Кіріспе

Марс миссиясы – Марста тау жыныстары мен шаң үлгілерін жинау.

Марс үлгісін қайтару (MSR) миссиясы – Марста тау жыныстары мен шаң үлгілерін жинап, Жерге қайтаруды көздеген ұсынылған миссия. Мұндай миссия ғарыздық аппараттағы сенсорлармен салыстырғанда, үлгілерді кең ауқымда талдауға мүмкіндік береді. Қайтарылған Марс үлгілерінен Жер биосферасының қосымша ластану қаупі бар екені айтылды, бірақ мұндай оқиғаның болу ықтималдығы төмен деп саналады. Қазіргі кездегі ұсыныстар: NASA және ESA ұсынысы; CNSA ұсынысы, Tianwen 3; Roscosmos ұсынысы, Mars Grunt; және JAXA ұсынысы, Martian Moons eXploration (MMX). NASA мен ESA-ның үлгілерді Жерге қайтару жоспарлары 2023 жылға дейін әзірлеу кезеңінде болса да, үлгілер Марста Perseverance марсоходы арқылы жиналды. 2024 жылдың қаңтарында NASA-ның ұсынылған жоспары бюджеттік және кестелік мәселелерге байланысты сынға ұшырады және жаңа қайта қарау жоспары қабылданды. 2024 жылдың сәуірінде NASA бастапқыда жоспарланған 7 миллиард долларлық шығын және 2033 жылғы күтілетін үлгіні қайтару мерзімі 11 миллиард долларға және 2040 жылға дейін ұзартылды деп хабарлады, бұл агенттікке жақсырақ шешім іздеуге түрткі болды. Үлгілер болашақта әлі құрылмаған құралдармен қайта талдануы мүмкін. 2006 жылы Марсты зерттеу бағдарламасының талдау тобы Марсты зерттеуге қатысты 55 маңызды зерттеуді анықтады. 2008 жылы олар зерттеулердің шамамен жартысын "MSR оларды белгілі бір дәрежеде қарастыра алады" деген қорытындыға келді, бұл MSR-ді "барлық зерттеулер тізімі бойынша ең көп прогреске жететін жалғыз миссия" деп атады. Сонымен қатар, зерттеулердің маңызды бөлігі қайтарылған үлгілерсіз мағыналы түрде дамытылмайтыны хабарланды. Марс үлгілерінің бір көзі – Марс метеориттері деп саналатын, яғни Марстан шығарылып, Жерге жеткен тастар. 2023 жылға қарай 79 000-нан астам белгілі метеориттердің арасында 356-сы Марс метеориттері ретінде анықталды. Бұл метеориттердің Марстан келгеніне олардың элементтік және изотоптық құрамының Марста табылған тастар мен атмосфералық газдарға ұқсас болуы себеп.

1990 жылға дейін

Марстан қайту туралы техникалық әдебиеттерде Аполлон әлі дамып жатқан кезде және Марстың басынан өткен алғашқы ғарыш кемесі іске қосылмас бұрын пайда болды, сонда Марсқа адамдармен бірге ұшу мүмкіндігі күтілді. Сол кезде Марс атмосферасының тығыздығы белгісіз болғандықтан, Lockheed компаниясының инженері 15 тонналық ұшыру құралының кездесу орбитасына жетуі үшін әртүрлі аэродинамикалық кедергі жағдайларындағы траекториялық мүмкіндіктерді талдап, хабарлама жасады. NASA-да Марстан үлгілерді қайтару мәселесі 1970 жылдардың басында Лэнгли зерттеу орталығы мен реактивтік қозғалыс зертханасы бірлесіп зерттеді, дәл сол кезде Викинг Марс қондырғысы жасалып жатқан еді. Лэнглидің бір авторы "Марс бетінен орбитаға ұшуға арналған ұшыру құралының" жоғары тиімділікке ие болуы керектігін атап өтті, себебі оның массасы "алдыңғы миссия кезеңдеріне, құралды Марсқа жеткізуге және Марста ұшыруға дайындыққа қатысты талаптарға елеулі әсер етеді". Кем дегенде үш онжылдық бойы ғалымдар Марстан геологиялық үлгілерді қайтаруды жақтады. Алғашқы ұсыныстардың бірі – Марсты зерттеу үшін үлгілерді жинау (SCIM) жобасы, ол Марстың жоғарғы атмосферасы арқылы өтіп, жерге қонбай немесе орбитаға шықпай, шаң мен ауа үлгілерін алуды көздеді. Кеңес Одағы 1975 жылы Марс 5NM үлгісін қайтару миссиясын қарастырды, бірақ оны іске қосуға тиіс N1 ракетасының қайталап сәтсіздікке ұшырауына байланысты тоқтатты. Тағы бір үлгіні қайтару миссиясы, 1979 жылы жоспарланған Марс 5M (Марс 79) күрделілігі мен техникалық қиындықтарға байланысты тоқтатылды. 1980 жылдардың ортасында JPL миссия жоспарлаушылары MSR-дың "бюджеттік және басқа да қысымдардың нәтижесінде 90-жылдарға ықпал еткенін" және оралу сапарының "үлкен қозғалтқыш талаптарын" қоятынын атап өтті. Олар Жерден 9,5 тонналық жүкпен ұшуға арналған идеялық массалық бюджетті ұсынды, оның ішінде Жерге оралу үшін Марс орбиталық аппараты, 400 кг салмақты ровер және 2 тоннадан астам салмақты "Марс қайту көлігі" бар. Жерге 20 кг үлгі контейнері келеді, онда 5 кг үлгілер болады, оның ішінде Марс топырағының барлық түрлерінен алынған ғылыми сападағы өзектің үлгілері бар. 1980 жылдардың соңында бірнеше NASA орталықтары Марс роверінің үлгіні қайтару миссиясына (MRSR) үлес қосты. JPL авторлары сипаттағандай, MRSR-дың бір нұсқасы Марс орбиталық аппаратын және Жерге оралу көлігін, 700 кг салмақты роверді және 2,7 тонналық Марсқа ұшу көлігін (MAV) қамтитын 12 тонналық жүк пакетін бір рет ұшыруға негізделген, бұл үлкен массаны үнемдеу үшін сорғымен жұмыс істейтін сұйық қозғалтқышты пайдалануды көздеді. MAV-тағы 20 кг үлгі пакетінде 5 кг Марс топырағы болуы керек еді. Джонсон ғарыш орталығының авторы кейіннен 1998 жылы Жерден ұшуды, MAV массасы 1400-1500 кг аралығында болатынын, сорғымен жұмыс істейтін бірінші сатысы және қысыммен жұмыс істейтін екінші сатысы бар екенін атап өтті.

1990 жылдан бастап

1993 жылдың қыркүйегінде "Марс обсерваторының" сәтсіздігінен кейін құрылған АҚШ-тың Марсты зерттеу бағдарламасы Марс үлгілерін қайтаруды қолдады. Бір архитектураны 2000 жылдардың басында Гленн Дж. Макферсон ұсынды. 1990 жылдардың ортасында NASA, JPL және Lockheed Martin компанияларына қолжетімді шағын масштабтағы MSR миссиясының архитектурасын зерттеуді қаржылады, соның ішінде 100 кг MAV-ды пайдалана отырып, Марстың 500 грамм үлгісін қайтару тұжырымдамасы бар, ол кездесу үшін шағын Марс орбитасына келіп, Жерге қайтаруға мүмкіндік береді. Адамды Марсқа жіберуді ұзақ жылдар бойы қолдаған Роберт Зубрин 1996 жылы MSR-ге ең жақсы тәсіл – Марста жасалған отынды пайдалана отырып, Жерге тікелей ұшу болады деген қорытындыға келді, себебі Марс орбитасында кездесу тым қауіпті болар еді, ал ол тікелей қайта оралатын MAV массасы 500 кг болады деп есептеді. Халықаралық сарапшылар да осы пікірмен келісті. 1997 жылы дәстүрлі шағын масштабтағы зымыран технологиясының (қатты және сұйық отынды) егжей-тегжейлі талдауы белгілі қозғалтқыш компоненттері бірнеше жүз килограммға жеңіл MAV жасау үшін тым ауыр болатынын анықтады және "Жаңа аппараттарды шағын масштабта әзірлеу үшін ұшу аппараттарын жобалау принциптерін қолдану" ұсынылды. 1998 жылы JPL 2005 жылы MSR миссиясына арналған, Марсқа ұшып шыққанда 600 килограмм немесе одан аз салмақты екі сатылы қысыммен қоректендірілген сұйық қос отынды MAV-тың жобасын ұсынды. Сол JPL авторы жеңіл төмен қысымды сұйық отынды бактар мен ықшам жоғары қысымды итермелеу камераларын қамтамасыз ету үшін сорғымен қоректендірілген қозғалтқышты пайдалану арқылы кішірейтуге арналған 200 кг-дық бір сатылы MAV-та жұмыс істеді. Бұл массалық артықшылықты сорғымен қоректендірілген операцияға қатысты 100 кг MAV-қа арналған концептуалды бюджетке қолданды, оның массалық бюджеті моноотынды пайдалана отырып Марс орбитасына жетуге сәйкес келеді, бұл ішінара бір ғана бактың қарапайымдылығымен мүмкін болды, сонымен қатар Марсқа қону үшін де қолданылады. Жоғары қысымды қозғалтқыштар мен сорғылар 1994 жылы 21 кг салмақтағы зымыранның тәжірибелік ұшуы кезінде көрсетілді. 1999 жылдың соңында MSR миссиясы 2003 және 2005 жылдары Жерден ұшырылады деп күтілді. Әрқайсысы марсоходты және Марсқа көтерілу көлігін жеткізуі керек еді, ал 2005 жылы Жерге оралу мүмкіндігі бар француздық Марс орбиталық аппараты қосылуы керек еді. 140 кг MAV, "сол кезде өнеркәсіпке келісімшарт жасау процесінде" болды, оның бірінші сатысында телеметрия және көлікті 300 айналымға айналдыратын қозғалтқыштар болады, содан кейін жеңілдетілген жоғарғы сатыдан бөлінеді. Әрбір MAV-тың үстінде 3,6 кг, диаметрі 16 см шар тәрізді жүк 500 грамм үлгілерді қамтиды және Жерге оралу орбитасымен кездесуді жеңілдету үшін ұзақ өмір сүретін маякқа қуат беретін күн батареялары болады. Орбиталық аппарат екі MAV-тың да жеткізген үлгілік контейнерлерін алып, оларды Жерге кіретін жеке көліктерге орналастыратын. Бұл миссия тұжырымдамасы, 2008 жылға дейін үлгілерді қайтару үшін NASA-ның Марсты зерттеу бағдарламасы қарастырған, бағдарламаны қайта қараудан кейін тоқтатылды. 2006 жылдың ортасында Халықаралық Марс Архитектурасы Үлгілерді қайтару (iMARS) жұмыс тобы Халықаралық Марс зерттеу жұмыс тобы (IMEWG) 2018-2023 жылдар аралығында Марс үлгісін қайтару миссиясының халықаралық демеушілігі мен орындалуының ғылыми және инженерлік талаптарын белгілеу үшін құрылды. ExoMars-тың алғашқы миссиясы 2018 жылы іске қосылуы жоспарланған, ал 2020-2022 жылдар аралығында үлгілерді қайтару үшін міндетті емес миссиялар күтілді. 2011 жылы MAX C үлгі жинау роверінің тоқтатылуы және кейіннен бюджеттік шектеулерге байланысты NASA-ның ExoMars-тан шығуы миссияны аяқтады. Бұл оқиға ғылыми қауымдастық үшін "травматикалық" деп сипатталды. Атап айтқанда, ол "дескопталған" (кем амбициялық) Mars Astrobiology Explorer Cacher (MAX C) миссиясын қолдады. Бұл миссия жоспары 2011 жылдың сәуірінде ресми түрде тоқтатылды. Марс 2020 Perseverance роверінің негізгі міндеті MSR-ге дайындыққа көмектесу болды. Ровер 2021 жылдың 18 ақпанында Езеро кратеріне қонды, сынамалар жинап, оларды кейіннен алу үшін 43 цилиндрлі түтікшеге сақтады.

Марс 2020 миссиясы

Марс 2020 миссиясы 2021 жылдың ақпан айында Персеверанс роверін Джезеро кратеріне қондырды. Ол бірнеше үлгі жинады және оларды кейіннен MSR кампаниясында қайтару үшін цилиндрлерге салып, жинауды жалғастыруда. Джезеро жер үстінен үлгі алуға қолайлы ежелгі көлдің табаны болып көрінеді. Оған сондай-ақ, оның ұзақ қызмет ету мүмкіндігін ескере отырып, үлгілерді тікелей Sample Return қондыру аппаратына жеткізу міндеті де жүктелген. 2022 жылдың 21 желтоқсанынан бастап Персеверанс жинаған үлгілерінің 10-ын қосалқы сақтау орнына, Үш бұрандаға орналастыру науқанын бастады, осылайша егер Персеверанс проблемаларға тап болса, MSR кампаниясының сәтті аяқталуы қамтамасыз етіледі.

NASAESA

NASA-ның ЕҚА жоспары үш миссия арқылы үлгілерді қайтаруды көздейді: 2020 жылы ұшырылған және қазіргі уақытта жұмыс істеп жатқан үлгі жинау миссиясы (Perseverance), үлгіні алу миссиясы (Sample Retrieval Lander + Mars көтерілу аппараты + Үлгі беру манипуляторы + 2 Ingenuity класындағы тікұшақтар) және қайтару миссиясы (Earth Return Orbiter). NASA және ЕҚА ұсынысы әлі жобалау кезеңінде болғанымен, үлгілерді жинаудың алғашқы кезеңі қазір Марста Perseverance марсоходымен жүзеге асырылуда, ал үлгіні алу десантының (екінші кезең) құрамдас бөліктері Жерде сынақтан өтуде. Кейінгі кезеңдер 2023 жылдың тамызынан бастап маңызды шығынға ұшырады. 2023 жылдың қарашасында NASA қаржы жетіспеуіне байланысты бағдарламаны қысқартқаны хабарланды. 2024 жылдың сәуірінде NASA бастапқыда жоспарланған 7 миллиард долларлық шығын мен 2033 жылға күтілген үлгіні қайтарудың қабылданбайтын 11 миллиард долларға және 2040 жылға ауысқанын мәлімдеді, бұл агенттікке жақсырақ шешім іздеуге түрткі болды.

Қытай

Қытай "Тяньвэнь-3" деп аталатын Марс үлгілерін қайтару миссиясын жариялады. Миссия 2028 жылдың соңында ұшырылады, онда "Ұзақ наурыз-5" зымыран тасығышымен қондыру және көтерілу аппараты, ал "Ұзақ наурыз-3B" зымыран тасығышымен орбиталық аппарат және қайтару модулі жеке-жеке ұшырылады. Үлгілер 2031 жылдың шілдесінде Жерге қайтарылады. Алдыңғы жоспар бойынша, үлгілерді жинау, көтерілу, орбитада кездесу және кері қатар ұшу сияқты миссияның барлық кезеңдерін орындайтын үлкен ғарыш кемесі қолданылатын болған. Бұл үшін "Ұзақ наурыз-9" аса ауыр зымыран тасығышы қажет еді. Тағы бір жоспар "Тяньвэнь-1" миссиясын пайдаланып, үлгілерді сақтауды көздеген.

Франция

Франция көптеген жылдар бойы үлгіні қайтару бойынша жұмыс істеп келді. Бұл қайтарылған үлгілер үшін ғарыздан тыс үлгіні сақтау орталығының тұжырымдамаларын және көптеген ұсыныстарды қамтыды. Олар басқа елдермен бірлескен миссияның бөлігі ретінде үлгілерді ұстап алып, қайтаратын Марс үлгісін қайтару орбиталық аппаратын әзірлеуде жұмыс істеді.

Жапония

2015 жылдың 9 маусымында Жапон ғарыш зерттеу агенттігі (JAXA) «Марс серіктерін зерттеу» (MMX) деп аталатын жоспарды таныстырды, мақсаты – Фобос немесе Деймос серіктерінен үлгілер алу. Фобостың орбитасы Марсқа жақын орналасқан және оның беті Марстан шашыраған бөлшектерді ұстап алған болуы мүмкін. Жерден ұшыру 2024 жылдың қыркүйегіне жоспарланса, 2029 жылы Жерге қайта оралу көзделіп отыр. Жапония Марс үлгілерін қайтару бойынша халықаралық миссияға қатысуға да ниет білдірді.

Ресей

Ресейлік Марс үлгілерін қайтару миссиясының жобасы – Марс Grunt. Ол Fobos Grunt дизайнының негізінде жасалған. Үлгілер қондырғының маңынан роботты қолмен жиналды.

Артқа ластану

Марста тіршілік формаларының болуы әлі де шешілмеген мәселе. Осылайша, MSR Жерге тірі организмдерді жеткізуі мүмкін, нәтижесінде кері ластану – Жерден тыс организмдердің Жер биосферасына енуі. Ғылыми консенсус бойынша, патогенез немесе экологиялық бұзылу арқылы кең ауқымды әсер ету ықтималдығы төмен. Қайтарылған үлгілер ғалымдар олардың қауіпсіздігіне көз жеткізгенге дейін әлеуетті түрде қауіпті деп қарастырылады. Мақсат – Марс бөлшегінің шығуының ықтималдығы миллионнан бірден кем болуы керек. Бұдан әрі, Сыртқы ғарыш туралы шартының VII бабы және басқа да құқықтық аяларға сәйкес, егер организмдер шығарылса, оларды шығарған елдер келтірілген залап үшін жауапты болады. Үлгіні қайтару миссиясы Марс ортасы мен үлгі контейнерлерінің сырты арасындағы байланысқа жол бермеуге міндетті. Басқа ғалымдар мен инженерлер, әсіресе Марс қоғамының Роберт Зубрин, *Journal of Cosmology* журналында ластану қаупінің іс жүзінде нөлге тең екенін, сондықтан алаңдаудың қажеті жоқ екенін айтты. Олар, басқа факторлармен қатар, Марс пен Жер арасында метеориттердің соқтығысуы арқылы триллиондаған килограмм материал алмасылғанына қарамастан, ешқандай белгілі оқиға болмағанын атап өтеді. Марстан үлгіні қайтаруға қарсы халықаралық комитет (ICAMSR) – Барри ДиГрегорио басқаратын, Марстан үлгіні қайтару миссиясына қарсы науқан жүргізетін жақтас топ. ICAMSR биологиялық қауіптердің төмен ықтималдығын мойындаса да, ұсынылған қауіпсіздік шараларын жеткіліксіз деп санайды. ICAMSR Марста көбірек *in situ* зерттеулерді және үлгілер Жерге жеткізілгенге дейін Халықаралық ғарыш станциясында алдын ала биологиялық қауіптілік сынақтарын жүргізуді ұсынады. ДиГрегорио 1976 жылғы «Викинг» қондырғыларымен микробтық өмірдің табылуына қатысты NASA жасырындығы туралы қауырсын теориясын қабылдайды. ДиГрегорио сондай-ақ, бірнеше патогендер – мысалы, жалпы вирустар – ғарыштан шығып, кейбір жаппай жойылулар мен пандемияларға себеп болды деген пікірді қолдайды. Жердегі аурулар мен ғарыштан келген патогендерді байланыстыратын бұл талаптар ғылыми қауым тарапынан жоққа шығарылды.