Мировой океан покрывает свыше 70% земной поверхности и, по оценкам ученых, процентов на 80 не изучен. Фактически мы знаем намного больше про Марс и Луну, чем про океанское дно.
Миссия НАСА призвана изменить это. Американское космическое ведомство ставит перед собой двоякую цель: понять природу океанов, существующих на других планетах, и развить технологии для работы в экстремальных условиях. Задача сопряжена с многочисленными сюрпризами и опасностями.
У океанских глубин и космоса много общего. И там, и здесь враждебная человеку среда не позволяет ему выживать без специальных аппаратов, хотя и разных. По мнению НАСА, условия на океанском дне похожи на те, с которыми предстоит столкнуться на некоторых планетах Солнечной системы. Можно даже получить подсказку, где искать следы внеземной жизни.
Океан на глубинах свыше пяти километров считается ультраабиссальной зоной, труднодоступной бездной, «зоной Аида» (по имени древнегреческого бога подземного царства). Это вполне заслуженное название. Дно там изрыто расщелинами и котловинами.
Максимальная глубина Мирового океана составляет 11022 метра (в Марианской впадине Тихого океана между Филиппинами и Гуамом). Это место еще называют бездной «Челленджера» в честь открывшего его в 1951 году британского исследовательского судна.
Общая площадь океанского дна ультраабиссаля примерно равна площади Австралии. Аппаратов, способных погружаться так глубоко, единицы.
Именно там НАСА в сотрудничестве с Океанографическим институтом в Вудс-Хоуле, штат Массачусетс, проверяет границы возможного. В своих профессиональных разговорах исследователи употребляют термины, обычно применяемые только к космосу, вроде «спускаемый модуль» и «аварийная посадка».
Инженеры Лаборатории реактивного движения, что в штате Калифорния, создают новый автономный зонд под названием «Орфей» (по имени героя древнегреческой мифологии, путешествовавшего в царство Аида). Аппарат использует те же средства навигации, что и марсоход «Персеверанс», и оборудован высокочувствительными камерами и датчиками, с помощью которых робот может изучать камни, раковины и живые организмы, а также создавать трехмерные карты участков дна с обозначенными на ней приметными местами (это позволит «Орфею» находить дорогу и узнавать места, где он уже побывал).
«Орфей» — прорывное достижение, — говорит руководитель программы морской биолог Тим Шенк. — Если он заработает, в океане для нас не останется мест, куда нельзя попасть».
Шенк не впервые пытается добраться до мрачных глубин «зоны Аида». В 2014 году предшественник «Орфея» зонд «Нерей» опустился в расщелину Кермадека северо-восточнее Новой Зеландии. На глубине примерно 10 км аппарат был раздавлен колоссальным давлением.
«Через 12 часов после погружения мы увидели, что он разлетелся на мелкие кусочки», — рассказывает Шенк.
По его словам, потеря «Нерея» заставила испробовать новые технические решения. Размером с гидроцикл и весом 250 кг, «Орфей» намного легче, меньше и дешевле. Это также делает его более маневренным, позволяя проникать в ранее недоступные места.
Спутник Юпитера на Земле
Морские биологи долгое время полагали, что жизнь в «зоне Аида» невозможна. С началом глубоководных погружений в середине прошлого века выяснилось, что это не так.
Однако продолжало доминировать мнение, что глубоководные организмы питаются исключительно останками существ, обитающих ближе к поверхности.
В основе океанской пищевой цепочки лежит фотосинтез. Считалось, что водоросли и бактерии преобразуют энергию Солнца в сахара, их поедают «травоядные» организмы, а тех — хищники.
Останки и экскременты опускаются на дно (существует специальный термин «морской снег»), и ими-то и питаются глубоководные обитатели. Ученые не сомневались, что последние не могут быть сколько-нибудь сложными из-за скудости ресурсов, чудовищного давления, мрака и холода.
Гипотезу пришлось пересмотреть в 1977 году, когда американский беспилотный зонд погрузился в Тихий океан на глубину 2440 метров в районе одного из так называемых гидротермальных каналов, где придонные воды нагреваются вулканами.
К своему немалому удивлению, исследователи обнаружили там активную разнообразную жизнь, включая прежде неизвестных науке светящихся слизней, ракообразных и моллюсков величиной с блоху.
«Открытие перевернуло все наши представления о жизни на Земле, — говорит Тим Шенк. — Выяснилось, что эти организмы получают энергию не от Солнца, а из химических веществ, проникающих в воду сквозь донные трещины».
Правда, оставался другой вопрос: как они выдерживают огромное давление?
«Давление там составляет 15 тысяч фунтов на квадратный дюйм (свыше тонны на квадратный сантиметр), — говорит Шенк. — При таком давлении живые клетки должны разрушаться».
Позднее биологи выяснили, что глубоководные организмы сумели приспособиться к этому. В клетках крупных ракообразных, слизней и других жителей ультраабиссала содержатся специальные энзимы — пьезолиты. Они увеличивают объем белка и сокращают полости внутри клеток, делая их монолитными, и так противостоят давлению.
«Механизм отчасти напоминает то, как палатку укрепляют изнутри распорками», — объясняет Шенк.
Открытие организмов, способных не только выживать, но и процветать в столь неблагоприятных условиях, заставило биологов задаться вопросом, выходящим за земные рамки: не встретим ли мы нечто подобное и на других планетах?
На спутнике Юпитера Европе под слоем льда скрывается соленый океан глубиной от 60 до 150 километров, содержащий вдвое больше воды, чем все океаны Земли. Солнечный свет не проникает сквозь ледяной панцирь, хоть он и испещрен трещинами и разломами. Давление там сопоставимо с тем, что наблюдается в «зоне Аида».
«Вот вам Европа на Земле! — восклицает Шенк. — Не вижу, как мы сможем исследовать Европу, не изучив то, что происходит у нас».
Роботы, предназначенные для погружения в глубины земных океанов, теоретически смогут проделывать то же самое на спутнике Юпитера, отстоящем от нашей планеты на 628,3 млн километров.
«Дно океана является испытательным полигоном технологий для полетов к планетам-океанам», — говорит инженер лаборатории в Пасадене и один из разработчиков «Орфея» Рассел Смит.
Разумеется, от робота, работающего в океанских глубинах или в открытом космосе, требуется полная автономия. «Он должен быть способен принимать решения», — указывает Смит.
По его словам, создание аппарата, могущего самостоятельно находить и классифицировать молекулы ДНК, определять химический состав воды и доставлять образцы на поверхность — задача огромной сложности.
«Орфею» придется справляться не только с давлением, но и огромными перепадами температуры — в целом в абиссальной зоне она чуть выше нуля, но вблизи гидротермальных каналов может достигать +370.
«Изготовить зонд, способный уцелеть в таких условиях, весьма непросто, — рассуждает Рассел Смит. — Требуются очень толстые и полностью водонепроницаемые стенки, чтобы защитить аппаратуру».
Корпус «Орфея» будет сделан из синтактической пены — композитного плавучего материала, состоящего из эпоксидной смолы, начиненной микроскопическими стеклянными шариками. В ход идут ее остатки от постройки батискафа Deepsea Challenger, в котором кинорежиссер Джеймс Кэмерон в 2012 году погрузился на дно Марианской впадины.
Поскольку на глубине темно хоть глаз выколи, «Орфей» предполагается оснастить мощным прожектором-вспышкой. Если бы он работал непрерывно, запаса батарей хватило бы ненадолго, так что для экономии энергии робот будет включать его, только делая снимки или собирая образцы.
Лунная миссия
В 2017 году НАСА приступило к проекту под названием Systematic Underwater Biogeochemical Science and Exporation Analog, известный как Subsea, с целью объединить изучение космоса и океана.
К настоящему времени агентство направило дистанционно управляемые зонды к двум геотермальным каналам, расположенным на относительно небольшой глубине — подводной горе Лоихи в 30 км от Гавайев и гряде Горда, что в 120 км от того места, где на суше граничат штаты Калифорния и Орегон.
Считается, что вулканическая активность там подобна той, что гипотетически существует в океанах на Европе и спутнике Сатурна Энцеладе.
«Проект был направлен на поиск точек с условиями, аналогичными тем, которые предположительно можно обнаружить в таких местах, как Энцелад», — говорит руководитель Subsea, геобиолог НАСА Дарлен Лим, одновременно занимающаяся подготовкой астронавтов для экспедиций на Луну и в глубокий космос.
Программа Subsea помогла ученым больше узнать о строении геотермальных каналов, химическом составе донных пород и воды и окружающей их жизни.
«Эти каналы очень полезны для науки, — говорит Дарлен Лим. — Наблюдая за изменениями температуры при смешивании разогретой вулканом и холодной воды, можно прийти к важным выводам относительно будущих исследований океанов в других мирах».
До отправки зондов к Европе и Энцеладу остаются десятилетия, но НАСА уже применяет полученные данные на практике.
В 2023 году агентство отправит луноход для разведки льда на южном полюсе спутника Земли. Миссия Viper (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) будет искать лед в кратере Нобиле, чтобы в дальнейшем использовать его как источник питьевой воды для будущих колонистов и сырья для изготовления на месте ракетного топлива.
На Луне робот столкнется с некоторыми техническими проблемами, аналогичными тем, что возникают при глубоководных исследованиях.
«Мы берем всё, чему научились в ходе выполнения программы Subsea и применяем в программе Viper,» — говорит Дарлен Лим, одновременно — руководитель первой программы и заместитель руководителя другой.
Одна из целей программы Subsea состояла в том, чтобы убедиться в возможности решать исследовательские задачи в экстремальной обстановке, как в плане коммуникации, так и в плане технологий.
В изучении океана и космоса имеется много общего. В обоих случаях роботы направляются в опасную среду, непригодную для человека, и ими надо управлять на расстоянии. Приобретенный опыт поможет будущим астронавтам приготовиться к управлению автоматами с лунной базы.
Во время экспедиций по программе Subsea в море погружались меньше десяти ученых, но они взаимодействовали с гораздо более многочисленной группой коллег на берегу. В ходе реализации проекта Viper команде предстоит управлять роботом с Земли в режиме реального времени, анализировать данные и быстро, по обстановке принимать решения.
Для подобных миссий критическое значение имеет эффективная связь, указывает психолог НАСА, специалист по подготовке персонала для работы в сложных условиях и автор книги «Как провести время на Марсе» Зара Мирмалек, участвующая в обоих проектах.
В ходе глубоководных экспедиций приходится постоянно принимать решения по ходу изменений погоды, температуры и солености океана. «Времени всегда меньше, чем рассчитываешь, — замечает она. — На глубине работать тяжело — даже оборудование не всегда справляется».
В космосе возможностей для связи еще меньше. В качестве тренировки Мирмалек ограничила общение участников проекта Subsea друг с другом одним разом в день.
«Провалов не случилось — они достигли всех поставленных целей», — говорит она.
«То, чему мы научились во время совместной работы с океанографами, для нас незаменимо и бесценно. Теперь мы сможем планировать операцию Viper намного увереннее», — отмечает Даррел Лим.
И космические полеты, и глубоководные экспедиции помогают человечеству по-новому взглянуть на нашу Землю. По словам представителей НАСА, его океанская программа уже принесла тысячи научных открытий.
Они могут оказаться жизненно необходимыми для защиты океанов от загрязнения, считает Лора Лорензони, специалист отдела морской биологии и геохимии департамента научных исследований НАСА.
«Нужно знать океан, чтобы спасти его. Это критически важно для всей жизни на Земле. Замеры, которые интенсивно проводило и продолжает проводить НАСА, способствуют устойчивому использованию ресурсов моря», — говорит она.
Каждый шаг к другим мирам помогает чуточку больше узнать и о неизведанных местах на нашей голубой планете.
