Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
В предыдущем материале мы рассказали о том, как NASA собирается строить станцию Gateway на орбите Луны, и какие функции она сможет выполнять. В рамках программы Artemis пока что рассматриваются только высадки на поверхность, но в глобальном смысле следующим логичным шагом должно будет стать строительство лунной базы. Здесь мы разберемся, какие задачи она позволит решить, как может строиться и какую пользу приносить.
Лунная база в представлении художника Европейского космического агентства
В отличие от экспедиций, которые теоретически могут высаживаться куда угодно, для постоянного поселения очень важен выбор места. Его достоинства будут использоваться, а недостатки придется терпеть годами. И параметры лунной орбиты определяют несколько потенциально более интересных мест для базы.
Полюса. Из-за того, что ось вращения Луны почти перпендикулярна эклиптике, на полюсах есть как участки, которые освещены практически постоянно, так и места, куда солнечный свет не попадает совсем. Освещенные участки являются очевидными кандидатами на размещение солнечных панелей для лунной базы, а в районах вечной ночи водяной лед обнаружен прямо на поверхности и максимально удобен для извлечения и использования в хозяйстве. Наиболее интересные места расположены на южном полюсе: пик Малаперта, который освещен Солнцем 74% лунного года, и кратер Шеклтон, находящийся в зоне вечной ночи.
Южный полюс Луны, изображение JAXA
Интересный факт: поверхность Луны нагревается днем до 127°C, а ночью остывает до -173°С. Но экспедиции “Аполлонов” установили, что на глубине больше полуметра температура практически не изменяется. Уже на глубине 50 см измерения показали -24°С, а на конце 120-см щупа температура составила -16°С. Тем не менее, водяной лед отчетливо тяготеет к полюсам и обнаруживается там в гораздо больших количествах.
Экваториальный лимб. Лимб — это край лунного диска, если смотреть с Земли. Из-за того, что Луна повернута к Земле одной стороной, район лимба сочетает в себе преимущества видимой стороны (постоянная связь без необходимости ретрансляторов) и обратной (отсутствуют земные радиопомехи, уже серьезно мешающие радиотелескопам). А в отличие от полюсов, район экватора позволяет производить астрономические наблюдения всей небесной сферы. В NASA рассматривали в качестве потенциально интересных мест для лунной базы кратер Шуберта в море Смита на восточном лимбе и кратер Риччиоли на западном.
Море Смита, вид с Земли
Лунная база, иллюстрация NASA
Лунная база станет первым поселением человечества на другом небесном теле. Может быть, когда-нибудь с опытом появятся типовые решения для разных планет и спутников, но пока что наилучшие пути неизвестны, и фантазия конструкторов рождает самые разные варианты, которые имеют свои плюсы и минусы.
Чем жизнь на Луне отличается от привычной нам земной? Отсутствие атмосферы приводит не только к необходимости скафандров. Земная атмосфера укрывает нас от метеоритов и космического излучения. Поэтому многие проекты лунных баз предполагают защиту от обоих опасных факторов. Варианты могут быть самыми разными — предлагалось укладывать модули базы в траншеи или же копать туннель в стене кратера и размещать базу в рукотворных пещерах. Также можно построить на месте крышу и насыпать реголит поверх нее. В то же время были и проекты открыто стоящих модулей, защита которых обеспечивалась бы конструктивными решениями.
Далее, проблемой стационарной базы является то, что окрестности будут изучены достаточно быстро, и экспедициям придется удаляться все дальше и дальше, чтобы собирать новые данные для исследований. Эту проблему также предлагали решать разными способами. Очевидное решение — добавить вездеходы в набор снаряжения. Но были и более оригинальные варианты, когда саму базу хотели сделать мобильной, выполняя ее в виде автопоездов или даже гигантских гусеничных машин.
Проект лунной базы начала 21 века
Технологии 21 века, конечно же, оказали свое влияние на проекты лунных баз. Проект Европейского космического агентства, опубликованный в 2014 году, выглядит весьма проработанным и воплощает большое количество потенциально удачных идей. Прежде всего, база строится на месте с минимальным участием человека. Это выгодно, потому что управлять роботами с Земли сравнительно просто, можно строить без ненужной спешки, и люди прилетят на уже во многом подготовленную площадку. Вторая идея — использование трансформируемых модулей, доставляемых в сложенном состоянии, надуваемых и закрываемых снаружи реголитом. Действительно, в условиях наличия местных строительных материалов логично использовать их, а не везти все с собой. Третья идея — активное использование 3D-печати при строительстве. Внешняя оболочка базы в виде несущей стены, напечатанная на 3D-принтере, гораздо лучше, чем идеи просто насыпать реголит поверх модулей. В 2013 году в ЕКА напечатали стену весом полторы тонны из имитатора лунного грунта. Любопытно, что в космических условиях можно печатать, напрямую расплавляя реголит солнечными лучами, и такие опыты проводятся в последние годы. В 2017 в Немецком аэрокосмическом центре в Кельне печатали, нагревая реголит до 1000°С. Также в рамках проекта RegoLight успешно прошли испытания прототипы мобильных печатающих головок. В 2019 году в NASA устроили соревнование по 3D-печати строений, подходящих для Луны или Марса.
Чем будет заниматься лунная база? Уже сейчас очевидны несколько потенциально интересных направлений.
Прежде всего, человечество будет учиться жить на другом небесном теле. Людям не впервой осваивать недружелюбные регионы, на Земле еще в древние времена представители homo sapiens распространились от холодной Арктики до островов Полинезии, везде создавая технологии для жизни в новых условиях. При этом условия жизни на Луне и Марсе достаточно близки, и разработанные для лунной базы технологии можно будет применять и для колонизации красной планеты. В то же время есть и сложности, уникальные именно для Луны. Воздействие атмосферы Земли и даже Марса привело к эрозии горных пород, песчинки терлись друг о друга и становились более гладкими. А лунные породы образованы из материала с крайне высокими абразивными свойствами. Лунная пыль настолько колючая, что все 12 астронавтов, высаживавшихся на поверхность в программе “Аполло”, сообщали о “лунной аллергии” — боли в горле, глазах, насморке и чихании, проходившие только спустя несколько суток. Для людей, которые будут долго работать на лунной поверхности, вездесущая пыль станет серьезной угрозой — она может повреждать ткани легких и даже теоретически имеет шансы попасть в кровоток и ранить другие органы, вплоть до мозга. Абразивная лунная пыль также должна представлять сложность для движущихся частей механизмов. Но насколько серьезным будет это воздействие, необходимо проверить на практике, потому что существующие имитаторы реголита пока недостаточно хороши — лунная пыль имеет электрический заряд, а производящиеся сейчас имитаторы на основе молотого базальта имеют похожие либо электростатические характеристики, либо свойства поверхности. Также механическое измельчение горных пород для создания имитатора лунного грунта порождает пыль с абразивными свойствами гораздо меньшими, чем у лунной пыли.
Автоматический кислородный завод на Луне, один из проектов базы NASA
Далее, база на небесном теле позволит изучать способы использования местных ресурсов. Кроме уже показанного выше использования грунта для строительства, возможны и другие варианты. Лунный реголит содержит 42% кислорода, 21% кремния, 13% железа, 7% алюминия, эти материалы крайне желательно научиться извлекать и использовать. Сюда же относятся работы по созданию замкнутых систем жизнеобеспечения — чем больше материалов и оборудования будут не доставляться с Земли, а производиться на месте, тем ближе будет освоение Марса и других небесных тел.
Третья возможная роль лунной базы — логистическая. В условиях отсутствия атмосферы можно построить безракетные средства выведения и выводить полезные грузы на орбиту пушкой Гаусса или рейлганом (электромагнитными ускорителями масс). Но какие именно грузы? Увы, вопреки многим фантастическим произведениям, добыча гелия-3 на Луне не имеет ни экономического ни физического смысла. Прежде всего, гелий-3 образуется естественным способом при распаде трития, который, в свою очередь, применяется в ядерном оружии. В 2010 году ежегодное мировое потребление гелия-3 оценивалось в 40 тысяч литров, а цена в последние годы колебалась от сотен до тысяч долларов за литр, добыча же гелия-3 на Луне и доставка его на Землю обойдется в разы дороже. Во-вторых, проще добывать золото из придонного ила Красного моря — там на тонну ила содержится 5 граммов золота, а количество гелия-3 в лунном реголите оценивают в 1 грамм на 100 тонн. Ну и, наконец, вариант реакции ядерного синтеза с использованием гелия-3 требует гораздо более высокой температуры, чем дейтериево-тритиевая, поэтому намного сложнее для реализации — существующие материалы не могут выдерживать длительное время температуры дейтериево-тритиевой реакции и тем более не справятся с вариантом с использованием гелия-3. В то же время экономический смысл у лунной базы потенциально возможен. Но полезным грузом может стать топливо для дозаправки космических аппаратов. В пустыне вода гораздо ценнее золота, а в пустоте космоса одна из самых драгоценнейших вещей — запас топлива. И система, когда космический аппарат перед отлетом к другим планетам будет стыковаться с окололунной станцией и дозаправляться добытым на Луне топливом, теоретически может оказаться весьма эффективной.
Освоенная Луна, кадр из игры Anno 2205. В игре, как раз, лунная база строится для добычи гелия-3
Ну и, наконец, лунная база будет собирать научные данные. Весьма интересна геология Луны, потому что до сих пор ведутся споры о происхождении нашего спутника. На сегодняшний день наиболее подтверждена фактами гипотеза гигантского столкновения, когда прото-Земля столкнулась с небесным телом размером с Марс. Но есть и такие факты, на которые эта гипотеза отвечает плохо, и параллельно существуют другие версии: что Луна отделилась от быстро вращающейся прото-Земли, или же оба небесных тела сформировались параллельно. Также Луна, возможно, является результатом столкновения многих протолун или же возникла из-за метеоритной бомбардировки. Лунная база позволит собрать данные по геологии Луны и, возможно, окончательно утвердит одну из гипотез как наиболее соответствующую наблюдаемым фактам. Также очень интересен результат миллиардов лет воздействия вакуума и солнечного излучения на горные породы Луны. Кроме геологии, лунные условия удобны для астрономических наблюдений — радиотелескоп можно закрыть от помех с Земли естественной преградой, оптический телескоп будет работать в идеальных условиях без атмосферных помех, а рентгеновские и длинноволновые телескопы не будут блокироваться атмосферой. Также уникальные характеристики даст работа наземных и лунных телескопов в режиме интерферометра. Расстояние в чуть больше одной световой секунды между Землей и Луной позволяет создать телескопы с уникальной разрешающей способностью. Работавший на сравнимых расстояниях в режиме интерферометра “Спектр-Р” был в тысячу раз “зорче” Хаббла, лунный радиотелескоп будет иметь похожие характеристики, а в оптическом диапазоне можно создать комплекс, в 60 раз более зоркий, чем обычный наземный.
Несмотря на то, что лунная база остается делом неблизкого будущего, уже сейчас примерно ясно, для чего она нужна, и уже сегодня ведутся работы по созданию технологий, которые будут на ней применяться.
Материал подготовлен для журнала «Вселенная, пространство, время», публикуется в авторской редакции.
Лунная база в представлении художника Европейского космического агентства
Место
В отличие от экспедиций, которые теоретически могут высаживаться куда угодно, для постоянного поселения очень важен выбор места. Его достоинства будут использоваться, а недостатки придется терпеть годами. И параметры лунной орбиты определяют несколько потенциально более интересных мест для базы.
Полюса. Из-за того, что ось вращения Луны почти перпендикулярна эклиптике, на полюсах есть как участки, которые освещены практически постоянно, так и места, куда солнечный свет не попадает совсем. Освещенные участки являются очевидными кандидатами на размещение солнечных панелей для лунной базы, а в районах вечной ночи водяной лед обнаружен прямо на поверхности и максимально удобен для извлечения и использования в хозяйстве. Наиболее интересные места расположены на южном полюсе: пик Малаперта, который освещен Солнцем 74% лунного года, и кратер Шеклтон, находящийся в зоне вечной ночи.
Южный полюс Луны, изображение JAXA
Интересный факт: поверхность Луны нагревается днем до 127°C, а ночью остывает до -173°С. Но экспедиции “Аполлонов” установили, что на глубине больше полуметра температура практически не изменяется. Уже на глубине 50 см измерения показали -24°С, а на конце 120-см щупа температура составила -16°С. Тем не менее, водяной лед отчетливо тяготеет к полюсам и обнаруживается там в гораздо больших количествах.
Экваториальный лимб. Лимб — это край лунного диска, если смотреть с Земли. Из-за того, что Луна повернута к Земле одной стороной, район лимба сочетает в себе преимущества видимой стороны (постоянная связь без необходимости ретрансляторов) и обратной (отсутствуют земные радиопомехи, уже серьезно мешающие радиотелескопам). А в отличие от полюсов, район экватора позволяет производить астрономические наблюдения всей небесной сферы. В NASA рассматривали в качестве потенциально интересных мест для лунной базы кратер Шуберта в море Смита на восточном лимбе и кратер Риччиоли на западном.
Море Смита, вид с Земли
Конструкция
Лунная база, иллюстрация NASA
Лунная база станет первым поселением человечества на другом небесном теле. Может быть, когда-нибудь с опытом появятся типовые решения для разных планет и спутников, но пока что наилучшие пути неизвестны, и фантазия конструкторов рождает самые разные варианты, которые имеют свои плюсы и минусы.
Чем жизнь на Луне отличается от привычной нам земной? Отсутствие атмосферы приводит не только к необходимости скафандров. Земная атмосфера укрывает нас от метеоритов и космического излучения. Поэтому многие проекты лунных баз предполагают защиту от обоих опасных факторов. Варианты могут быть самыми разными — предлагалось укладывать модули базы в траншеи или же копать туннель в стене кратера и размещать базу в рукотворных пещерах. Также можно построить на месте крышу и насыпать реголит поверх нее. В то же время были и проекты открыто стоящих модулей, защита которых обеспечивалась бы конструктивными решениями.
Далее, проблемой стационарной базы является то, что окрестности будут изучены достаточно быстро, и экспедициям придется удаляться все дальше и дальше, чтобы собирать новые данные для исследований. Эту проблему также предлагали решать разными способами. Очевидное решение — добавить вездеходы в набор снаряжения. Но были и более оригинальные варианты, когда саму базу хотели сделать мобильной, выполняя ее в виде автопоездов или даже гигантских гусеничных машин.
Проект лунной базы начала 21 века
Технологии 21 века, конечно же, оказали свое влияние на проекты лунных баз. Проект Европейского космического агентства, опубликованный в 2014 году, выглядит весьма проработанным и воплощает большое количество потенциально удачных идей. Прежде всего, база строится на месте с минимальным участием человека. Это выгодно, потому что управлять роботами с Земли сравнительно просто, можно строить без ненужной спешки, и люди прилетят на уже во многом подготовленную площадку. Вторая идея — использование трансформируемых модулей, доставляемых в сложенном состоянии, надуваемых и закрываемых снаружи реголитом. Действительно, в условиях наличия местных строительных материалов логично использовать их, а не везти все с собой. Третья идея — активное использование 3D-печати при строительстве. Внешняя оболочка базы в виде несущей стены, напечатанная на 3D-принтере, гораздо лучше, чем идеи просто насыпать реголит поверх модулей. В 2013 году в ЕКА напечатали стену весом полторы тонны из имитатора лунного грунта. Любопытно, что в космических условиях можно печатать, напрямую расплавляя реголит солнечными лучами, и такие опыты проводятся в последние годы. В 2017 в Немецком аэрокосмическом центре в Кельне печатали, нагревая реголит до 1000°С. Также в рамках проекта RegoLight успешно прошли испытания прототипы мобильных печатающих головок. В 2019 году в NASA устроили соревнование по 3D-печати строений, подходящих для Луны или Марса.
Задачи
Чем будет заниматься лунная база? Уже сейчас очевидны несколько потенциально интересных направлений.
Прежде всего, человечество будет учиться жить на другом небесном теле. Людям не впервой осваивать недружелюбные регионы, на Земле еще в древние времена представители homo sapiens распространились от холодной Арктики до островов Полинезии, везде создавая технологии для жизни в новых условиях. При этом условия жизни на Луне и Марсе достаточно близки, и разработанные для лунной базы технологии можно будет применять и для колонизации красной планеты. В то же время есть и сложности, уникальные именно для Луны. Воздействие атмосферы Земли и даже Марса привело к эрозии горных пород, песчинки терлись друг о друга и становились более гладкими. А лунные породы образованы из материала с крайне высокими абразивными свойствами. Лунная пыль настолько колючая, что все 12 астронавтов, высаживавшихся на поверхность в программе “Аполло”, сообщали о “лунной аллергии” — боли в горле, глазах, насморке и чихании, проходившие только спустя несколько суток. Для людей, которые будут долго работать на лунной поверхности, вездесущая пыль станет серьезной угрозой — она может повреждать ткани легких и даже теоретически имеет шансы попасть в кровоток и ранить другие органы, вплоть до мозга. Абразивная лунная пыль также должна представлять сложность для движущихся частей механизмов. Но насколько серьезным будет это воздействие, необходимо проверить на практике, потому что существующие имитаторы реголита пока недостаточно хороши — лунная пыль имеет электрический заряд, а производящиеся сейчас имитаторы на основе молотого базальта имеют похожие либо электростатические характеристики, либо свойства поверхности. Также механическое измельчение горных пород для создания имитатора лунного грунта порождает пыль с абразивными свойствами гораздо меньшими, чем у лунной пыли.
Автоматический кислородный завод на Луне, один из проектов базы NASA
Далее, база на небесном теле позволит изучать способы использования местных ресурсов. Кроме уже показанного выше использования грунта для строительства, возможны и другие варианты. Лунный реголит содержит 42% кислорода, 21% кремния, 13% железа, 7% алюминия, эти материалы крайне желательно научиться извлекать и использовать. Сюда же относятся работы по созданию замкнутых систем жизнеобеспечения — чем больше материалов и оборудования будут не доставляться с Земли, а производиться на месте, тем ближе будет освоение Марса и других небесных тел.
Третья возможная роль лунной базы — логистическая. В условиях отсутствия атмосферы можно построить безракетные средства выведения и выводить полезные грузы на орбиту пушкой Гаусса или рейлганом (электромагнитными ускорителями масс). Но какие именно грузы? Увы, вопреки многим фантастическим произведениям, добыча гелия-3 на Луне не имеет ни экономического ни физического смысла. Прежде всего, гелий-3 образуется естественным способом при распаде трития, который, в свою очередь, применяется в ядерном оружии. В 2010 году ежегодное мировое потребление гелия-3 оценивалось в 40 тысяч литров, а цена в последние годы колебалась от сотен до тысяч долларов за литр, добыча же гелия-3 на Луне и доставка его на Землю обойдется в разы дороже. Во-вторых, проще добывать золото из придонного ила Красного моря — там на тонну ила содержится 5 граммов золота, а количество гелия-3 в лунном реголите оценивают в 1 грамм на 100 тонн. Ну и, наконец, вариант реакции ядерного синтеза с использованием гелия-3 требует гораздо более высокой температуры, чем дейтериево-тритиевая, поэтому намного сложнее для реализации — существующие материалы не могут выдерживать длительное время температуры дейтериево-тритиевой реакции и тем более не справятся с вариантом с использованием гелия-3. В то же время экономический смысл у лунной базы потенциально возможен. Но полезным грузом может стать топливо для дозаправки космических аппаратов. В пустыне вода гораздо ценнее золота, а в пустоте космоса одна из самых драгоценнейших вещей — запас топлива. И система, когда космический аппарат перед отлетом к другим планетам будет стыковаться с окололунной станцией и дозаправляться добытым на Луне топливом, теоретически может оказаться весьма эффективной.
Освоенная Луна, кадр из игры Anno 2205. В игре, как раз, лунная база строится для добычи гелия-3
Ну и, наконец, лунная база будет собирать научные данные. Весьма интересна геология Луны, потому что до сих пор ведутся споры о происхождении нашего спутника. На сегодняшний день наиболее подтверждена фактами гипотеза гигантского столкновения, когда прото-Земля столкнулась с небесным телом размером с Марс. Но есть и такие факты, на которые эта гипотеза отвечает плохо, и параллельно существуют другие версии: что Луна отделилась от быстро вращающейся прото-Земли, или же оба небесных тела сформировались параллельно. Также Луна, возможно, является результатом столкновения многих протолун или же возникла из-за метеоритной бомбардировки. Лунная база позволит собрать данные по геологии Луны и, возможно, окончательно утвердит одну из гипотез как наиболее соответствующую наблюдаемым фактам. Также очень интересен результат миллиардов лет воздействия вакуума и солнечного излучения на горные породы Луны. Кроме геологии, лунные условия удобны для астрономических наблюдений — радиотелескоп можно закрыть от помех с Земли естественной преградой, оптический телескоп будет работать в идеальных условиях без атмосферных помех, а рентгеновские и длинноволновые телескопы не будут блокироваться атмосферой. Также уникальные характеристики даст работа наземных и лунных телескопов в режиме интерферометра. Расстояние в чуть больше одной световой секунды между Землей и Луной позволяет создать телескопы с уникальной разрешающей способностью. Работавший на сравнимых расстояниях в режиме интерферометра “Спектр-Р” был в тысячу раз “зорче” Хаббла, лунный радиотелескоп будет иметь похожие характеристики, а в оптическом диапазоне можно создать комплекс, в 60 раз более зоркий, чем обычный наземный.
Заключение
Несмотря на то, что лунная база остается делом неблизкого будущего, уже сейчас примерно ясно, для чего она нужна, и уже сегодня ведутся работы по созданию технологий, которые будут на ней применяться.
Материал подготовлен для журнала «Вселенная, пространство, время», публикуется в авторской редакции.
