссия по возврату образцов на Марс должна будет соответствовать более строгим требованиям планетарной защиты, чем любая миссия, выполняемая до настоящего времени.
Чтобы исключить любое прикасание образцов с внешней средой планируется оснастить марсоход специальными контейнерами для резервации грунта еще на Марсе. Самая большая сложность состоит в том, чтобы защитить контейнеры от повреждений при входе в атмосферу земли и непосредственно при приземлении. Поэтому входная капсула должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать отказ парашюта. Вернувшийся орбитальный аппарат выпустит модуль с защищённым тепловым экраном, чтобы он спустился через атмосферу Земли в 2031 году. Инженеры рассматривают возвращение капсулы без парашюта. Вместо этого бронетранспортёр на высокой скорости врежется в землю.
Представители NASA заявляют, что испытания на падение показывают, что образцы все ещё будут в хорошем состоянии после высокоскоростной посадки, а контейнеры с пробами, были спроектированы с учётом возможности возврата без парашюта.
Что из себя представляет контейнер
Контейнер, представляет собой небольшую шарообразную емкость отдаленно похожую на футбольный мяч. Внутри этой емкости представлены трубчатые отделения для сбора образцов земли с Марса, что визуально похоже на пчелиные соты, в которых расположены герметично закупоренные трубки с грунтом. Один контейнер в силах вместить до 31 опытного образца.
Меры защиты
По прибытию на Землю образцы жизни с Марса будут помещены на карантин, как это происходило с пробирками, прибывшими с миссией «Луна-Луна» и «Апполон». Изоляция произойдет внутри аппарата по приему проб и появится возможность поработать ещё с не откупоренными трубками, на которых могла осесть инопланетная пыль. Далее планируется создать схожую с марсианской среду путем воздействия радиации, давления и других показателей. Однако, проблема вскрытия образцов с наименьшим риском заражения «местным» химическим составом по-прежнему находится в стадии разработок.
Марс на Земле что дальше
Как только образцы грунта окажутся на нашей родной планете, учёные планируют провести детальный химический и физический анализ в лабораториях, чтобы найти признаки прошлой жизни на Марсе и выполнить многие другие исследования, выходящие за рамки возможностей приборов, доставленных на Марс.
Возвращение образцов с Марса станет огромным достижением для науки о Марсе и исследования Солнечной системы. Образцы существенно улучшат наше понимание Марса, истории нашей Солнечной системы и помогут нам спланировать будущие исследовательские миссии.