Прыгнуть с Европы на Венеру

Межпланетная станция доставила кассету отделяемых автоматических зондов для изучения Юпитера. Художник А.К. Соколов, 1982. Почтовая открытка

Весной нынешнего года американское Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) объявило название миссии к Европе, спутнику Юпитера. Проект будет называться Europa Clipper, «Европианский клипер», по наименованию быстроходных парусных судов XIX века. В «НГ-наука» от 14.06.17 была опубликована развернутая статья о проекте и его научных задачах, с комментариями академика Эрика Галимова, научного руководителя Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН. Нам бы хотелось рассказать об интересной предыстории создания этого проекта и его перспективах.

Юпитер, ты сердишься?

Этот проект появился не на пустом месте – ему предшествовала череда более или менее проработанных идей и концепций, которые анализировались ни много ни мало со второй половины 1990-х годов. Описывать эту длительную историю сейчас не будем, только скажем, что Europa Clipper представляет собой продолжение американского же аппарата JEO (Jupiter Europa Orbiter), бывшего составной частью многонационального проекта EJSM (Europa Jupiter System Mission, «Миссия к Европе и в систему Юпитера»). EJSM – детище Европейского космического агентства (ЕКА) и НАСА, существовавшее с 2008 по 2011 год, пока США не вышли из него в одностороннем порядке. Кроме Европы и Штатов, участие в нем рассматривали Япония и Россия.

Российские ученые предполагали отправить на поверхность Европы посадочный аппарат, который провел бы контактные исследования поверхности юпитерианского спутника. Интерес к Европе определялся тем, что, как предполагается, под корой из водяного льда на ней находится настоящий соленый океан, который соприкасается с каменным основанием – мантией из горных пород. Это довольно необычные условия. Далекий аналог им можно найти в земной Антарктиде: подледном озере Восток, которое сейчас исследуют российские ученые.

На Европе есть все теоретически необходимое для зарождения жизни: жидкая вода, источник энергии извне – приливное воздействие Юпитера, минеральные вещества... Весьма заманчиво попытаться исследовать этот далекий мир и, возможно, найти следы выхода подледного океана на поверхность.

В 2009 году Институт космических исследований РАН провел международный семинар по изучению возможностей посадки на Европу. Предлагался проект, включающий орбитальный и посадочный аппараты. Первый из них должен был провести детальную рекогносцировку поверхности, чтобы выбрать место посадки, а затем послужить спутником-ретранслятором для второго.

Проект должен был быть самостоятельным, но реализовываться совместно с миссией EJSM. Если бы старт состоялся в 2020 году вместе с EJSM, то Юпитера этот аппарат достиг бы в 2026 году. Была сформирована рабочая группа по проработке сценария, облика и возможной научной нагрузки такой посадочной миссии, а также сложностей на пути ее реализации. Последних немало.

Первая – в России последние десятилетия не было успешных планетных миссий. Опыта прошлого, уже довольно далекого, недостаточно, чтобы сразу реализовать столь амбициозный проект.

Вторая  – Европа находится в очень неблагоприятном районе, ее орбита проходит через радиационные пояса Юпитера. В этих областях пространства много энергичных заряженных частиц, опасных для электроники. Для посадочного проекта придется тщательно выбирать траектории, использовать радиационно-стойкие элементы и делать мощную защиту, чтобы минимизировать дозу, полученную электроникой за время перелета и работы на орбите.

На Венере люди, возможно, увидят такую картину. Иллюстрация из книги. Б. Ляпунов, «Открытие мира», 1954. Художник Н. Гришин

В 2011 году, как уже говорилось, коллаборация EJSM распалась, а сама тема исследования Европы и тем более посадки на нее не то чтобы исчезла из планов совсем, но в своем развитии скорее вернулась на шаг назад. Сценарий возможных миссий пришлось перерабатывать с учетом уже открывшихся сложностей, а также новых научных наблюдений.

В сторону Ганимеда

Европейские исследователи предложили проект JUICE (JUpiterian Ice Explorer, «Исследователь ледяных спутников Юпитера», миссия класса L в рамках программы Cosmic Vision). Его сценарий предусматривает изучение с орбиты не только Европы, но также Каллисто и в особенности Ганимеда – двух других лун Юпитера, которые, как и Европа, предположительно содержат подледный океан. Миссия завершится управляемым падением космического аппарата на Ганимед.

Этот спутник, крупнейший у Юпитера и в Солнечной системе, как и Европа, покрыт слоем льда, под которым предположительно находится океан жидкой воды. Как и на Европе, океан Ганимеда скорее всего контактирует с каменным основанием. Условия для зарождения жизни там примерно одинаковые, но толщина ледяного панциря Ганимеда в 10 раз больше, чем у Европы: 100 км против 10.

Следовательно, на Ганимеде жидкая вода совсем или почти совсем не выходит на поверхность. С этой точки зрения он не столь перспективен для экзобиологов. Зато он находится вне радиационных поясов, а значит, сценарий миссии может быть проще.

Российский проект был также переориентирован на Ганимед. В 2013 году, опять же в ИКИ РАН, состоялся семинар, посвященный возможной посадочной миссии к этому спутнику Юпитера. На нем были представлены  европейский проект JUICE и концепция американского Europa Clipper, тогда еще в стадии проработки.

В конце 2013 года на портале журнала Science было обнародовано научное сообщение о том, что космическому телескопу им. Хаббла удалось пронаблюдать признаки гейзеров вблизи поверхности Европы (в печатном издании статья вышла в начале 2014 года). Видимо, ледяной панцирь этого спутника периодически «лопается», а значит, есть возможность «перехватить» такие струи и исследовать подледный океан, даже не опускаясь на поверхность спутника. Это обстоятельство чрезвычайно воодушевило разработчиков и, видимо, помогло в продвижении юпитерианской темы.

В поисках контакта с Европой

В конце февраля 2017 года проект НАСА Europa Clipper был переведен в фазу предварительного проектирования (фаза B, согласно обозначениям, принятым в США). Это означает очень высокую вероятность его реализации. Подготовка JUICE в Европе также идет более или менее по плану.

Идея же России об отправке самостоятельной посадочной или орбитальной миссии в систему Юпитера остается нереализованной, с учетом всех возможностей и ограничений от нее было решено пока отказаться. Причина в отсутствии не столько финансов, но в первую очередь радиационно-стойкой отечественной элементной базы, которая могла бы выдержать уровень радиации в сотни килорад. Но предварительные проработки были сделаны не впустую, из них выросли два решения.

Первое – российские исследователи участвуют в проекте JUICE. Один из элементов научной нагрузки – инфракрасный спектрометр SWI, которому предстоит изучать состав тонких экзосфер юпитерианских лун, делается с участием российских ученых. Наш вклад – терагерцовый гетеродинный детектор, с помощью которого можно определять состав экзосфер юпитерианских лун.

Второе – от желания выполнить посадку на другую планету также не отказались, но целью посадки стала Венера. Так начался новый этап подготовки проекта «Венера-Д».

Венера – первая любовь

Венеру активно исследовали советские аппараты в 1960–1980-х годах. Результаты этой комплексной программы, несмотря на неудачи на  начальном этапе, были поистине блестящи. Речь идет даже не о первенстве, а о том, что Венера исследовалась последовательно, систематически, и каждая следующая миссия ставила новые, более сложные задачи, вытекавшие из предыдущих.

К завершению этой программы в 1985 году исследователи имели успешный опыт нескольких посадок в кислотной, очень горячей и плотной атмосфере, результаты прямых исследований грунта, данные о составе атмосферы на разной высоте, скорости и направлении ветра, радиолокационные карты поверхности, многочисленные плазменные и плазменно-волновые эксперименты. Финальный проект – миссия ВЕГА, которая включала не только посадочную станцию на Венеру, но и два аэростата, дрейфовавших в атмосферу планеты двое суток.

Продолжением этой программы сегодня могла бы стать новая посадочная станция на Венере. Ее главные отличия от предшественников – увеличенное время существования (от одного-двух часов – к нескольким часам) и современные научные приборы с лучшей чувствительностью. Их задача – исследовать атмосферу планеты во время спуска и на поверхности, изучить с помощью разнообразных аналитических инструментов грунт в месте посадки, а также провести долговременный мониторинг атмосферы с орбиты.

Концепция проекта «Венера-Д» появилась в конце 1990-х – начале 2000-х годов и долгое время разрабатывалась в рамках Федеральной космической программы на 2006–2015 годы. По разным причинам она не вошла в ФКП 2016–2025 годов. Но работы по ней не останавливались: в рамках той же ФКП, а именно раздела «Перспектива», предусмотрено финансирование проработок будущих проектов, которые могут быть приняты к исполнению в ходе конкурса. Именно такой путь предстоит пройти «Венере-Д».

Решение о переориентации посадочного аппарата с Европы на Венеру можно назвать консервативным. Но оно было принято сознательно: имеющийся опыт посадок касается именно Венеры, и если говорить о том, чтобы восстановить имевшийся технологический уровень, то возвращение на Венеру выглядит более обоснованным, чем гораздо более сложный перелет к Юпитеру и изучение Европы.

Что же до поисков жизни, то Венера и Европа с точки зрения землянина представляют два варианта, в общем-то, ада: один раскаленный, другой ледяной. Шансы найти жизнь на Венере тоже имеются. Только здесь она скорее будет не спрятана под 10-километровым слоем льда, а обитать в верхних слоях атмосферы, доступ к которым сравнительно легок. Кроме этого, Венера – модель для изучения парникового эффекта, возможно, угрожающего Земле, и великолепный полигон для отработки космических технологий: от защитных материалов до долгоживущих аппаратов, работающих в атмосфере планеты.

Интерес к исследованию Венеры проявляют исследователи из США. В 2013 году была создана Объединенная рабочая научная группа (Joint Science Definition Team) по изучению Венеры на основе миссии «Венера-Д». В нее входят представители НАСА, НПО им. С.А. Лавочкина, некоторых научных организаций России и США. Уже состоялось несколько встреч, и в начале этого года был опубликован отчет с результатами анализа предложений по облику миссии «Венера-Д», ее научным задачам, приборам и экспериментам. Этот отчет был представлен в штаб-квартиру НАСА и в Совет по космосу Российской академии наук.