Интересно, что объем «чистой космонавтики» в этой «космической индустрии» минимален!  Это  индустрия информатики, а не космоса! Космонавтика не есть необходимое условие ее  существования. Более того, в ближайшем будущем надобность в изготовлении спутников связи и их  запуске может вообще отпасть из за бурного развития волоконно-оптических  линий связи (ВОЛС),  морских и наземных. Уже сейчас общая протяженность таких волоконно-оптических линий связи в мире  составляет более 1 млн км. 99% всего мирового Интернет-трафика между континентами проходит по  подводным ВОЛС.   Преимущества ВОЛС: 1. Срок службы составляет 25 лет, против 7-10 у спутников связи. 2. Пропускная способность оптической линии связи может быть на 3-6 порядков больше, чем у канала радиосвязи. ВОЛС могут более эффективно решить проблему растущего потребления 3. Неподверженность радиопомехам, например от солнечных вспышек. 4. Конфиденциальность – невозможность перехвата сообщений на линии связи. 5. Их прокладка не связана с рисками катастроф, как это происходит с   ракетоносителями. Проекты компании ГУГЛ:  Подводный ВОЛС между США (штат Орегон) и Японией в 10 000 км - $ 300 млн, пропускная способность 60 Тб/с. Подводный ВОЛС между США (штат Флорида) и Бразилией в 10 556 км - $ 60 млн (частичная инвестиция), пропускная способность 64 Тб/с.  Компания уже владеет 160 000 км ВОЛС. Стоимость подводной ВОЛС около 40 000$/км, наземной ВОЛС около 10 000$/км. По всем параметрам ВОЛС адекватны спутникам связи, если не превосходят их. Стоимость ВОЛС сопоставима со стоимостью создания и запуском спутника связи. Это приведет к тому, что в ближайшем будущем волоконно-оптические линии связи могут заменить спутники связи практически полностью. В принципе возможна ситуация, когда «космические деньги» $20 млрд в год будут направлены на создание наземных ВОЛС в масштабе 2 млн км в год. Вывод: космонавтику спутников связи ждет серьезное сокращение в течение 20-30 лет. На 38-50%, как это можно понять из представленной диаграммы использования спутников.

Совершенно очевидно, что «принцип экономии», связанный с развитием кибернетики и  заботой о  человеке запрещает ему осваивать космическое пространство. Как это было показано на вышеуказанном  примере. Поэтому, мотивация полета Человека на Луну, Марс и другие планеты могут иметь мотивацией  только политическое решение (как и запрет на захоронения ОЯТ под землей, в скальных породах,  например)*. Которое направлено на освоение  Космоса именно человеком, а не аппаратами.  Которые  кстати, никогда не смогут до конца заменить его творческий ум. И именно Человек является главным  потребителем всех плодов науки и техники. Выводя его в Космос, придется неизбежно осваивать и  Космос, адаптируя земную технику к его потребностям в межпланетном пространстве. Придется   создавать и новую технику, более высокого уровня, которую придется производить в суровой,  ограниченной ресурсами среде обитания. С глобальной точки зрения освоение новых планет и Космоса  могут реально обозначить границы возможного, границы ареала человечества в Космосе, обозначив  проблемы и недостатки  человека как биологического вида, и как существа социального, и его технологий  вкупе. И эти проблемы, найденные "в пространстве", могут также обозначить и проблемы "во времени",  на Земле. А также и найти способы их решения. Полет на Луну был всего лишь прыжком Человечества в  межпланетное пространство. А полет на Марс пилотируемой экспедиции будет первым настоящим  шагом в Космос. Вот с этой точки зрения и интересно разобрать проблемные аспекты полета на Марс.                                                                                       Врач и космонавт Валерий Поляков сформулировал следующие проблемы марсианской  экспедиции:  ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ. Для подобного полета необходимо создание системы жизнеобеспечения так  называемого замкнутого цикла. И если сейчас на орбиту с помощью грузовых кораблей доставляется  необходимый запас воды и продуктов питания, то в длительном полете кораблю, вышедшему за пределы  околоземной орбиты, придется рассчитывать только на собственные ресурсы.  МЕДИЦИНА. Поскольку людям, находящимся в космосе, может понадобиться медицинская помощь,  которую нельзя будет получать с Земли, то в состав команды обязательно должен входить  профессиональный врач. Ему будут помогать автоматизированные диагностические системы, выдающие  предварительный анализ.  РЕЖИМ ДНЯ И НОЧИ. Работа в космосе предусматривает максимальную концентрацию внимания для  работы со сложной аппаратурой, а поскольку 24-часовой цикл человеческой жизнедеятельности в  космосе исчезает, то это обстоятельство ведет к бессоннице. А ведь во время сна снижается активность  пищеварительной системы, замедляется процесс обмена веществ и активизируются восстановительные  процессы в клетках. Если же суточный ритм сбивается, то у космонавтов может развиться такое  заболевание, как десинхроноз. 

ПСИХОЛОГИЯ Многие психологи придерживаются того мнения, что едва ли не самой сложной  проблемой в столь длительном полете является психологическое состояние и совместимость членов  экипажа. Когда группа людей оказывается в ограниченном пространстве, психологи в ряде случаев  отмечают среди них проявление агрессивности, а в результате могут возникать серьезные конфликты,  поэтому важным критерием отбора космонавтов должна стать стрессоустойчивость, а также умение  принимать в критических ситуациях быстрые, правильные решения. Если экспедиция будет  международной, то в ее состав войдут представители разных культур, религий, образа жизни и  философии, значит, нужно заранее просчитать возможные конфликтные ситуации, чтобы постараться их  избежать. Для того чтобы космонавты не чувствовали себя оторванными от Земли, предполагается, что на  космическом корабле необходимо воссоздать иллюзию смены времен года, пения птиц или привычных  для землян запахов.   ИЗЛУЧЕНИЕ Серьезной опасностью, с которой космонавты столкнутся во время межпланетного  перелета и пребывания на Марсе, являются ионизирующие излучения, которые порождают Солнце и  Галактика. Землян от гyбительного воздействия радиации защищают земные атмосфера и магнитное  поле, но в открытом космосе человек уже не может использовать эти преимущества. . Разработанные на  сегодняшний день медицинские препараты - радиопротекторы неспособны полностью решить проблему  защиты человека от воздействия радиации, поэтому для марсианского корабля необходимо создание  надежного радиационного убежища.  НЕВЕСОМОСТЬ Другая опасность для здоровья человека связана с тем, что в космосе отсутствует  гравитация, на Марсе же она составляет всего 38% от земной. Как только человек попадает в космос, его  организм начинает перестраиваться. Сначала из-за перегрузок при преодолении земной гравитации  происходит нарушение вестибулярного аппарата, что может привести к возникновению определенных  иллюзий, вследствие которых совершаются ошибки в оценке расстояний между предметами, а также в  управлении кораблем. Происходит это потому, что механизм кровообращения нарушается, кровь  приливает к голове и для адаптации требуется некоторое время. Однако подобные последствия  невесомости проходят достаточно быстро. В условиях нулевой гравитации перестраивается и  гормональная система, например изменяется концентрация выработки гормонов, связанных с  водносолевым обменом, так как сердце переполняется кровью и не в состоянии сразу переработать  большое ее количество. В организме начинают выделяться гормоны, способствующие удалению из него  этой, как бы лишней, крови, и он через почки начинает терять воду, что ведет к частичному  обезвоживанию организма. Для того чтобы справиться с этими негативными последствиями,  космонавтам необходимо выпивать не менее 3 литров жидкости в день. И все равно целый ряд «эффектов  невесомости» не снимается, что крайне настораживает врачей. Из-за потери минералов, в частности  кальция и калия, происходит разрушение костной ткани и развивается мышечная атрофия. 

Совершенно очевидно, что для многолетних полетов на Марс и другие планеты в первую очередь  необходимо решить проблемы:    искусственной гравитации и радиационной защиты.                                                                                                                             Существуют два способа создания искусственной гравитации – постоянное ускорение при разгоне КА двигателями и с помощью центробежной силы при вращении модуля аппарата вокруг некоего центра. Первый способ идеален для имитации условий гравитации с однородным полем, а также «оптимален» для перелетов. При постоянном  ускорении 9,8 м/с² постоянно разгоняясь на первом отрезке половины траектории  полета в 100 млн. км., и постоянно замедляясь на втором, Марс можно достичь всего за один час! Правда при этом придется достичь скорости 44 000 км/с! Забавно, но на такой скорости  межпланетная плазма станет источником радиации – более 100 бэр/с, энергия протонов плазмы 8 Мэв.                                                                                                                                                                                                                                                                                                      Второй способ сопряжен  в первую очередь с проблемами, которые связаны с cилами Кориолиса.  Они которые затрудняют работу и перемещение внутри КА, вредно воздействуют на вестибулярный  аппарат. Кроме того, адаптация к жизни в «центрифуге», и после нее требует определенного времени.  Изучением влияния сил Кориолиса занимается Лаборатория пространственной ориентации Ashton  Graybiel Spatial Orientation Laboratory (Brandeis University), при поддержке NASA (Office of Biological and  Physical Research). Было установлено, что человек плохо, но все же адаптируется к  влиянию этих сил.   Траектория пальца, тянущегося к кнопке на стене . Правая траектория – первое время работы во вращающейся комнате, в середине – после адаптации, слева – при возвращении                                                             Поэтому компанией United Space Structures предлагается компромиссный вариант, где в КА создается уменьшенная  от земной  сила тяжести– 0,6g. Цилиндрический аппарат диаметром 30 м вращается со скоростью 10 м/с  (6 оборотов в минуту).

Для создания искусственной гравитации предлагают разные компоновки КА. 1. Вращение сегментов КА: 2. Вращение модулей КА, соединенных длинным тросом (минимизация сил Кориолиса): 3. Вращение корпуса жилой части КА, имеющего вид тела вращения – тороида.                                                                                                                                         НАСА предложило проект космической станции, один из модулей которой будет   вращаться, обеспечивая искусственную гравитацию в 0,11-0,69g. Проект получил  название «Наутилус-Х». Диаметр вращающегося модуля будет равен 9,1 либо 12 метров, а сам модуль будет служить спальным местом для 6 космонавтов. Станцию планируется использовать как промежуточную базу для дальних космических перелетов. Одним из этапов осуществления проекта является тестирование вращающейся части на МКС, что обойдется НАСА в 150 миллионов долларов и три года работа. На постройку целой станции по проекту Наутилус-Х уйдет около 4 миллиардов.

Космическая радиация и защита от нее. Единицы измерения.                                                                                                                                               1 зиверт — это количество энергии, поглощённое килограммом биологической ткани, равное по  воздействию поглощённой дозе гамма-излучения в 1 Гр  1 Зв = 1 Дж/кг  (для излучений с коэффициентом качества, равным 1,0).  Бэр - (биологический эквивалент рентгена; англ. roentgen equivalent man, rem) — устаревшая  внесистемная единица измерения эквивалентной дозы ионизирующего излучения. До 1963 года эта  единица понималась как «биологический эквивалент рентгена», в этом случае 1 бэр соответствует такому  облучению живого организма данным видом излучения, при котором наблюдается тот же биологический  эффект, что и при экспозиционной дозе гамма-излучения в 1 рентген[1]. В СИ бэр имеет ту же  размерность и значение, что и рад — обе единицы равны 0,01 Дж/кг для излучений с коэффициентом  качества, равным единице.  100 бэр равны 1 зиверту , 1 Рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.    1 эрг = 10⁻⁷ Дж 

КАКОМУ РИСКУ ПОДВЕРГАЮТ СЕБЯ КОСМОНАВТЫ?  Космические путешествия могут быть очень опасны для здоровья. На диаграмме показаны оценки  годичной дозы облучения космическими лучами. Бэр (биологический эквивалент рентгена) - стандартная  единица радиационного облучения. За год межпланетного путешествия космонавт получит бoльшую дозу,  чем работник атомной станции за всю жизнь. Солнечные вспышки и ван-алленовские радиационные пояса  Земли смертельно опасны для человека. 

 в ходе полета к Марсу космонавты будут получать дозу не менее 80 бэр в год. Для сравнения: предельно допустимая доза для работников атомных электростанций в США составляет 5 бэр в год. В итоге естественные биологические механизмы восстановления организма человека могут не справиться с нагрузкой, и от рака погибнет каждый десятый отправившийся в космос мужчина и каждая шестая женщина. Кроме того, тяжелые ядра могут стать причиной катаракты глаза и повреждений мозга. Постоянный поток космических лучей - не единственный источник радиации. На Солнце тоже могут происходить гигантские выбросы протонов и более тяжелых ядер.    Иногда такие выбросы в течение часа добавляют пару сотен бэр радиации, т.е. смертельную дозу для незащищенного космонавта. Известный пример - гигантская вспышка 23 февраля 1956 г. Космические лучи могут стать причиной катаракты, повреждений мозга, раковых заболеваний. По оценке NASA, каждый год космические лучи уничтожали бы в теле космонавта около трети ДНК.

Состав космических лучей • Нейтроны – их практически нет. Главный источник вторичных нейтронов – наведенная радиация от  взаимодействия высокоэнергичных протонов и ядер с материалом вещества.  • Рентген и гамма радиация – очень мало. Главный источник Солнце и незначительно галактическое  излучение  “Рентгеновский поток от спокойного Солнца равен 10^-4эрг/см²с - 10^-5эрг/см²с,и лишь во время мощных                                               вспышек достишает значения 1 эрг/см²с”  (В.Л. Гинзбург "Теоретическая физика и астрофизика", М.Наука 1980г, с.474). Также может появляться при взаимодействия высокоэнергичных протонов и ядер с материалом вещества. Если принять габариты человеческого тела как:  площадь 1 м²,  вес 60кг,  то  при спокойном Солнце  поглощенная энергия рентгена соответствует 10^-7Дж/с, что  соответствует                                     1,7* 10^-7 бэр/с. Во время вспышек мощность дозы может  достигать  1,7* 10^-3 Дж бэр/с.  Количество                               вспышек бывает от 1 за несколько месяцев до 10-20 за сутки, продолжительность несколько минут.  (КОНСТАНТИНОВСКАЯ  Л. В., Астрономия, “Солнечная активость” www.astronom2000.info ). Гамма  излучение  во время солнечных вспышек изучалось на российских спутниках «КОРОНАС». (Ю.Д. Котов.                   "Высокоэнергичнык вспышечные процессы на Солнце и их исследование на российских спутниках  КОРОНАС". УФН, июнь 2010г, т.180, №6 с.647-670 ). За три года работы ИСЗ "КОРОНАС-Ф" зарегистрировал гамма-излучение с энергией  выше 500 кэВ в 28 солнечных  вспышках. 28 октября 2003 г. и 4 ноября 2003 г. было зарегистрировано гамма-излучение с  энергией плоть  до 100 МэВ. (Кузнецов, В. Г. Курт, "Гамма-излучение и нейтроны солнечных вспышек, в 2001-2004 гг."  "Солнечно-земная  Физика "  http://www.kosmofizika.ru/sinp/solar_gamma.htm ) Максимальная  зарегистрированная энергия гамма квантов  солнечных вспышек составила 300 Мэв, а мощности всплеска порядка 2*10^-6Дж/с, что составляет 1,7* 10^-6 бэр/с. Понятно, что здесь главную проблему может представлять собой  только мягкий рентген, интенсивность  которого максимальна  в длинноволновой области (закон излучения черного тела Стефана-Больцмана), и от которого легко защититься. Для поглощения жесткого рентгена энергией 20 кэВ с 10-кратным ослаблением достаточно защиты материала обшивки КА:                                                                                                                                                     Сталь -    0,02 мм  Алюминий -  0,12 мм.                                                                                                                  Для поглощения гамма излучения с минимальной энергией 250 кэВ с 10-кратным ослаблением достаточно защиты                                                                                                                                                                                                 Сталь  -   23 мм  Алюминий – 75 мм   Вода – 350 мм Свинец – 3 мм                                                               Защита кораблей по программе Аполлон составляла 7, 5 г/см ²  3. Заряженные частицы, протоны, ядра элементов, электроны                                                                        Солнечный ветер                                                                                                                                                                                

Солнечные вспышки. Установлено, что наибольший вклад в суммарную дозу вносят солнечные протоны с энергией  20-500 МэВ. Частицы  меньших энергий эффективно поглощаются обшивкой КА. Относительно небольшие СПС дают макс. поток протонов с энергией 100 МэВ не выше 10²-10³ см^-2с^-1, что сравнимо с потоком протонов во внутреннем радиационном поясе Земли. Максимальный поток протонов с энергией более 100 МэВ от наиболее мощного СПС 23 февраля 1956  г. составил 5*10³ см^-2с^-1  (0,03 Бэр/с)  Значения максимальных потоков протонов во время мощных СПС растут по мере уменьшения энергии. Так, 4 августа 1972 г. поток протонов с 50 МэВ превышал  5*10⁵ см^-2с^{- 1}. ( 1,33 Бэр/с ). Мощные СПС происходят не чаще одного в несколько лет, так что космические полеты малой длительности относительно безопасны. (Мирошниченко Л.И. «Физика Космоса», 1986г. http://www.astronet.ru/db/author/11352 ) Электронная доля всегда больше, чем протонная, в 10-100 раз, а их энергии в 100 раз меньше. Защититься от протонов солнечных вспышек можно  за обычной алюминиевой броней  в 4 см в специальном отсеке.

Спектр протонов солнечного космического излучения Верх. предел энергии СКЛ  2 10⁹ эВ

Мотивации.   Цели марсианской экспедиции: 1. Научно познавательная. 2. Возможность реализации сложнейшего научно-технического проекта, реализация  которого ставит новые инженерно-технические задачи. Их реализация даст новые результаты в обычной гражданской отрасли (открытия и изобретения). Выполнение самого проекта будет  стимулом для развития земной  науки и  техники,  способом раскрытия  их возможностей. То есть, это стимул для научно-технического прогресса. Исторический аналог – лунная программа США прошлого века. 3. Политический аспект – возможность проявить добрую волю  разным странам для преодоления политических разногласий и напряженности. 4. Преодолеть кризис пилотируемой космонавтики, и космонавтики вообще.   Развитие кибернетики и электроники позволяет минимизировать присутствие человека в Космосе, что разумно для его безопасности. Но, парадоксальным образом это ведёт и к минимизации самой космонавтики. Сегодня наиболее развита единственно связанная с Космосом индустрия  спутниковой связи, спутников наблюдения и ДЗЗ. Данные на 2010 год:   Услуги спутниковой связи:                                    $93 млрд,      из них       - непосредственное  вещание:                                             $75,3 млрд,       - фиксированная спутниковая служба:                                $14,5 млрд,       - мобильная спутниковая связь:                                             $2,2 млрд.  Метеоспутники и ДЗЗ                                             $1 млрд.  Производство  наземного оборудования:           $50 млрд, Производство спутников:                                 $13,5 млрд   Пусковые услуги:                                                 $4,5 млрд.     Итого в сумме $162 млрд., из них «чистая космонавтика» составляет всего то $18 млрд. Объем рынка спутниковой связи постоянно растет: 256 млрд$ в 2013 г.

          Полет на Марс 

Но, намного труднее защититься от протонов и заряженных ядер галактической радиации.