Решение главной загадки Марса – скрывает он жизнь (или же хотя бы скрывал) или нет – дело непростое и, что немаловажно, не дешевое. Проработка миссий по забору и доставке на Землю марсианского грунта – единственный способ разрешить загадку жизни, ведь набор инструментов любого зонда или марсохода очень ограничен – показала опасность астрономических цен – до 10 миллиардов долларов. Но билет в оба конца может оказаться дешевле, если использовать одно из небольших достижений человечества – электричество.

Миссия по доставке грунта (так и называется – Mars sample return mission, MSR) потребует использования мощных электрореактивных двигателей и эффективных солнечных панелей. Некоторые из этих технологий сейчас разрабатываются (например, в ходе седьмой рамочной программы ЕКА), а некоторые уже готовы к использованию. Использование двух этих компонент позволит значительно облегчить аппарат, сократив запас химического топлива, необходимого для корректировки траектории, посадки, подъема и перелета домой.  «Шансы получить надежные технологии, необходимые для проекта MSR к 2020 году, неплохи», –говорит Вольфганг Сиболд, физик Германского аэрокосмического центра. Кроме сокращения массы и потому стоимости, электрореактивные двигатели могут позволить быстрее добраться до Марса. Сокращение времени путешествия в скором времени станет не менее важно, чем сокращение его стоимости, ведь и США, и Россия считают следующей серьезной задачей в исследовании космического пространства пилотируемый полет на Марс. Возможность долететь быстрее означает меньше времени, когда космонавты подвергаются воздействию космических лучей (опять же, чем мощнее защита о радиации, тем больше масса аппарата, а значит его стоимость и запас топлива – еще масса, и так далее). Ну и в конце концов, космонавты устанут год читать книги (а их мышцы серьезно пострадают в невесомости).

Химическое топливо остается неотъемлемым элементом космических полетов. Без мощной тяги, создаваемой пи сжигании топлива, ракета-носитель не сможет преодолеть притяжение Земли. Однако если раньше, во время космической гонки, этот же метод использовался и при дальнейшем маневрировании, сейчас ситуация меняется. Большая часть аппаратов дальнего космоса, правда, все еще используют надежные химические двигатели, но аппараты с малой тягой уже есть, и их роль все возрастает. Ионные двигатели позволяют получать тягу, практически не затрачивая рабочее тело. Но за все надо платить. Если в случае химических двигателей маневры обычно длятся недолго, но заметно корректируют орбиту, двигатели малой тяги должны работать постоянно или почти постоянно – время, сравнимое со всем временем перелета. Это накладывает ограничения на ориентацию аппарата в течение всей миссии, а расчет маневров становится сложнее. За уменьшение массы и стоимости аппарата приходится расплачиваться его усложнением. На такой шаг идут создатели MSR. Выйдя на орбиту Земли при помощи ракеты-носителя и, возможно, разгонного блока, использующих химическое топливо, аппарат перейдет на электрореактивный двигатель. Имеющийся на борту аппарата незначительный запас ксенона будет превращаться в поток ионов, и эта плазма, имеющая низкую массу, но очень высокую скорость, создаст небольшую тягу, которая поведет аппарат к Марсу. Источником энергии будут служить солнечные панели, ведь для работы двигателя нужно постоянное электропитание. Это еще один минус таких миссий. В случае использования химических двигателей аппарат, помещенный на орбиту перехода, выключается на несколько месяцев, до следующей коррекции. Установка солнечных панелей (большей площади по сравнению с обычным перелетом или вместо небольшого ядерного источника питания) приведет к увеличению массы аппарата, но выигрыш в массе топлива его легко покроет.

Стандартная схема миссии по забору грунта включает два аппарата – орбитальный и спускаемый. Спускаемый аппарат должен собрать образцы грунта небесного тела. В его состав должен входить отдельный возвращаемый модуль, в который помещаются образцы, и модуль, используя химическое топливо для преодоления гравитации тела, поднимается на орбиту, стыкуется с орбитальным аппаратом и начинает путешествие на Землю. Орбитальный аппарат вполне может использовать двигатели малой тяги, более того, спускаемый аппарат может быть частью орбитального. Это наилучший вариант, так как он позволяет проводить запуск одного аппарата и уменьшить число служебных систем – те же двигатели, будь они малой или большой тяги, нужны лишь в одном наборе, но с большим запасом топлива. Если же используется электрореактивный двигатель, то даже увеличенная масса топлива составит мизер по сравнению с химическим топливом спускаемого модуля и всей массой аппарата. Идеальным будет аппарат, который можно будет запустить на борту ракеты-носителя среднего класса, в первую очередь Союза с разгонным блоком Фрегат. Система электропитания по-хорошему должна быть аналогична стандартным, часто используемым – например, 20-киловаттные солнечные панели, используемые в телекоммуникационных спутниках на геостационарной орбите.

Существует, однако, ряд проблем, связанных с электрореактивными двигателями (кроме установки более тяжелых солнечных панелей). Из-за ограниченной тяги и принципиально другой схемы перелета, изменяются стандартные окна запуска – моменты, когда лететь к Марсу проще (нужно меньшее приращение суммарной характеристической скорости в ходе полета). Далее, такие двигатели пока только начинают использоваться, и скорее всего придется разрабатывать систему с нуля. Это повысит ее стоимость, и отнюдь не очевидно, что возросшая цена может быть компенсирована экономией при запуске. Этот фактор сильно зависит от миссии BepiColombo, запланированной на 2015 год. Задача аппарата – добраться до Меркурия на малой тяге. Если удастся использовать хотя бы часть технических решений двигательной установки этого аппарата, стоимость следующего сильно снизится. Из-за новизны электрореактивных двигателей нет уверенности в их надежности и времени службы. Конечно, в расчетах, на бумаге, такая система очень надежна и должна работать и давать тягу очень долго, но предвидеть все сюрпризы космоса нельзя. То же относится к солнечным панелям, повреждаемым солнечным ветром и космическими лучами и ударами микрометеороидов.

Несмотря на все эти сложности, человечество не стоит на месте, используя химическое топливо. Среди гигантов космической индустрии, переходящих на электрореактивные двигатели – Боинг, планирующий перевести большую часть своих геостационарных аппаратов на малую тягу, как для поддержания их на орбите, так и для перехода с низкой или переходной орбиты, куда их может вывести разгонный блок. Европейское космическое агентство планирует разработку 30-киловаттных солнечных панелей и двигателей малой тяги, работающих с мощностью до 20 киловатт, к 2020 году. В то же время опробование технологии на небольших аппаратах и в экспериментах на борту МКС должно повысить уровень доверия к новой технологии.

«Международная космическая станция может стать отличным местом для тестирования новых двигательных систем в условиях космоса, – говорит Сибольд. – Также может быть испробовано и питание при помощи крупных, раскладываемых солнечных панелей».