Не вгору, а вглиб: навіщо НАСА прагне океанського дна?

Світовий океан покриває понад 70% земної поверхні та, за оцінками вчених, відсотків на 80 не вивчений. Фактично ми знаємо набагато більше про Марс і Місяць, аніж про океанське дно.

Місія НАСА покликана змінити це. Американське космічне відомство ставить перед собою двояку мету: зрозуміти природу океанів, що існують на інших планетах, та розвинути технології для роботи в екстремальних умовах. Завдання пов'язане з численними сюрпризами та небезпеками.

У океанських глибин та космосу багато спільного. І там, і тут вороже людині середовище не дозволяє йому виживати без спеціальних апаратів, хоч і різних. На думку НАСА, умови на океанському дні схожі на ті, з якими доведеться зіткнутися на деяких планетах Сонячної системи. Можна навіть отримати підказку, де шукати сліди позаземного життя.

Океан на глибинах понад п'ять кілометрів вважається ультраабісальною зоною, важкодоступною прірвою, "зоною Аїда" (на ім'я давньогрецького бога підземного царства). Це цілком заслужена назва. Дно там порите ущелинами та улоговинами.

Максимальна глибина Світового океану становить 11022 метри (у Маріанській западині Тихого океану між Філіппінами та Гуамом). Це місце ще називають прірвою "Челленджера" на честь британського дослідницького судна, що відкрило його в 1951 році.

Загальна площа океанського дна ультраабіссалю приблизно дорівнює площі Австралії. Апаратів, здатних поринати так глибоко, одиниці.

Саме там НАСА у співпраці з Океанографічним інститутом у Вудс-Хоулі, штат Массачусетс, перевіряє межі можливого.У своїх професійних розмовах дослідники вживають терміни, які зазвичай застосовуються тільки до космосу, на кшталт "модуль, що спускається" і "аварійна посадка".

Автор фото, Science Photo Library

Інженери Лабораторії реактивного руху, що у штаті Каліфорнія, створюють новий автономний зонд під назвою "Орфей" (на ім'я героя давньогрецької міфології, який мандрував у царство Аїда). Апарат використовує ті ж засоби навігації, що і марсохід "Персеверанс", і обладнаний високочутливими камерами та датчиками, за допомогою яких робот може вивчати каміння, раковини та живі організми, а також створювати тривимірні карти ділянок дна з позначеними на ній помітними місцями (це дозволить "Орфею" знаходити дорогу і дізнаватися про місця, де він уже побував).

"Орфей" - проривне досягнення, - каже керівник програми морський біолог Тім Шенк. - Якщо він запрацює, в океані для нас не залишиться місць, куди не можна потрапити.

Шенк не вперше намагається дістатись похмурих глибин "зони Аїда". У 2014 році попередник "Орфея" зонд "Нерей" опустився в ущелину Кермадека на північний схід від Нової Зеландії. На глибині приблизно 10 км. апарат був роздавлений колосальним тиском.

"Через 12 годин після занурення ми побачили, що він розлетівся на дрібні шматочки", – розповідає Шенк.

За його словами, втрата "Нерея" змусила випробувати нові технічні рішення. Розміром з гідроциклом та вагою 250 кг, "Орфей" набагато легше, менше і дешевше. Це також робить його більш маневреним, дозволяючи проникати у раніше недоступні місця.

Супутник Юпітера на Землі

Морські біологи довгий час вважали, що життя в "зоні Аїда" неможливе.З початком глибоководних занурень у середині минулого століття з'ясувалося, що це не так.

Однак продовжувала домінувати думка, що глибоководні організми харчуються виключно останками істот, що мешкають ближче до поверхні.

В основі океанського харчового ланцюжка лежить фотосинтез. Вважалося, що водорості та бактерії перетворять енергію Сонця на цукру, їх поїдають "травоїдні" організми, а тих - хижаки.

Останки та екскременти опускаються на дно (існує спеціальний термін "морський сніг"), і ними і харчуються глибоководні жителі. Вчені не сумнівалися, що останні не можуть бути складними через бідність ресурсів, жахливий тиск, морок і холод.

Гіпотезу довелося переглянути 1977 року, коли американський безпілотний зонд поринув у Тихий океан на глибину 2440 метрів у районі одного з так званих гідротермальних каналів, де придонні води нагріваються вулканами.

На своє неабияке подив, дослідники виявили там активне різноманітне життя, включаючи раніше невідомих науці слимаків, що світяться, ракоподібних і молюсків величиною з блоху.

"Відкриття перевернуло всі наші уявлення про життя на Землі, - каже Тім Шенк. - З'ясувалося, що ці організми отримують енергію не від Сонця, а з хімічних речовин, що проникають у воду крізь тріщини дону".

Щоправда, залишалося інше питання: як вони витримують величезний тиск?

"Тиск там становить 15 тисяч фунтів на квадратний дюйм (понад тонну на квадратний сантиметр), - каже Шенк. - При такому тиску живі клітини повинні руйнуватися".

Пізніше біологи з'ясували, що глибоководні організми змогли пристосуватися до цього. У клітинах великих ракоподібних, слимаків та інших мешканців ультраабісалу містяться спеціальні ензими - п'єзоліти.Вони збільшують об'єм білка і скорочують порожнини всередині клітин, роблячи їх монолітними, і протистоять тиску.

"Механізм частково нагадує те, як намет укріплюють зсередини розпірками", - пояснює Шенк.

Автор фото, Woods Hole Oceanographic Institution

Підпис до фото, "Орфей" частково створено з матеріалів, що залишилися від будівництва батискафа Джеймса Кемерона

Відкриття організмів, здатних не тільки виживати, а й процвітати в таких несприятливих умовах, змусило біологів поставити питання, що виходить за земні рамки: чи не зустрінемо ми щось подібне і на інших планетах?

На супутнику Юпітера Європі під шаром льоду ховається солоний океан глибиною від 60 до 150 кілометрів, що містить удвічі більше води, ніж усі океани Землі. Сонячне світло не проникає крізь крижаний панцир, хоч він і поцяткований тріщинами та розломами. Тиск там можна порівняти з тим, що спостерігається в "зоні Аїда".

"Ось вам Європа на Землі! – вигукує Шенк. – Щоб дослідити Європу Юпітера, нам спочатку треба вивчити те, що відбувається у нас, на Землі".

Роботи, призначені для занурення в глибини земних океанів, теоретично зможуть проробляти те саме на супутнику Юпітера, що віддаляється від нашої планети на 628,3 млн кілометрів.

"Дно океану є випробувальним полігоном технологій для польотів до планет-океанів", - каже інженер лабораторії в Пасадені та один із розробників "Орфея" Рассел Сміт.

Зрозуміло, від робота, що працює в океанських глибинах або у відкритому космосі, потрібна повна автономія. "Він має бути здатним приймати рішення", - зазначає Сміт.

За його словами, створення апарату, який може самостійно знаходити та класифікувати молекули ДНК, визначати хімічний склад води та доставляти зразки на поверхню – завдання величезної складності.

"Орфею" доведеться справлятися не тільки з тиском, а й величезними перепадами температури - загалом в абісальній зоні вона трохи вища за нуль, але поблизу гідротермальних каналів може досягати +370.

"Виготовити зонд, здатний вціліти в таких умовах, дуже непросто, - міркує Рассел Сміт. - Потрібні дуже товсті і водонепроникні стінки, щоб захистити апаратуру".

Корпус "Орфея" буде зроблений із синтактичної піни - композитного плавучого матеріалу, що складається з епоксидної смоли, начиненої мікроскопічними скляними кульками. У хід йдуть її залишки від будівництва батискафу Deepsea Challenger, в якому кінорежисер Джеймс Кемерон у 2012 році поринув на дно Маріанської западини.

Автор фото, Ralph White/Getty Images

Підпис до фото, "Елвін" - перший глибоководний апарат, який досліджував у 1977 році гідротермальний канал

Оскільки на глибині темно хоч око виколи, "Орфей" передбачається оснастити потужним прожектором-спалахом. Якби він працював безперервно, запасу батарей вистачило б ненадовго, тож для економії енергії робот включатиме його, тільки роблячи знімки або збираючи зразки.

Місячна місія

У 2017 році НАСА розпочало проект під назвою Systematic Underwater Biogeochemical Science and Exporation Analog, відомий як Subsea, з метою об'єднати вивчення космосу та океану.

До цього часу агентство направило дистанційно керовані зонди до двох геотермальних каналів, розташованих на відносно невеликій глибині - підводній горі Лоїхи за 30 км від Гаваїв та гряди Горда, що за 120 км від того місця, де на суші межують штати Каліфорнія та Орегон.

Вважається, що вулканічна активність там подібна до тієї, що гіпотетично існує в океанах на Європі та супутнику Сатурна Енцеладі.

"Проект був спрямований на пошук точок з умовами, аналогічними тим, які, можливо, можна виявити в таких місцях, як Енцелад", - говорить керівник Subsea, геобіолог НАСА Дарлен Лім, яка одночасно займається підготовкою астронавтів для експедицій на Місяць і в глибокий космос.

Програма Subsea допомогла вченим більше дізнатися про будову геотермальних каналів, хімічний склад донних порід і води та їхнє життя.

"Ці канали дуже корисні для науки, - каже Дарлен Лім. - Спостерігаючи за змінами температури при змішуванні розігрітої вулканом та холодної води, можна дійти важливих висновків щодо майбутніх досліджень океанів в інших світах".

До відправки зондів до Європи та Енцеладу залишаються десятиліття, але НАСА вже застосовує отримані дані на практиці.

2023 року агентство відправить місяцехід для розвідки льоду на південному полюсі супутника Землі. Місія Viper (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) шукатиме лід у кратері Нобілі, щоб надалі використовувати його як джерело питної води для майбутніх колоністів та сировини для виготовлення на місці ракетного палива.

На Місяці робот зіткнеться з деякими технічними проблемами, аналогічними до тих, що виникають при глибоководних дослідженнях.

"Ми беремо все, чого навчилися в ході виконання програми Subsea і застосовуємо у програмі Viper," - каже Дарлен Лім, одночасно - керівник першої програми та заступник керівника іншої.

Одна з цілей програми Subsea полягала в тому, щоб переконатися у можливості вирішувати дослідницькі завдання в екстремальній обстановці як у плані комунікації, так і в плані технологій.

У вивченні океану та космосу є багато спільного. В обох випадках роботи прямують у небезпечне середовище, непридатне для людини, і ними треба керувати на відстані. Отриманий досвід допоможе майбутнім астронавтам приготуватися до управління автоматами з місячної бази.

Під час експедицій за програмою Subsea в море занурювалися менше десяти вчених, але вони взаємодіяли зі набагато більшою групою колег на березі. У ході реалізації проекту Viper команда має управляти роботом із Землі в режимі реального часу, аналізувати дані і швидко, по обстановці приймати рішення.

Для подібних місій критичне значення має ефективний зв'язок, зазначає психолог НАСА, фахівець з підготовки персоналу для роботи у складних умовах та автор книги "Як провести час на Марсі" Зара Мірмалек, яка бере участь в обох проектах.

Автор фото, Nasa/JPL/Space Science Institute

Підпис до фото, Фонтани води, що вириваються з-під крижаного панцира на Енцеладі, шостому супутнику Сатурна

У ході глибоководних експедицій доводиться постійно приймати рішення щодо змін погоди, температури та солоності океану. "Часу завжди менше, ніж розраховуєш, - зауважує вона. - На глибині працювати важко - навіть обладнання не завжди справляється".

У космосі можливостей зв'язку ще менше. Як тренування Мірмалек обмежила спілкування учасників проекту Subsea один з одним один раз на день.

"Провалів не сталося - вони досягли всіх поставлених цілей", - каже вона.

"Те, чого ми навчилися під час спільної роботи з океанографами, для нас незамінно і безцінно. Тепер ми зможемо планувати операцію Viper набагато впевненіше", - зазначає Дарлен Лім.

І космічні польоти, і глибоководні експедиції допомагають людству по-новому подивитись нашу Землю. За словами представників НАСА, його океанська програма вже принесла тисячі наукових відкриттів.

Вони можуть виявитися життєво необхідними для захисту океанів від забруднення, вважає Лора Лорензоні, спеціаліст відділу морської біології та геохімії департаменту наукових досліджень НАСА.

"Потрібно знати океан, щоб урятувати його. Це критично важливо для всього життя на Землі. Заміри, які інтенсивно проводило і продовжує проводити НАСА, сприяють стійкому використанню ресурсів моря", - каже вона.

Кожен крок до інших світів допомагає трохи більше дізнатися і про незвідані місця на нашій блакитній планеті.