Возвращение образцов с Марса (НАСА–ЕКА) – Доставка образцов с Марса на Землю

Почему образцы с Марса возвращают на Землю, а не анализируют на месте?

Марс издавна будоражил воображение ученых и писателей-фантастов, еще с тех пор, как примитивные телескопы заставили нас поверить в наличие искусственных каналов на поверхности планеты.

Благодаря компании SpaceX Илона Маска, которая радикально снизила стоимость выхода на околоземную орбиту, похоже, что до первой пилотируемой миссии на Марс осталось всего несколько лет, а скорее всего, не меньше десяти лет.

Прибыв на Марс, первые исследователи-люди столкнутся с совершенно иными задачами, чем астронавты, впервые высадившиеся на Луне. Любая марсианская миссия, далёкая от многодневных экспедиций с минимальными запасами, будет длиться годами, включая как минимум несколько месяцев на поверхности. В результате пилотируемая миссия на Марс должна будет представлять собой своего рода протоколонию, требующую использования местных ресурсов для поддержания жизни астронавтов.

Источник: Исследуйте глубокий космос

Поэтому крайне важно, чтобы мы больше знали о поверхности и геологии планеты, о том, какими на самом деле являются марсианские минералы, а не ограничивались предположениями и оценками, которые мы могли делать до сих пор.

Для этого локальный анализ с помощью инструментов, установленных на зондах и роботах, в целом недостаточен, поскольку они должны быть чрезвычайно энергоэффективными и легкими, что исключает возможность применения многих наиболее полезных аналитических методов.

Вместо этого, доставка на Землю образца марсианской породы даст ученым возможность использовать самые передовые и чувствительные методы обнаружения, чтобы лучше понять историю красной планеты.

Именно поэтому под руководством НАСА и ЕКА (Европейского космического агентства) была создана программа возвращения образцов с Марса.

Идея заключается в том, чтобы взять образцы марсианской пыли и камней и отправить их на Землю. Из-за огромных расстояний это далеко не простая задача, и проект столкнулся с трудностями на начальном этапе, проблемами в разработке и перерасходом средств, а также угрозой отмены.

Наши орбитальные аппараты уже находятся на месте и готовы предоставлять услуги ретрансляции данных для миссий на поверхности Земли.

Следующим логическим шагом является доставка образцов на Землю, чтобы обеспечить доступ к Марсу для ученых со всего мира и лучше подготовиться к будущим пилотируемым исследованиям Красной планеты. 

Однако, поскольку другие конкурирующие программы стремятся впервые в истории человечества доставить полезные ископаемые из другого мира, в частности, китайская космическая программа, вполне вероятно, что американо-европейская программа будет продолжаться в той или иной форме.

Тайник настойчивости: что скрывается в трубах (обновление 2025 года)

Миссия «Настойчивость», запущенная в 2020 году и завершенная в 2021 году, Это новейший и самый амбициозный зонд, отправленный на Марс, вес которого сопоставим с весом большого автомобиля.

Настойчивость также была в паре с Изобретательность Марс ВертолетIngenuity — первый в истории вертолет, сумевший совершить полет в очень разреженной атмосфере Марса (2% от земной). Ingenuity совершил 72 полета на расстояние более 18 километров (11 миль).

Эти зонды дополняют 3.7-тонный аппарат. Орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas (TGO), который прибыл на Марс в 2016 году и создал с орбиты глобальную карту распределения воды в виде водяного льда или гидратированных водой минералов в неглубоких слоях подповерхностного слоя Марса.

Космический аппарат «Персеверанс» приземлился в кратере Езеро, ударном кратере шириной 45 километров, который, по мнению ученых, когда-то был затоплен водой и являлся местом расположения древней речной дельты. Таким образом, он не только, вероятно, содержал воду в далеком прошлом, но и мог содержать доказательства существования древней жизни.

В сочетании с очень плоским ландшафтом и расположением к северу от марсианского экватора, потенциальные залежи воды, сохранившиеся глубоко под поверхностью, также делают кратер Езеро потенциальным местом для пилотируемой высадки на Марс.

В течение трех с половиной лет Персеверанс проехал вокруг кратера 18.5 миль (30 километров).

Возможно, что еще более важно, компания Perseverance также собрала... 25 образцов горных пород и реголита (мелкие камни и пыль с поверхности), а также один образец воздуха, взятый во время исследования кратера Езеро.

Эти образцы были собраны с помощью небольшого бура, который создал длинную трубку из камней, герметично упакованную в металлический контейнер.

Будут собраны еще 5 «пробирок-свидетелей», а также получено подтверждение чистоты системы на протяжении всего процесса отбора проб.

Источник: НАСА

Собранные образцы представляют собой смесь осадочных пород (отложенных водой) и магматических пород (твердой магмы).

Как работает система возврата образцов с Марса: посадочный модуль → MAV → ERO → Земля

До сих пор все марсианские миссии были путешествием в один конец, поскольку мощности наших ракет едва хватало, чтобы доставить на Марс и высадить на его поверхность многотонные марсоходы каждой миссии.

В этом отношении Perseverance не был исключением: сам марсоход был обречен остаться на поверхности Марса.

Для сбора собранных образцов потребуется запустить еще одну миссию, в ходе которой на поверхность будет доставлена ​​специальная система, которая после сбора образцов вернется в космос.

Для этого потребуется марсоход-погрузчик, который будет собирать образцы, сброшенные аппаратом Perseverance на поверхность Марса, используя роботизированную руку для их подъема и загрузки в ракету-носитель Mars Ascent Vehicle, способную вернуться в космос.

Для приема образцов на марсианской орбите и доставки их обратно на Землю будет задействован орбитальный аппарат.

Затем образец будет доставлен на околоземную орбиту третьей миссией, которая благополучно и в неповрежденном состоянии совершит посадку на Землю для анализа.

Источник: ESA

Заявленная цель НАСА — доставить эти образцы на Землю к 2030-м годам. Прежде чем образцы можно будет вскрыть на Земле, их перенесут в хранилище биобезопасности 4-го уровня (хранилище для защиты планеты), которое сейчас планируется создать НАСА и Европейским космическим фондом. Все системы хранения должны предотвращать выброс возможных марсианских органических веществ или микробов — это важный шаг для обеспечения защиты планеты и общественной безопасности.

Проблемы MSR: обсуждение стоимости, сроков и архитектуры.

В 2023 и 2024 годах стало очевидно, что первоначальный план и бюджет миссии по возвращению образцов с Марса находятся под угрозой, поскольку ее реализация будет значительно отложена (возможно, до 2040-х годов) и превысит запланированный бюджет.

Рост затрат с и без того огромных 6 миллиардов долларов до как минимум 11 миллиардов долларов поставил программу в невыгодное положение.

Таким образом, хотя зонд «Персеверанс» и обеспечил эффективное получение образцов, их сбор и доставка на Землю могут затруднены из-за сложной конструкции миссии.

Посадочный модуль для извлечения образцов (SRL): Sky-Crane против коммерческой доставки

В рамках SRL были рассмотрены многие различные концепции.

Конструкция посадочного модуля претерпела значительные изменения за последние два года: сначала это был очень большой посадочный модуль с вездеходом для сбора образцов, затем два посадочных модуля, а теперь это посадочный модуль среднего размера без вездехода и с двумя вертолетами.

Источник: Планетарное общество

В январе 2025 года НАСА объявило, что рассматривает 2 возможных варианта конструкции для этапа посадки:

• Первый вариант будет использовать конструкции систем входа в атмосферу, спуска и посадки, ранее применявшиеся в авиации, а именно: метод небесного кранаЭто было продемонстрировано в ходе миссий Curiosity и Perseverance.
• Второй вариант предполагает «использование новых коммерческих возможностей для доставки полезной нагрузки посадочного модуля на поверхность Марса».

Источник: НАСА

В обоих случаях солнечные панели платформы будут заменены на радиоизотопная энергетическая система что позволит обеспечить электроэнергией и теплом сезон пылевых бурь на Марсе, упростив конструкцию.

В целом, похоже, внутри НАСА разгорелись жаркие дебаты о том, следует ли им придерживаться «обычного подхода», используя менее амбициозные и более дорогостоящие проверенные методы, или же рискнуть потерять марсианские образцы, полученные с помощью «Персеверанса», в пользу непроверенной и более дешевой новой конструкции, разработанной частными компаниями.

Марсоход (MAV): проектирование, риски и готовность.

Конструкции марсианского взлетного аппарата (MAV) и орбитального аппарата для возвращения на Землю (ERO) также вызывают вопросы.

Ракета MAV была спроектирована как двухступенчатая и должна была храниться внутри хранилища SRL.

Источник: НАСА

Источник: НАСА

Это усложняет создание ракеты, поскольку она должна выдержать торможение в 15G без изменений во время посадки на Марс, а затем автономно развернуться для автоматического запуска без прямого управления с Земли из-за задержки передачи данных.

Отсутствие наземной команды для проведения предполетного ремонта и регулировок повышает требования к надежности.

Существует мнение, что миссия НАСА по возвращению образцов с Марса (MSR) задерживается из-за нерешительности, но реальная задержка связана с многолетними поисками устаревшего решения в области двигательных установок вместо технологического прогресса в разработке и испытании марсианского взлетного аппарата (MAV) для запуска образцов на орбиту Марса.

Джон Уайтхед из SpaceNews

Создание БПЛА, вероятно, является самой сложной частью миссии и наименее продвинутой на этапе разработки. Потенциально, более тяжелый посадочный модуль мог бы решить эту проблему, позволив создать более крупный и простой в изготовлении БПЛА.

Орбитальный аппарат для возвращения на Землю (ERO): гибридная двигательная установка и система захвата

На данный момент ответственность за ERO лежит на ЕКА; это будет самый большой космический аппарат, когда-либо выходивший на орбиту Марса, с размахом крыльев 38 метров (125 футов).

Такие большие размеры обусловлены массивной солнечной батареей, поскольку аппарат будет использовать самую мощную электрическую двигательную установку, когда-либо применявшуюся в межпланетных миссиях, а также химическую двигательную установку для выхода на орбиту Марса.

Источник: ESA

Для выхода на рабочую орбиту вокруг Марса аппарату ERO потребуется около двух лет, для выполнения марсианской миссии — год, а для отлета с Марса и возвращения на Землю — еще два года.

Вероятно, ERO менее проблематичен, чем MAV, поскольку представляет собой, по сути, увеличенную версию проверенных конструкций, с которыми знакомо ЕКА. Однако контроль затрат в прошлом был проблемой для Европейского космического агентства.

Бюджетные предложения на 2026 финансовый год: что поставлено на карту для MSR?

В апреле 2024 года НАСА объявило о начале поиска инновационных разработок для миссии по возвращению образцов с Марса.

«В конечном итоге, бюджет в 11 миллиардов долларов слишком высок, а возвращение к 2040 году — слишком отдаленная перспектива».

Нам нужно мыслить нестандартно, чтобы найти выход из ситуации, который был бы одновременно доступным по цене и позволял бы получать образцы в разумные сроки». 

Администратор НАСА Билл Нельсон

Дополнительное давление — это В федеральном бюджете США на 2026 год планируется значительно сократить расходы НАСА, включая расходы на доставку образцов с Марса..

Это происходит на фоне тех же решений, которые также касаются планирования ракеты SLS (Space Launch System) и капсул Orion, ранее являвшихся ключевыми элементами проекта. Миссии АртемидыПланируется, что МКС будет выведена из эксплуатации после миссии «Артемида III», а МКС будет заменена коммерческой космической станцией.

В соответствии с приоритетами администрации — возвращением на Луну раньше Китая и отправкой американца на Марс — бюджет будет способствовать развитию приоритетных научных и исследовательских миссий и проектов, положив конец финансово неустойчивым программам. включая возвращение образцов с Марса. 

Следует также отметить, что в том же президентском заявлении НАСА подверглось критике за свою «зеленую» или прогрессивную повестку дня, что вызвало опасения, что возвращение образцов с Марса является побочным продуктом преимущественно политической борьбы.

«Этот бюджет положит конец расходам на «зеленую авиацию», ориентированным на борьбу с изменением климата».

Этот бюджет также обеспечит дальнейшее прекращение финансирования любых нецелесообразных инициатив в области оценки воздействия на окружающую среду и здоровья, вместо этого направляя эти средства на миссии, способные способствовать выполнению основной задачи НАСА.

Скорее всего, угроза возвращению образцов с Марса — это в основном стратегия Белого дома, направленная на то, чтобы заставить НАСА рассмотреть новые варианты проекта, вместо того чтобы пассивно мириться с многомиллиардным перерасходом бюджета в то время, когда финансирование научных проектов сокращается.

Частные компании предлагают свои альтернативные решения, многие из которых заявляют о возможности выполнения этих задач за гораздо меньшую сумму, чем прогнозирует НАСА.

Глобальная гонка: китайский Tianwen-3 и японский MMX от JAXA.

Проведите пальцем, чтобы прокрутить →

Китайская миссия

Веская причина усомниться в окончательной отмене миссии по возвращению образцов с Марса, вместо радикальной переработки проекта с нуля, заключается в том, что другие космические агентства стремятся к реализации собственных миссий со схожими целями.

Учитывая намерение США оставаться ведущей космической державой, политически неприемлемо, чтобы Китай опередил НАСА в этом вопросе, что вполне может произойти, если Китай вернется к этому в 2040-х годах.

Китай объявил о планах миссии по доставке образцов с Марса под названием «Тяньвэнь-3», запуск которой запланирован на конец 2028 года с целью возвращения «Не менее 500 граммов образцов марсианской породы будет доставлено на Землю примерно к 2031 году.».

Несмотря на то, что это гораздо меньший объем выборки, более короткие сроки все же позволят Китаю заявить о победе в борьбе за первую в истории доставку образца марсианской породы на Землю.

Для сбора образцов на борту Tianwen-3 будет использоваться не луноход, а беспилотник, расположенный в нескольких сотнях метров от места посадки.

Весь процесс планирования миссии очень сложен, включает 13 этапов и использует технологии обнаружения на месте и дистанционного зондирования.

«Тяньвэнь-3» станет первой международной миссией, которая проведет бурение на глубину 2 метров для сбора образцов на Марсе.

Хоу Цзэнцянь  - ChУченый IEF миссии «Тяньвэнь-3»

 Японская миссия

Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) объявило о плане под названием Исследование марсианских лун (MMX) для получения образцов с марсианских спутников, Фобоса или Деймоса.

Хотя это и не совсем миссия на Марс, она может представлять большой интерес, поскольку эти небольшие астероиды, вращающиеся вокруг Марса, часто рассматривались в качестве мест для создания постоянной космической станции вокруг красной планеты.

Это также должно быть намного проще, насколько простой может быть посадка на астероид, поскольку зондам и образцам не придется сталкиваться с посадкой и последующим выходом из марсианской гравитационной ямы.

Источник: Многомировые

Инвестиции в марсианских новаторов

1. Локхид Мартин

Lockheed Martin — одна из крупнейших в мире компаний в аэрокосмической и оборонной сфере.

Так что это не только космическая компания, но и та, которая стоит за такими культовыми самолетами, как Вертолеты Black Hawk или визу F-16., а также современное оборудование, такое как визу F-35., летающие радарные самолеты или логистические самолеты, такие как Галактика С-5 & C-130J Супер Геркулес.

Источник: Lockheed Martin

Она также является производителем некоторых важнейших ракетных систем для армии США, таких как ДЖАССМ, дротик, АТАКС и HIMARS, спрос на который чрезвычайно высок после истощения запасов в результате конфликта на Украине.

Он также является важным поставщиком систем противоракетной обороны, таких как военно-морские AEGIS и THAAD (Оборона на больших высотах) против баллистических ракет.

Источник: Lockheed Martin

Однако производство оружия — это не единственное направление деятельности компании. Опыт в области военной авионики и ракет успешно конвертируется в опыт в области ракетной техники и космических аппаратов.

Что касается миссии по возвращению образцов с Марса, компания Lockheed обладает обширным опытом, построив за эти годы 11 из 22 марсианских космических аппаратов НАСА и оказав им всестороннюю поддержку. Компания предложила более дешевую и оптимизированную миссию, которая предполагала использование меньшего по размеру посадочного модуля, меньшего по размеру аппарата для подъема на Марс и меньшей по размеру системы входа в атмосферу.

Целевая цена составит «всего лишь» 3 миллиарда долларов. Посадочный модуль будет построен на основе InSight Lander, который успешно совершил посадку на Марсе в 2018 году.

Компания Lockheed также является главным подрядчиком по проектированию, разработке, испытаниям и производству космического корабля Orion, который является наименее спорной или наименее подверженной сокращению бюджета частью всей программы Artemis.

Компания принимает активное участие в других космических программах, таких как GOES-R, метеорологические спутники, сбор образцов астероидов OSIRIS-REX, зонд Юпитер ИЮНЬи носимый радиационно-защитный жилет, АстроРад.

В целом, от ключевых военных систем до не менее важных космических аппаратов и программ, компания Lockheed Martin находится на переднем крае американских инноваций и исследования дальнего космоса.

Компания должна получить выгоду от последующих итераций программы Artemis, а также от многих других миссий, направленных на изучение дальнего космоса и Марса в долгосрочной перспективе.

(Более подробную информацию о компании вы можете найти в нашем специальном инвестиционном отчете)В центре внимания Lockheed Martin (LMT): лидер в оборонной и аэрокосмической промышленности»).

2. Нортроп Грумман

Northrop Grumman — оборонная аэрокосмическая компания, наиболее известная созданием культовый стратегический бомбардировщик-невидимка B-2, каждый из которых стоит почти миллиард долларов. Этому более чем 20-летнему дизайну на смену придет В-21, который все еще находится в разработке.

Компания также находится на переднем крае космических технологий и, в частности, работала над современный космический телескоп Джеймса Уэбба.

Источник: Northrop

Компания получает большую часть своих доходов от космических и аэронавтических систем, а еще один крупный сегмент — подразделение миссионерских систем — охватывает широкий спектр датчиков, программного обеспечения для киберзащиты, защищенной связи и C4ISR (командование, контроль, связь, компьютеры, разведка, наблюдение и рекогносцировка).

Компания также является ведущим производителем боеприпасов — от малокалиберных до управляемых снарядов и крупнокалиберных.

Источник: Northrop

Компания рассчитывает на свою позицию поставщика современного оружия, разрабатывая и внедряя автономные системы вооружения, такие как X-47B, дрон-вертолет Fire Scout, дроны-разведчики Global Hawk и MQ-4C Triton или будущие автономные ударные дроны..

Компания находится на острие развития оружие прямой энергии (лазеры), радиоэлектронной борьбы (РЭБ), противодронные системы и межконтинентальные баллистические ракеты.

Компания Northrop Grumman поставляет США одни из самых передовых средств, от космических технологий до систем интегрированного управления и тяжелых бомбардировщиков-невидимок.

Отмена проекта SLS может на него повлиять, но компания по-прежнему является лидером в космических технологиях, таких как гиперзвуковые аппараты, системы предупреждения и отслеживания ракет, спутниковая связь и т.д. двигательные установки.

3. Ракетная лаборатория

Rocket Lab — один из самых серьезных конкурентов SpaceX на рынке многоразовых ракет.

Компания изначально сосредоточилась на небольших ракетах с системой запуска «Электрон» (320 кг полезной нагрузки), которая постепенно превращается в частично многоразовая ракета. На данный момент Electron развернула 224 спутников в 70 запусках.

В дальнейшем Rocket Lab рассматривает возможность создания многоразовой ракеты среднего размера Neutron, сопоставимой с Falcon 9 (8,000 кг на низкую околоземную орбиту в полностью многоразовом режиме, 1,500 кг на Марс или Венеру).

Источник: Ракетная лаборатория

Neutron будет оснащен ракетным двигателем, работающим на метане (как Starship), что, судя по всему, станет тенденцией для следующего поколения ракет.

Он будет использовать недавно открытый стартовый комплекс 3, так же как специально построенная посадочная площадка в море, построенная верфью Bollinger Shipyards, крупнейшее частное судостроительное предприятие в США, занимающееся строительством и ремонтом судов.

Источник: Ракетная лаборатория

Компания Rocket Lab предложила использовать нейтрон для Миссия по возвращению образцов с Марса стоимостью 2 миллиарда долларовЭто не первый случай, когда компания Rocket Lab оказывает помощь НАСА:

• предстоящий НАСА ESCAPADEКосмический аппарат (Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers), предназначенный для изучения взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем и атмосферой Марса, будет построен компанией Rocket Lab.
• Она поставляет кубсаты для НАСА. CAPSTONE (Эксперимент по эксплуатации и навигации в рамках проекта «Автономная система позиционирования на окололунной орбите») предназначен для проверки стабильности орбиты вокруг Луны, на которой будет построен предлагаемый агентством космический терминал Lunar Gateway.

Компания также примечательна своим полностью вертикально интегрированным процессом производства спутников, что позволяет ей оптимизировать затраты и скорость проектирования.

В результате было заключено множество контрактов с НАСА и правительством США, в том числе контракт на военный спутник на сумму 515 миллионов долларов. И гражданский контракт на 143 миллиона долларов для Globalstar.

Rocket Lab также является крупным производителем солнечные панели для спутников после приобретения SolAero Technologies в 2022 году, с более чем 1000 спутниками, питаемыми этими панелями, и в общей сложности произведенными солнечными элементами мощностью 4 МВт.

Источник: Ракетная лаборатория

На данный момент ее система запуска зависит от внешних поставщиков, но серия стратегических приобретений меняет ситуацию, применяя к системам запуска стратегию вертикальной интеграции, уже реализованную в проектировании и производстве спутников.

Компания также рассматривает возможность создания телекоммуникационной группировки LEO для получения регулярных доходов. Он также вносит свой вклад в исследования космическое производство с Varda Space Industries и осмотр орбитального мусора.

В то время как SpaceX обладала деловым талантом (и деньгами) Илона Маска, чтобы разработать свою технологию с нуля, Rocket Lab использовала сочетание НИОКР и приобретений для вертикальной интеграции необходимой технологии.

Эта стратегия оказалась весьма успешной в производстве спутников, и теперь компания стремится использовать её для многоразовых ракет. Учитывая текущий денежный поток от производства спутников и успехи Electron, Rocket Lab — хороший кандидат, чтобы догнать SpaceX.

(Более подробную информацию о компании вы можете прочитать здесь в нашем специальном инвестиционном отчете о компании Rocket Lab.)