Пять наивных вопросов о космосе

Недавно «Яндекс» опубликовал рейтинг самых популярных поисковых запросов, связанных с космической тематикой. Мы попросили ответить на самые интересные из них учёных и популяризаторов космонавтики. Тем более, что вопросы не так просты, как может показаться на первый взгляд. Наших соотечественников интересуют и философские вопросы (например, зачем люди осваивают космос), и сугубо практические.

Космос – это очень широкое понятие, выходящее за пределы космонавтики. Есть множество интерпретаций слова: и философская, и инженерная, и физиологическая.

С точки зрения философии, в первую очередь, вспоминается, что «космос» на древнегреческом означает «порядок», в противовес «хаосу». Древние философы думали, что над нами всё красиво, математично, что сферы вращаются одна вокруг другой, а все планеты на них «закреплены». Теперь мы знаем, что всё не совсем так, но по сути мы тоже являемся частью космоса: наша планета движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, вместе с Солнцем мы движемся вокруг галактики со скоростью около 220 км/с, а она в свою очередь тоже движется в группе галактик и так далее. Всё, что нас окружает, весь вселенский порядок вокруг нас – это космос.

По отношению к Вселенной термин «космос» впервые употребил Пифагор. Скорее всего, он имел в виду гипотетическое пространство над Землёй, которая тогда являлась для его современников центром Вселенной. Уже в современный язык слово ввёл в XIX веке немецкий физик Александр фон Гумбольдт в своём многотомном трактате о природе, который так и назывался «Kosmos» (именно через K, лишь позже в английском стали писать Cosmos).

Говоря об инженерной интерпретации, вспомним Гагарина. Когда он полетел, везде говорили, что это первый человек, который вышел в космическое пространство. Люди воспринимают космос как что-то конкретное: которое начинается в определенном месте, а всё, что ниже – это наша Земля, дом, уже не космическое пространство. Принято считать, что космос начинается со 100 километров над Землёй – это линия Кармана. Дальше уже космос. Кстати, NASA использует в качестве границы атмосферы отметку в 122 километра (400 000 футов), где «шаттлы» переключались с маневрирования с помощью двигателей на аэродинамическое маневрирование.

Часто понятие космос употребляется и в значении космической деятельности человека. Получается, что мы практически его освоили, по крайней мере, ближний космос. Это всё, что вращается по орбите, включая МКС и Луну. А вот Марс и другие планеты, до которых мы ещё не долетели – это дальний космос, хотя и его мы уже осваиваем.

Если же обратиться к физиологии человека, то важным оказывается то, что на высоте 9 км мы уже не сможем дышать, хотя атмосфера содержит кислород до высоты в 115 километров. А на высоте около 19-20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт.ст., и температура кипения равна температуре тела – 36,6 градусов, что приводит к кипению воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметичной кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Значит, можно сказать, что для человека космос начинается уже на этой высоте.

По моей собственной интерпретации, космическое пространство начинается там, где не могут распространяться продольные колебания. Мы живем в воздушной оболочке Земли, и у нас есть возможность передавать звук – это продольные колебания воздушной среды. То есть при передаче звука мы используем воздух как «среду-передатчик». В космосе мы не можем использовать воздушную среду, чтобы передать звук, потому что там нет воздуха. Космонавты могут передавать звук, например, стукнув по поверхности космического аппарата. Но в космосе есть возможность передавать поперечные колебания, то есть свет, и вся передача энергии осуществляется благодаря излучению. Излучение от Солнца передается через вакуум (космос) на Землю, ему не нужна среда для распространения.

В целом же, космос гораздо более многогранен, чем мы раньше думали. Представление людей о космосе последовательно усложнялось. Учёные предполагают, что космос состоит в том числе из тех веществ, которые нельзя зарегистрировать – тёмная материя, тёмная энергия – эти субстанции мы можем только выявить математически. Возможно, существует что-то ещё. Поэтому отвечать на вопрос, что такое космос, можно и с той точки зрения, как постепенно человечество усложняло значение этого слова, как знания давали понимание, что космос очень сложен. Может, когда-нибудь мы придем к пониманию, что космос – это всё сущее.

Формально космос начинается там, где заканчивается атмосфера Земли. Но только в школьных учебниках эта линия проведена чётко, на деле же никакой явной границы не существует. Однако венгерский учёный Теодор фон Карман предложил довольно логичный способ ввести условную границу, и он получил широкое распространение.

Дело в том, что подъёмная сила самолёта зависит, помимо прочего, от его скорости и от плотности окружающего воздуха. Чем меньше плотность воздуха, тем большая скорость нужна для удержания самолёта на одной высоте. С ростом высоты плотность воздуха сильно снижается. Поэтому, чем больше высота полёта самолёта, тем с большей скоростью ему нужно лететь, чтобы на ней оставаться. А теперь вспомним про спутники. Их разгоняют до первой космической скорости (около 8 км/с), на которой центробежная сила при движении вокруг Земли уравновешивает силу гравитации. Но летают они гораздо выше самолётов, чтобы им как можно меньше мешало сопротивление воздуха, который всё-таки остаётся на больших высотах. Если мы теперь вернёмся к самолётам, то можем рассчитать высоту, для которой необходимая скорость как раз будет равна первой космической. В этом случае эффект центробежной силы не учитывается, а рассчитывается лишь скорость, необходимая для достижения нужной аэродинамической подъёмной силы. Когда эта скорость доходит до первой космической, воздушный полёт с помощью крыльев теряет даже теоретический смысл.

Правда, даже при таком подходе точно границу не вычислить, потому что, во-первых, плотность воздуха на одной и той же высоте может быть разная в разное время или для разных мест на планете, а во-вторых, подъёмная сила самолёта зависит ещё от его формы и от характеристик крыла. Поэтому Карман взял некоторые средние значения и получил результат – около 90-95 км от поверхности Земли. Для простоты он предложил считать условной границей космоса высоту 100 км, которую назвали линией Кармана и сейчас широко принимают по всему миру.

Любопытно, что официальной юридической границы космоса всё ещё не существует, поэтому нельзя строго сказать, на какой высоте заканчивается юрисдикция того или иного государства. К счастью, пока что это и не востребовано.

Когда мы проектировали и испытывали спутник «Маяк», многие зрители этого увлекательного процесса писали, что мы всё делаем неправильно, так как в космосе «очень жаркая температура из-за Солнца» или, наоборот, «очень низкая температура, так как там ничего нет». На первый взгляд оба варианта кажутся логичными, но каков же правильный ответ, какая в космосе температура?

Для начала придется вспомнить, что такое температура, в принципе. Согласно, определению из школьного учебника физики, это мера теплового движения молекул. Молекул! В космосе, особенно далеко от небесных тел, с молекулами плохо, их там почти нет. А раз нет молекул, то нет и температуры. Поэтому на самом простом уровне понимания можно говорить, что понятие «температура» в космосе, вообще, не определено.

Но как же спутники и космонавты, им же бывает жарко или холодно! Да, бывает, но вот почему. Они-то состоят их молекул, и их молекулы начинают двигаться быстрее при освещении Солнцем или медленнее – при попадании в тень. Материалы, из которых состоят спутники и скафандры космонавтов, должны выдерживать температуры от -100 до +150 градусов, теоретически до таких температур может разогреться/остыть тело в космосе.

Если говорить более корректно, то температура какого-то объекта в космосе определяется балансом между притоком тепловой энергии на тело, например, от внутренних источников тепла или Солнца, и оттоком вовне, в космос. Отток тепла в космосе осуществляется из-за излучения. Все нагретые выше абсолютного нуля тела испускают инфракрасное излучение, и из-за этого теряют энергию. Поэтому здесь нельзя ответить однозначно, всё измеряется в каждом конкретном случае.

У любого человека есть несколько вариантов, как попасть в космос. Всё зависит от здоровья, гражданства, финансового состояния. Самый надёжный путь – пройти сложный конкурсный отбор и стать национальным космонавтом/астронавтом. 15 стран участвуют в проекте Международной космической станции (МКС), и их граждане могут как профессионалы полететь в космос. Как раз сейчас в России идёт открытый набор в отряд космонавтов, но заявку подавать уже поздно (идёт завершающий этап выбора будущих космонавтов). Претендентов отбирают по возрасту (до 35 лет), здоровью (богатырское), образованию (лётное и техническое). Есть свои космонавты и космические корабли также у Китая и у США.

Если же по тем или иным причинам стать профессиональным покорителем орбиты вам не суждено, есть шанс полететь в космос туристом. Правда, в данный момент цена билета на МКС варьируется в пределах 65 миллионов долларов США – пожалуй, самый дорогой вид туризма. Однако намного дешевле полететь не на орбиту, а в суборбитальный полёт. Все ожидают начало массовых туристических полётов в 2019 году. Цена билета за несколько минут невесомости и неземные виды Земли – около 250 тысяч долларов. Две компании лидируют в подготовке этих стартов: Blue Origin и Virgin Galactic. Нам остаётся немного подождать. Впрочем, и в России есть компания «Космокурс», которая занимается созданием инфраструктуры суборбитальных полётов, так что может даже удастся сэкономить на авиабилетах в Штаты и полететь в космос прямо из России.

Есть и еще один, самый фантастичный, но при этом относительно реальный вариант ­– это полёт на Марс на будущей ракете BFR Илона Маска, чтобы стать одним из первых жителей Красной планеты. Первые полёты могут начаться во второй половине следующего десятилетия, поэтому уже можно начинать копить на билет. Если желающих поменять мир будет много, Илон обещает цену даже ниже, чем стоит сейчас полёт на МКС.

Стоит выделить, как минимум, четыре главных фактора – технологический, научный, экономический и цивилизационно-биологический.

Космос – это сложная, местами даже экстремальная среда, поэтому техника, которую мы создаём для его освоения, требует новых подходов. Впоследствии все технологии, материалы, системы, которые мы разрабатываем для космоса, могут найти применение и на Земле. Так получилось с Лунной программой, когда инвестиции в технику и в развитие компьютерных систем по сути явились не единственным, но важным стимулом и основанием для нынешней технологической компьютерной революции. Правда, сейчас космос больше заимствует из земных технологий, чем наоборот: в развитие космических технологий в России вкладываются намного меньше, чем это было в СССР.

С точки зрения науки, главная задача изучения космоса – лучше понимать мир, в котором мы живем. Сейчас мы лучше понимаем, сколько астероидов летает, какую опасность они представляют для землян, можем предсказывать солнечные вспышки и многое другое. Теперь мы лучше знаем, где живём, и не боимся, что с прилётом кометы случится эпидемия или начнётся война. Продолжать исследования следует, и в этом есть смысл, хоть не улучшающий жизнь здесь и сейчас, но работающий на перспективу.

Не стоит забывать и об экономике. Сегодня объём космического рынка, то есть денег, которые зарабатываются в космосе или при помощи космоса, в несколько раз превышает затраты всех государств на его исследование. Космос в масштабе человечества – прибыльная деятельность, а вовсе не расходная статья бюджета. Государственные траты на космос продолжаются, но многие страны развиваются за счёт частных компаний, которые работают с помощью космоса и уже извлекают выгоду, поэтому мотивы развиваться дальше у них есть.

Беспилотная космонавтика проявила себя гораздо лучше, чем пилотируемая, и основная часть денег приходит из трёх сфер. Во-первых, это спутниковая съёмка, например, всем известные яндекс и гугл-карты. Во-вторых, это спутниковая навигация, экономическую ценность которой так никто точно и не посчитал, но она имеет колоссальное значение и для авиации, и для мореходства, и для систем безопасности. И третье – ретрансляция данных: мир постоянно обменивается информацией благодаря космосу. Если мы отключим все спутники, то не останемся без интернета, но всё-таки 10% обмена данных проходит через космос: это и трансляция данных, и банковские транзакции, и прочее. Космос действительно приносит выгоду и улучшает жизнь на планете.

Наконец, цивилизационно-биологический фактор. Любой биологический вид – будь то вирус, синица или человек – стремится к наиболее широкому расселению. И этому есть эволюционное обоснование: чем шире охватывает территорию планеты популяция вида, тем больше шанс выжить в условиях изменяющихся внешних условий. Когда люди осваивали другие материки, они не думали, что надо расширить свою популяцию, и что это повысит выживаемость человека как вида. У них были свои причины – сбежать от врагов, найти более плодовитые земли и так далее. Но, по сути, они шли к той же самой концепции, что и любое живое. И космос – продолжение прежнего биологического стремления расширяться как можно дальше. Сейчас мы как вид достигли максимального распространения: заняли все широты, среды, и мы можем продолжать стремление дальше. Наше развитие техники позволяет лететь дальше в космос. А если мы можем, и нам ничего не мешает, почему бы и нет.

Но всё это рациональные обоснования. У меня есть и другой. Зачем люди осваивают космос? Просто потому что хочется! Конечно, такой ответ пригоден только для частной космонавтики: если хочется, то и лети, но на свои деньги, а не государственные. Илон Маск пытается летать на собственные средства, ему пока не хватает, поэтому он зарабатывает на госзаказах, выполняет коммерческие услуги, но он идет к тому, чтобы начать летать за свой счёт и предлагать услуги тем, кто тоже так может. И Джефф Безос продвигает ту же идею, потому что ему хочется. При таком подходе отпадает вообще вопрос «зачем». Хочу и всё.