В следующем году впервые за последние 50 лет NASA отправит миссию на поверхность Луны. Начиналась она в неприглядном местечке: низеньком здании, зажатом между парой кафе в окрестностях реки Огайо.
Небольшое здание в Питтсбурге, которое когда-то было центром обработки данных, теперь является домом для Astrobotic – одного из нескольких стартапов, выбранных NASA для доставки полезной нагрузки на поверхность Луны в рамках программы Commercial Lunar Payload Services (CLPS) стоимостью 2,6 миллиарда долларов. Агентство надеется, что начиная со следующего года, посадочные аппараты CLPS будут совершать высадки на поверхность Луны не реже двух раз в год. По словам планетолога Бретты Деневи из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, такие темпы просто поразительны в свете десятилетий застоя американской селенологии.
Мы так долго вели разговоры обо всём этом. Удивительно видеть, как мечты превращаются в реальность.
Как отмечает Стюарт Бэйл – специалист в области космических исследований из Калифорнийского университета в Бёркли, – даже не имея в руках ни одной успешной миссии, программа CLPS уже смогла радикально изменить облик наук о Луне: «Это напоминает Дикий Запад – бедновато, простовато и дёшево». Не требующие долгих проверок инструменты могут быть разработаны, запущены и опробованы в течение нескольких лет. Они смогут принести много новых открытий: карту не так уж и давно обнаруженных подповерхностных залежей воды; первые со времён программы «Аполлон» исследования недр Луны; изучение магнитных аномалий и совершенно новый взгляд на магнитное поле Земли и дальний космос.
В один из июньских дней в Astrobotic все стояли на ушах: компанию посетил глава научного отдела NASA Томас Цурбухен. Вооружённый швейцарским акцентом и тревожной прямотой, он прибыл в штаб-квартиру компании и обнаружил, что большая часть здания превратилась в строительную площадку – работы затянулись из-за пандемии. Однако центр управления полётами и высокий цех для сборки посадочных аппаратов были готовы. Молодой генеральный директор компании Джон Торнтон заверил Цурбухена, что всё идёт по плану, и запуск космического аппарата Peregrine состоится в 2022 году: на год позже, чем планировалось изначально.
Программа CLPS – детище Цурбухена. Она была создана по образу и подобию инициатив CRS (Commercial Resupply Services) и CCP (Commercial Crew Program), в рамках которых частные компании занимаются извозом грузов и экипажей на Международную космическую станцию. Участники CLPS получают фиксированные выплаты за доставку научного оборудования на поверхность Луны при минимальном контроле со стороны NASA.
Томас предложил реализовать эту программу в 2017 году в попытке увеличить научный бюджет агентства, одновременно пытаясь угодить администрации Дональда Трампа, которая стремилась к возвращению человека на Луну.
Но нет никаких гарантий, что эта новая модель будет работать. Некоторые учёные жалуются, что процесс отбора приборов и выбора мест посадки непрозрачен, поскольку не опирается на традиционную оценку со стороны экспертов. «Мы хотим получать больше информации о том, как происходит выбор мест», – говорит Эми Фаган, планетолог из Университета Западной Каролины и председатель консультирующей NASA аналитической группы по исследованию Луны. Фаган и некоторые другие учёные беспокоятся, что у CLPS нет долгосрочной программы научных исследований. «В чём заключается общая цель?» – спрашивает она.
Технические проблемы также выглядят пугающе. Инженеры и специалисты в области космических исследований хорошо помнят 2019 год, когда аппараты из Индии и Израиля не смогли совершить посадку на поверхность Луны, тем самым доказав, насколько сложной и рискованной может быть такая затея. «Мы были напуганы неудачами Индии и SpaceIL, – говорит планетолог из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере Роберт Гримм, который создал научные приборы для двух посадочных аппаратов CLPS. – Умные люди есть по всему миру. Так что же они сделали не так?»
Цурбухен с самого начала позиционировал CLPS как рискованный проект. Он утверждал, что учитывая ограниченный контроль за созданием и эксплуатацией посадочных аппаратов со стороны NASA, неудачей могут закончиться до половины всех миссий. Одна или две аварии на ранних этапах могут сорвать программу, что вызовет сомнения в её целесообразности со стороны Белого дома или Конгресса. «Приоритет номер один – убедиться в том, что первая миссия будет успешной», – говорит селенолог Клайв Нил из Университета Нотр-Дам. И на компанию Astrobotic, стоящую одной из первых в очереди, возлагаются большие надежды.
Торнтон почувствовал интерес к космосу в 1997-м. Тогда он учился в пятом классе: миссия NASA Pathfinder только что совершила высадку на поверхность Марса, доставив на Красную планету марсоход Sojourner. «Я подумал, что это самая крутая вещь на свете», – говорит Джон. На занятиях в классе он построил модель марсохода из LEGO.
Позже Торнтон изучал инженерное дело в Университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге, где работал с знаменитым робототехником Уильямом Уиттакером. В 2007 году, когда Джон уже заканчивал университет, был объявлен конкурс Google Lunar XPRIZE: призовой фонд в 30 миллионов долларов для команд, которые смогут высадить на Луну роботизированные зонды. Торнтон оказался перед выбором. Он имел возможность пойти в большую аэрокосмическую промышленность, где, по его словам, смог бы провести всю свою карьеру, неспешно работая над несколькими космическими аппаратами. Или «ввязаться в лунную авантюру».
Генеральный директор компании Astrobotic Джон Торнтон. Источник: Astrobotic.
В качестве инженера он присоединился к компании Astrobotic, которую в тот момент возглавлял Уиттакер. В те дни Astrobotic обходилась скромными грантами NASA на развитие технологий. Контракты становились всё крупнее, укрепляя авторитет фирмы. И когда в 2013 году Торнтон возглавил её, компания сосредоточилась на бизнесе по доставке полезной нагрузки на Луну. По его словам, отправка грузов на орбиту была обычным делом, поэтому он подумал: «Почему бы не доставлять их и на Луну?» Но вскоре стало ясно, что 20 миллионов долларов, которые получил бы главный призёр конкурса Google Lunar XPRIZE при условии выполнения задания до конца 2018 года, были не той суммой, на которой можно построить бизнес. Как говорит Джон: «Мы увидели дурной знак».
Ни один из участников конкурса так и не достиг конечной цели. Но Цурбухен, который до перехода в NASA в 2016 году работал специалистом в области космических исследований Мичиганского университета, видел открывающиеся возможности. Когда администрация Трампа выразила заинтересованность в возвращении на Луну, он решил разузнать о том, являются ли некоторые участвовавшие в конкурсе команды полноценными компаниями. Всё выглядело, будто так и есть, и Цурбухен подумал, что если эти компании будут предлагать дешёвые услуги, то у NASA появится быстрый путь на Луну. Он воспользовался уникальной возможностью вовремя: Администрация и Конгресс дали согласие.
Чтобы сократить расходы, NASA объявило конкурс на выбор научных приборов, которые, по сути, лежали на полке. Некоторые из них были созданы для ранее предложенного лунохода Resource Prospector, который в итоге был отменён. Другие были разработаны на основе неопробованных приборов, предназначенных для метеоракет, орбитальных космических зондов и даже отложенного европейско-российского посадочного аппарата. Как сказал Гримму один из сотрудников NASA в начале программы: «Мы так сильно нуждаемся в полезной нагрузке, что готовы лететь на Луну с кирпичами».
В мае 2019 года NASA выбрало первые два американских посадочных аппарата, которые доставят научное оборудование на Луну: Peregrine от Astrobotic и Nova-C от Intuitive Machines (третий аппарат вышел из этого списка, поскольку стало известно, что основная деятельность с ним будет осуществляться через Индию). Эти посадочные модули высадятся на доступных ровных площадках в экваториальной области Луны: Astrobotic отправит свой аппарат в Озеро Смерти, а Nova-C прилунится в Океане Бурь. Оба аппарата будут работать благодаря солнечным батареям и смогут продержаться на поверхности Луны один лунный день, т.е. примерно 14 земных суток. И они будут дешёвыми: правительство заплатит менее 100 миллионов долларов за каждый, при том, что если бы разработкой подобного аппарата занималось NASA, сумма была бы значительно выше – 500 миллионов или более.
Пандемия осложнила жизнь Astrobotic, как, впрочем, и всем остальным. Два контракта NASA CLPS позволили компании за три года вырасти с 18 человек до более чем 150. Но дистанционная работа замедлила деятельность компании. «Сейчас у нас много сотрудников, которые никогда не были в нашем офисе», – говорит Торнтон.
Эта задержка также уменьшила надежды Astrobotic стать первой частной компанией, которая отправит свой аппарат на Луну. Как и Intuitive Machines, фирма Торнтона планирует запуск своего аппарата на 2022 год. Однако Nova-C отправится в полёт на проверенной ракете SpaceX Falcon 9, в то время как Astrobotic выбрала для запуска Peregrine новую ракету Vulcan компании United Launch Alliance.
К июньскому визиту Цурбухена темпы начали набирать обороты. Для чиновника из NASA такой визит был в новинку. Когда Цурбухен инспектирует типичную миссию NASA, ему нравится копаться в деталях проекта, чтобы выявить три его основных недостатка. В случае CLPS «мы подобным не занимается, – говорит он. – Они должны работать самостоятельно». Вместо этого он пытается выяснить детали иного уровня – например, как компания тестирует интерфейсы для научных приборов NASA, или как она взаимодействует с агентством. «Помогает ли агентство там, где им это требуется?»
Огневые испытания двигателя посадочного аппарата Nova-C компании Intuitive Machines, который отправится на Луну в 2022 году. Источник: Intuitive Machines.
Ко времени его визита у Astrobotic уже имелась полномасштабная модель Peregrine для прочностных испытаний высотой около двух метров, которую компания использовала для сбора данных о том, как аппарат выдерживает условия ракетного старта. С четырьмя опорами и приземистым профилем, модуль напоминал те, что использовались для высадки на Луну в рамках программы «Аполлон». Его конструкция была упрощена намеренно: за основу взят корпус из алюминиевого сплава с неподвижной солнечной батареей на вершине, не имеющий сложных движущихся частей.
Когда-то Astrobotic планировала оснастить свой посадочный аппарат специальными палубами, на которых можно было бы разместить полезную нагрузку. Но Луна неумолима: спутник Земли не имеет атмосферы, способной отводить тепло от нагреваемых Солнцем элементов конструкции. Чтобы Peregrine мог выжить на её поверхности, инженерам пришлось отказаться от идеи с палубами, заменив их металлической теплозащитой и переместив часть полезной нагрузки, которую будет нести аппарат. «Это была своего рода попытка найти решение, которое было бы оптимальным как для нас, так и для заказчиков», – говорит Джон Уокер, менеджер по полезной нагрузке в Astrobotic.
Учёным было нелегко адаптироваться к этой коммерческой модели. «Это не миссия, это просто куча научных приборов на посадочном аппарате», – говорит Барбара Коэн, учёный-планетолог из Центра космических полётов NASA им. Годдарда, руководящая разработкой ионно-циклотронной ловушки PROSPECT, которая отправится на Луну на борту Peregrine. У исследователей нет чёткого представления о том, в каком порядке будут включены приборы и когда они начнут свои измерения. Они также не могут диктовать траекторию полёта аппарата. Или, к примеру, то, какие газы могут использовать другие приборы – а это имеет значение для проведения точных измерений. У этой миссии нет научного руководителя, который бы всё это уладил.
В то же время, отсутствие скоординированности с другими разработчиками позволило Коэн и её коллегам быстро завершить работу над своим прибором, который будет искать признаки воды над поверхностью Луны. «Это был довольно необычный вызов, – говорит Коэн. – Всё прошло очень быстро».
В следующем году отправленный в космос ракетой Vulcan космический аппарат выйдет на окололунную орбиту, где пробудет около месяца в ожидании момента прилунения, когда Солнце взойдёт над Озером Смерти. Он будет спускаться «лёжа на боку», а на высоте 100 метров от поверхности развернётся посадочными опорами «вниз». Система лазерной навигации поможет ему совершить безопасную посадку, после чего начнётся короткая, но насыщенная жизнь аппарата.
Если какая тема исследований и преобладает в первых миссиях CLPS, так это поиски воды на Луне. И на это есть веские причины. Серия орбитальных миссий последних двух десятилетий обнаружила признаки этого соединения на поверхности спутника, опровергая прежние представления о нём, как о высушенном теле. Две миссии NASA обнаружили следы присутствия водяного льда в затенённых областях и вблизи Южного полюса. А когда в 2009 году первый индийский лунный аппарат «Чандраян-1» вышел на орбиту Луны, установленный на его борту прибор NASA обнаружил признаки наличия воды по всей поверхности спутника, причём сигнатуры был наиболее явными во время лунных рассветов и закатов.
«Я называю это космической росой», – говорит Джорджиана Крамер, селенолог из Института планетарных наук. Солнце бомбардирует поверхность Луны потоками ионов водорода, которые взаимодействуют с обогащёнными кислородом породами, образуя, по-видимому, небольшое количество воды. По всей видимости, пар может мигрировать по поверхности и набрать достаточно энергии, чтобы переместиться с экватора в постоянно затенённые области на полюсах. Хотя Коэн говорит, что «мы не до конца понимаем его цикл».
Среди научных приборов, ориентированных на изучение воды, Peregrine будет нести три инструмента, которые зададут ритм будущим миссиям CLPS: они будут появляться на различных посадочных аппаратах и в конечном итоге попадут на луноход NASA VIPER, который Astrobotic доставит на Луну уже в 2023 году. VIPER сможет исследовать происхождение воды на Луне и составить карту её запасов. Набор приборов лунохода включает в себя масс-спектрометр, который сможет обнаружить воду напрямую; нейтронный детектор для измерения уровней водорода на основе поглощённых им нейтронов; а также спектрометр ближнего инфракрасного диапазона для обнаружения водорода в остатках бурения.
Рисунок: C. Bickel (Science).
Данные: R. Milliken (Брауновский университет), S. Li (Гавайский университет).
Миссия Peregrine в Озеро Смерти сама по себе вряд ли принесёт какие-то ошеломляющие открытия – у неё будет возможность исследовать лишь один регион Луны. Однако с её помощью будет проверена совместная работа всех инструментов и получены фундаментальные данные о том, как посадочный аппарат влияет на лунную окружающую среду. «Это уменьшает риск для будущих миссий», – говорит Ричард Элфик, космический физик из Исследовательского центра NASA им. Эймса и ведущий разработчик нейтронного детектора.
За Peregrine последуют и другие аппараты, направленные на поиски воды. Взять, к примеру, миссию PRIME-1: в ноябре 2022 года в её рамках на Южный полюс Луны будет отправлен посадочный аппарат компании Intuitive Machines с масс-спектрометром и буровой установкой, которые будут использоваться на VIPER. Другой посадочный аппарат создаётся фирмой Masten Space Systems. Он отправится в путь в 2023 году и будет использовать мощные камеры для изучения структуры и состава окружающего его грунта, а также роботизированный манипулятор для забора образцов с целью их анализа. На его борту будут располагаться те же инструменты, что и у VIPER. А дополнением к ним станет небольшой луноход, разрабатываемый совместными усилиями Astrobotic и Университета Карнеги-Меллона. Четырёхколёсный аппарат будет использовать детектор нейтронов, чтобы сканировать лунный грунт на глубине до 1 метра в поисках признаков присутствия водяного льда.
Вскоре после этого, в ноябре 2023 года, наступит очередь VIPER. Луноход NASA стоимостью 430 миллионов долларов будет доставлен на Луну при помощи посадочного аппарата Griffin компании Astrobotic. После спуска по трапу VIPER будет полностью автономен: он проработает в течение 100 дней и проведёт более 40 операций по бурению, параллельно регистрируя нейтроны. Помимо исследования распределения и количества воды (это важно для будущих пилотируемых экспедиций), его масс-спектрометр сможет определить её происхождение, изучая изотопы водорода. В то время как одна часть воды, вероятно, появилась благодаря содержащему водород солнечному ветру, другая могла быть доставлена на Луну кометами, богатыми более тяжёлым изотопом. А по наличию серы прибор сможет определить, имеется ли на поверхности вода из недр Луны.
VIPER может стать как кульминацией первого этапа программы CLPS, так и её поворотным моментом. Если программа будет успешной, NASA может обратиться к компаниям вроде Astrobotic не только с просьбой о транспортировке грузов на Луну, но и с предложением по созданию луноходов. «Есть большая вероятность того, что VIPER станет первым и последним луноходом, созданным усилиями NASA, – говорит научный руководитель миссии Энтони Колаприт. – И меня это совершенно устраивает».
Хотя присутствие воды – это, пожалуй, один из самых актуальных вопросов к Луне, он далеко не единственный. «У нас есть миллион и один вопрос по изучению Луны», – говорит Коэн. Сейчас NASA разрабатывает комплекты инструментов для их решения. Например, в 2023 году первый посадочный аппарат компании Firefly Aerospace отправит электромагнитный эхолот и термодатчик в Море Кризисов – низменность, где лунная кора характеризуется наименьшей толщиной. Эти приборы обеспечат первые со времён программы «Аполлон» измерения теплового потока из недр Луны. Побывавшие на поверхности спутника астронавты обнаружили, что она была на удивление тёплой – поэтому новые приборы помогут выяснить, было ли это аномалией, и если было, то каковы её причины.
Инструменты для исследования лунных недр – лишь часть полезной нагрузки аппарата. Поэтому астроном из Бостонского университета Брайан Уолш назвал модуль от Firefly «прекрасным Франкенштейном». Собственный прибор Уолша – Lunar Environment Heliospheric X-ray Imager – оглянется на Землю и сделает первый в истории снимок магнитного поля планеты, регистрируя отражающееся от него рентгеновское излучение Солнца. Хотя магнитное поле Земли изучалось разными способами, на него никогда не удавалось посмотреть снаружи. «Его трудно изучать изнутри, – говорит Уолш. – Это как если бы вы пытались изучать кита из его чрева».
Тем не менее, по словам Цурбухена, координация научных исследований станет направлением для дальнейшей работы. NASA уже выбрало два новых пакета приборов, за которые конкурируют компании-участницы CLPS. Первый, под названием Lunar Vertex, установят на луноход, который будет путешествовать через «лунный вихрь» – так называют загадочные области поверхности Луны, которые имеют локализованное магнитное поле, которое, впрочем, не даёт большой защиты от солнечного ветра. Второй комплект приборов (возможно, самый амбициозный с научной точки зрения) отправится в кратер Шрёдингера на обратной стороне Луны. На дно 316-километрового кратера прилунятся копии термодатчика и магнитометра, что будут установлены на борту посадочного аппарата Firefly Aerospace. Они будут изучать материал пикового кольца кратера и должны выяснить, соотносится ли его состав с корой или мантией Луны. Ответ на этот вопрос позволит понять, как столкновения с астероидами сформировали поверхности каменистых планет и лун в Солнечной системе.
Миссия в кратер Шрёдингер также доставит на поверхность Луны первый за последние 50 лет сейсмометр NASA (по совместительству – первый сейсмометр на её обратной стороне). По словам сейсмолога Марка Пэннинга из Лаборатории реактивного движения , который руководит разработкой прибора, сейсмометр будет регистрировать лунотрясения, происходящие на дальней стороне спутника, которые в рамках программы «Аполлон» зафиксировать не удалось. Возможно, эти измерения прольют новый свет на различия между двумя полушариями Луны. Фоновые сейсмические данные также позволят определить скорость бомбардировки поверхности микрометеоритами – это важная информация для защиты постоянно обитающих на поверхности спутника жителей.
Ну и, наконец, на борту посадочного аппарата будет небольшой радиотелескоп. После того как Солнце опустится за лунный горизонт и аппарат перейдёт в режим «сна», телескоп начнёт работу вне создаваемого нашей планетой шума, что позволит ему получать информацию о временах, когда звёзд ещё не существовало – временах, когда тёмные облака нейтрального водорода только начали медленно стягиваться друг к другу. «Это очень сложное измерение, – говорит Стюарт Бэйл, ведущий разработчик прибора. – Я бы не стал заранее утверждать, что мы претендуем на Нобелевскую премию. Но такова цель».
Все эти научные данные могут быть получены в ближайшие 5 лет – разительный контраст с большинством научных миссий NASA, разработка, запуск и получение данных в которых могут занять десятилетия. Достаточно взглянуть на возраст селенологов, чтобы осознать этот темп. «Сходите на встречу селенологов – их лица выглядят совсем иначе, чем на встречах исследователей других тел Солнечной системы», – говорит Цурбухен. Многие молодые учёные принимают участие и пишут предложения, привлечённые возможностью доставить прибор на лунную поверхность в течение нескольких лет. Как отмечает Бретта Деневи, многие из них пока не добились успеха, но каждый раунд подачи предложений приносит ценный опыт. «Возможность открыта», – говорит она.
Как долго она будет оставаться открытой, неясно. Администрация Байдена поддерживает CLPS. Но нет никаких гарантий, что основное внимание будет уделяться науке. Среди посадочных аппаратов, которые в данный момент претендуют на контракты CLPS, имеется гигантский Starship от компании SpaceX – космический корабль, который NASA выбрало в качестве посадочного аппарата для пилотируемых, и который также может быть использован для транспортировки грузов. Astrobotic также видит будущее в снабжении пилотируемых экспедиций – доставке солнечных электростанций или другого оборудования. По словам Клайва Нила, для того, чтобы выжить, этим компаниям необходимо расширять сферу деятельности, выходя за рамки доставки небольших научных приборов: им требуется разработать аппараты, способные выдержать условия лунной ночи.
Если программа CLPS и дальше будет фокусироваться на малых полезных нагрузках, способных оставаться в работе лишь на один лунный день, то это тупик. Финансирование сократят.
Однако в данный момент NASA полностью сосредоточено на первых запусках. В конце своего визита, во время проходившей недалеко от штаб-квартиры Astrobotic вечерней беседы, Цурбухен похвалил компанию и инновации, которые она развивает в Питтсбурге, сравнив её с командой NASA, которая высадила Perseverance на Марс.
«Так случилось, что у вас вышла потрясающая, упорная и вдохновляющая команда. И Джон, – сказал он, глядя на Торнтона, – это именно то, чего я от тебя жду».
«Только не давите, – сказал Торнтон после этого. – Я уже вспотел».
Источник
https://www.science.org/content/article/nasa-funded-startups...
