03.04.2019. - Колония на Марсе и добыча ископаемых на астероидах

Колония на Марсе и добыча ископаемых на астероидах

Как хорошее образование помогает бороздить просторы Вселенной и есть ли будущее у космического стартапа? Рассказывает директор Космического центра Сколковского института науки и технологий профессор Антон Иванов.

Антон Иванов — выпускник МИФИ, доцент, директор Космического центра Сколковского института науки и технологий (Сколтех). В 2000 году получил PhD по планетологии в Калифорнийском технологическом институте. Работал в Лаборатории реактивного движения (NASA JPL), где участвовал в проектах Mars Global Surveyor, Mars Odyssey, Mars Express и Mars Science Laboratory. Занимался исследованиями в Космическом центре Швейцарской высшей политехнической школы в Лозанне (EPFL). Антон Иванов участвовал в проектах CubETH и Astrocast, руководил эскизным проектом для спутника CHEOPS (запуск — октябрь 2019), был ответственным за образовательную программу по космическим аппаратам в EPFL. Лаборатория, которой Иванов руководит в Сколтехе, занимается стратегическими разработками космических систем нового поколения.

— Сегодня основная деятельность человечества в космонавтике сосредоточена на околоземной орбите. И это логично: такие отрасли, как телекоммуникации или спутниковая съемка, окупаются, а пилотируемые полеты к Марсу и тем более к соседним звездам — нет. Можно ли это изменить, или стоит смириться, что максимум, чего остается ждать, это космические путешествия роботов?

— Есть четыре основных приложения космонавтики: дистанционное зондирование Земли, навигация, связь и научные исследования. Первое — дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), куда входит метеорология, точное земледелие, мониторинг лесов. Все эти приложения сейчас развиваются, и Сколтех активно занимается исследованиями в этих областях. Самым интересным направлением с точки зрения финансирования будущего развития, пожалуй, является навигация. Существуют европейская, американская, китайская, российская системы, и все они финансируются государством. Но прибыль получает далеко не государство, а частные компании. Что бы «Яндекс.Такси» или Uber делали без GPS, без GLONASS? Мы часто возмущаемся, когда навигатор неверно определяет наше местоположение, и даже не задумываемся, что точность определения геопозиции зависит от множества вещей, включая процессы в ионосфере и отражения сигналов от стен домов, что это очень сложная система.

Что касается полетов на Луну, на Марс — недавно я поставил перед студентами вопрос: что нужно, чтобы завезти на Марс колонию из шести человек? Шесть — минимальный размер долгосрочной колонии, где представлены самые минимальные специальности — инженер-механик, медик, ученые со смежными специальностями. Мы выбрали хитрое место — на полярной шапке Марса.

— Где замороженная углекислота?

— На обоих полюсах Марса есть постоянные ледники толщиной в три километра, и это более-менее чистый лед. Сверху во время марсианской зимы формируется примерно метр льда из углекислого газа — практически атмосфера «схлопывается» и замерзает.

Все марсоходы находятся недалеко от экватора и это очень сухие области. Это как садиться в Сахару и искать там воду. На полюсах есть свои проблемы: там полярные ночи, там еще холоднее, чем в среднем на Марсе. Тем не менее, вам не нужно везти воду с Земли — стоит лишь пробурить и растопить. В результате наших расчетов выяснилось, что нужно посадить на Марс порядка 100 тонн грузов — строительных материалов, надувных конструкций, оборудования для лабораторий, системы коммуникации. Текущие наши возможности — это марсоход Curiosity, он весит порядка двух тонн. Соответственно, представьте, сколько нужно носителей. А ведь еще нужен запасной аппарат, чтобы в случае необходимости покинуть планету.

Теперь мы уже начинаем думать, какая должна быть логистика. Здесь, в этой комнате, мы проводим наши занятия — studies, по-русски мне больше всего нравится слово «этюды». Это такие небольшие задачи, на которые мы разбиваем большое исследование о том, как создать колонию из нескольких человек на Марсе. Одна задача — какую ракету мы будем использовать. Другая — как мы хотели бы организовать передачу данных с Марса. Все это помогает примерно рассчитать стоимость проекта. Студенты делятся на группы, есть ответственные за каждую систему: конструкторы, электронщики, отвечающие за программное обеспечение и так далее. Суть параллельного проектирования — собрать всех вместе для мозговых штурмов, это помогает более эффективно обмениваться информацией, что удобнее, чем долгая переписка в электронной почте или телефонные разговоры. Самое главное в этом процессе — кофе. Очень часто люди стесняются высказывать комментарии или идеи при всех, но, если кому-то есть что сказать, во время кофе-брейка он может поделится своими мыслями хотя бы с одним человеком, и идея не пропадет. Еще важна роль координатора — человека, который управляет обсуждением. Он должен четко представлять, какие результаты необходимо получить.

— Одно из направлений космических исследований — поиск способов добычи полезных ископаемых в космосе. Чаще всего говорят об астероидах, которые могут на большой процент состоять из различных видов ценной руды. Однако найти и добыть их — это еще полдела, нужно как-то доставить все на Землю: то ли везти руду, то ли целый астероид буксировать, но это же стоит космических денег. Что планируется делать, чтобы окупить затраты на оборудование и топливо?

— Экономика тут проста. Представим, что вам повезло: вы нашли никелевый астероид весом 20 тонн. Послали шаттл, он привез этот астероид с района орбиты Марса. На это придется потратить в долларах миллиардов пять (для сравнения: миссия на Марс стоила два миллиарда). В принципе, это не очень большие деньги, США тратят на оборону намного больше. Но что из этого получится? Из-за астероида никель на Земле обесценится. К тому же добывать его на Земле гораздо дешевле.

Если никеля вообще не станет, или, например, лития, и мы не сможем делать батарейки, тогда будет другой разговор. Но, как правило, такими проектами никто не занимается — нет лития, сделаем батарейки из чего-нибудь другого. А астероиды и отслеживать сложно, они же темные и плохо отражают солнечный свет, и исследовательская программа тоже должна быть хорошая. Пока что это не очень реалистично.

— Сколтех же тоже что-то делает по этой теме?

— Да, тема стала очень популярной в последнее время, и мы решили посмотреть, что с этим можно сделать. Я предложил одному из моих студентов, Шамилю Биктемирову, придумать такую модель экономики, при которой можно будет переправлять ресурсы с астероидов на Марс, и посмотреть, будет ли это дешевле, чем везти их с Земли. По его первичным расчетам, за два-три года мы можем привезти на Марс с астероидов в пять раз больше материалов, чем с Земли. Просто потому, что так ближе. Но пока мы смотрели только на баллистику — еще не рассчитали, как лучше садиться, как бурить, складывать ли все предварительно на Фобосе или какой-нибудь орбитальной станции, а потом забирать буксиром, или сразу сажать на планету… Шамиль еще встроил некую функцию потребления, учитывая, когда какие материалы будут нужны.

Но это мы говорим про 2100-й год. Сейчас в развитых странах очень много денег уходит на оборону. Если вдруг все страны станут миролюбивыми и решат, что лучше направить оборонные бюджеты на освоение космоса, общечеловеческая идея освоения Марса имеет право на жизнь. Но пока она не сработает по ряду причин. Например, у американцев срок в Конгрессе — четыре года, поэтому трудно планировать долгосрочные проекты. Бюджет НАСА самый большой из всех космических агентств, но нужно быть реалистичными. В Европе как раз наоборот, цикл планирования очень длинный, и ESA могли бы что-то сделать, но их бюджет гораздо меньше, чем у NASA. А так — кто знает, может, Илон Маск доведет свои ракеты до такого совершенства, что каждый запуск будет стоить 1000 долларов, и вместо аэропортов будут космодромы.

— Да, космическая отрасль — вообще дорогое удовольствие. Однако в США и других странах активно развивается частная космонавтика, тот же Илон Маск всему миру известен, хотя пока и непонятно, добьется ли он в итоге тех целей, к которым стремится. Что сейчас происходит в России с частным сектором? И у нас есть же компании, стартапы…

— Большая разница между российской частной космонавтикой и американской частной космонавтикой состоит в том, что Илон Маск продал PayPal и решил вложить эти деньги в освоение космоса. Другой «великий космонавт», Джефф Безос, владеет Amazon, он один из самых богатых людей на планете. Они получили хорошее образование и теперь решили, что одна из самых интересных задач для человечества — обеспечение дешевого вывода ракет в космос. И они вкладывают собственные деньги, хотя, естественно, получают гранты и софинансирование от NASA.

У нас путь стартапа — это молодые люди, получившие хорошее образование на Физтехе, в МГУ или в Самарском университете. Естественно, денег у них никаких нет. Те деньги, которые удается привлечь на старте проекта, быстро заканчиваются. Роскосмос, как, впрочем, и другие космические агентства, очень консервативно подходит к новым веяньям в технологиях. В США сейчас нарабатывается опыт взаимодействия между частниками и государственными организациями. Конечно же, этот опыт нужно изучать и перенимать лучшее. Космонавтика — область весьма консервативная: на любое продвижение вперед требуется большое количество рискованных вложений.

— По каким основным направлениям работают такие проекты?

— Где сейчас можно прорваться, не имея собственного PayPal за спиной, так это в рынке малых космических аппаратов, именно это мы пытаемся делать в Сколтехе. Недавно у компании «Спутникс» был огромный успех — запуск «СириусСат-1» и «СириусСат-2», собранных детьми. Что бы о них ни говорили — что они игрушечные, что ничего интересного они не передают — они работают и передают научную информацию. Другие попытки запустить малый космический аппарат на частные деньги российских разработчиков закончились неудачей по разным причинам. А в космонавтике важна надежность. Почему все любят «Протон»? У них больше 90% успешных запусков. Естественно, их все покупают. Сейчас «Спутникс» продолжает делать кубсаты, дела пошли в гору. Они очень сильно развивают тему образования в космонавтике, делали оборудование, конструкторы для «Сириуса».

— Расскажите о кубсатах «Сириус-1» и «Сириус-2»: удалось ли с их помощью получить какие-то новые, ценные данные?

— Каждый запущенный аппарат несет в себе что-то интересное. Технологическая отработка систем, в том числе системы связи, — это уже большое дело. Это позволяет узнать, какие могут быть ошибки системы, как ориентировать спутники, как принимать с них данные. На них стоит и полезная нагрузка.

— Датчики частиц, определяющих «космическую погоду»?

— Да, но, чтобы понять достоверность научной информации, надо собрать статистику. Детекторы включили всего пару месяцев назад. Физикам нужно сначала получить достаточно данных, чтобы определить, что есть шум, а что есть сигнал в детекторе. Это займет какое-то время, но пару-тройку научных статей вполне можно будет написать — тем более, что спутников два. Так что не надо думать, что они только демонстрационные. Это хороший эксперимент, и на его базе появилась мысль сделать не два, а шесть спутников, посмотреть, что можно сделать при помощи роя скоординированных спутников.

— Кстати, про рой. Я видела новости о том, что Сколтех и РКК «Энергия» обсудили проектирование роя миниатюрных космических аппаратов. Что можно будет сделать при помощи роя спутников, чего не получается без этой технологии?

— До появления кубсатов вся нагрузка устанавливалась на один спутник. Так осваивали Луну, изучали Марс и Венеру. В чем минус? Он «смотрит» в одну точку, находится в одной координате. Есть у вас некий процесс, который вы хотите посмотреть одновременно и сразу, например, ионосферу Земли, которая сильно влияет на прохождение сигналов навигационных систем. Поправки на ионосферу делать очень сложно, ведь состояние ионосферы, оно как погода — все время меняется. Если вы что-то нашли в одном месте, то, во-первых, через пять минут его там не будет, во-вторых, в других местах тоже что-то происходит. То есть вам нужно много-много одновременных измерений в разных точках. Но для каждого измерения сложно и дорого делать большой спутник, маленькие намного удобнее. За такой многосенсорностью будущее.

Какая здесь может быть проблема? Каждый спутник должен делать замер в одно и то же время. Надо, чтобы у них была специфическая ориентация в этот момент, чтобы они реагировали на события, которые произошли на другом спутнике. Если один заметил аномалию, следующий, который летит за ним, должен сразу подключиться, чтобы успеть ее зарегистрировать.

Например, гамма-вспышки от далеких звезд (так называемые gamma-ray bursts) длятся от трех до сотни секунд. Когда один спутник в рое ее увидит, он может сигнализировать другим, чтобы они успели перестроиться и смотрели на нее. И у нас в планах сделать так, чтобы они еще послали телеграмму на Землю, чтобы наземные телескопы тоже направились на эти координаты.

Сегодняшние спутники летят по программе, они не оснащены искусственным интеллектом (ИИ). Есть задания: камеру включить в такое-то время, настроиться, повернуться, передать данные. Сам по себе спутник глупый, если он обнаруживает что-то не то, он говорит: «Я выключаюсь, жду команды с Земли». Так что следующий шаг — фактически внедрение ИИ на спутниках, чтобы они сами соображали, что им делать в этой ситуации. Роевой спутник обязательно должен обладать хотя бы минимальным интеллектом.

— Как вообще выглядит рой спутников? Рой дронов легко себе представить: вот они летают все вместе, кучкой. Спутники так не могут.

— Это скоординированная группа спутников, хотя лететь они могут на большом, с нашей точки зрения, расстоянии. Это не как рой пчел. Рой дронов — нечто более физическое. Хотя в Сколтехе есть разработки и на эту тему, и некоторые технологии от роя дронов перейдут на рой спутников. Хотя выглядеть он будет не как рой, все-таки надо учитывать законы небесной механики.

— Понятно. Вернемся к частной космонавтике. Вы рассказали про «Спутникс» — а в других компаниях как обстоят дела?

— В Dauria Aerospace сейчас период переформатирования, что там будет — не знаю. Есть еще другие околокосмические стартапы, они находятся на разных стадиях. Компаний мало, с финансированием тяжело, потому что все так или иначе зависят от государственных инвестиций. А инновации востребованы только в конкурентной среде. Когда есть конкуренция на рынке космической техники, все соревнуются, ищут новые пути снизить себестоимость, тогда начинают смотреть на стартапы.

— А у нас фактически государственная монополия.

— Да, большая монолитная корпорация, которая не хочет рисковать государственными деньгами, что правильно, и их мотивация тоже понятна.

— Что, по-вашему, можно сделать для поддержки частной инициативы в российской космонавтике? Или остается только ждать, пока в нее потянутся олигархи, желающие увековечить свое имя в названии, условно, марсианской космической станции?

— Тот же «Спутникс» поддерживается состоятельным человеком, который не имеет отношения к космонавтике вообще. Единственный способ инвестиций в частную космонавтику — это когда люди, у которых много денег, решают, что хотят ее поддерживать.

Но представьте, придет в венчурный фонд два проекта. Одни предлагают запустить спутник дистанционного зондирования Земли, допустим, он будет лучший в мире. Строить его будут года три. Существовать он будет лет пять. Спросят их про конкуренцию, про объемы продаж, и увидят, что маржа будет 10%. И приходит команда с технологиями ИИ, предлагает пересчитать всех кошек на Земле. Сколько им нужно времени? За шесть месяцев алгоритм напишут, еще через шесть пересчитают. Маржа будет 50%. Подумают в фонде и вложатся в ИИ: в случае со спутником прибыль маленькая, а ждать ее придется несколько лет.

В Сколтехе мы не ставим задачу решить эти проблемы, это не в наших силах. Мы со студентами собираем кубсаты (миниатюрные спутники, от английского сокращения CubeSat, Cube + Satellite — прим. Indicator.Ru) в образовательных целях, чтобы студенты тренировались в сборке спутников, чтобы они понимали, что мало систему собрать, надо еще и как следует протестировать.

— Какие прикладные задачи в космической отрасли сегодня, на ваш взгляд, можно считать самыми актуальными? С какими из них работает Сколтех?

— Среди актуальных вопросов, которыми мы занимаемся — развитие новых алгоритмов дистанционного зондирования Земли, популяризация ДЗЗ и того, как его можно использовать для коммерческих структур, какие задачи оно позволяет решать. Во многих областях ДЗЗ может помочь снижению затрат, надо только уметь им пользоваться. Также мы будем вести работу в области искусственного интеллекта у спутников, развивать интеллектуальные возможности у малых спутников. Мы будем заниматься методами проектирования, изучать, как сократить время проектирования. Есть подход, который называется model-based systems engineering, он помогает увеличить продуктивность в проектных командах. Его очень ценят сейчас в Европе. Мы слышим от европейских компаний жалобы, что студенты, приходящие к ним работать, не знают, что это за подход. У наших студентов есть конкурентное преимущество.

Также у нас будет совместный робототехнический центр. У наших спутников наработано много алгоритмов по устойчивости систем, а многие дроны, которые вы видите, паяются практически на коленке в Китае и часто ломаются. Соответственно, такое объединение всем принесет пользу, можно будет поделиться технологиями. Также мы будем искать способы коммерциализации навигационных систем — как мы помним, вкладывает в них государство, а прибыль получают совсем другие компании. Наукой заниматься тоже будем, конечно, исследованиями Солнца, Луны и планет.

— Сколтех активно участвует в дополнительном образовании школьников в космической сфере, проводит конкурсы и проектные программы вместе с Роскосмосом и образовательным центром «Сириус». Полвека назад каждый подросток мечтал стать космонавтом — много ли желающих участвовать в таких мероприятиях сегодня? Мне кажется, эта сфера переживает упадок.

— Да, в 70-х — 80-х годах был гораздо больший интерес к инженерной профессии, а сегодня все хотят быть экономистами, программистами, докторами. Это мировой тренд, с этим ничего нельзя поделать. Даже из тех, кто хотел бы заниматься инженерными науками, всего процентов десять могли бы заниматься космосом. Мы стараемся найти именно таких ребят — ищем в первую очередь не отличников и победителей олимпиад, а людей, которые мотивированы именно на космос, которые старательны, работоспособны и обучаемы.

Всероссийская программа «Дежурный по планете» организована совместно с Фондом содействия инновациям, Фондом «Талант и успех», Роскосмосом и Сколтехом, а также Кружковым движением НТИ. Основной целью программы является вовлечение школьников и студентов в космическую деятельность. В рамках программы объявлены конкурсы по космической тематике. Подробную информацию о конкурсах и призах можно найти на spacecontest.ru и в специальной группе вКонтакте. Проектный офис программы находится в Сколковском институте науки и технологий.

Справка

Сейчас в нашей программе Дежурный по планете зарегистрировано свыше 3000 участников, и мы надеемся, что их число увеличится вдвое. Подробную информацию можно найти на сайте программы, а также в официальной группе в ВКонтакте и на сайте spacecontest.ru.

Мы объявили несколько разных конкурсов: по обработке снимков, по приему информации, по созданию наноспутников и бортовых систем. Занятие найдется для каждого — и для того, кто хочет программировать, и для того, кто любит что-то делать руками, и для того, кто хочет изучать снимки со спутников. Программа реализуется совместно с Образовательным центром «Сириус» и на базе ЦМИТов, разбросанных по всей стране — в Красноярске, в Бийске, в Краснодарском крае (Курганинск). Мы начинаем активную кооперацию и с Владивостоком, в планах — с Благовещенском, потому что там рядом космодром «Восточный». Так что география обширная.

Для детей из регионов наша программа служит своего рода социальным лифтом. Мы находим мотивированных детей, которые хотят учиться и заинтересованы в космических технологиях, и следующим шагом направляем их в «Сириус». В начале марта этого года у нас прошла космическая смена в «Сириусе». Мы набрали около 100 человек: конкурс был примерно 15 человек на место, и это только первый год — в следующем году мы продолжим развивать программу и приглашаем школьников принять участие в новых конкурсах. Самое главное, что дети, попавшие в программу, будут рассказывать, как благодаря ей у них получилось поступить в профильные университеты, привлекая новых участников, а лет через пять мы надеемся увидеть их уже здесь, в Сколтехе. Для нас это долгосрочный проект.

Источник