Цивилизация
Зачем это нужно?
Если оставить за скобками идею переселения на другие планеты из идейных соображений, как предлагает Илон Маск, то у освоения Луны остаются две цели: получение научных знаний и прибыли. Получить краткосрочную прибыль на Луне, наверное, невозможно, но критики часто ставят под сомнение и научную целесообразность. Наука – это важно, говорят они, но действительно ли затраты на обитаемую постоянную базу оправданны? Ведь за гораздо меньшие деньги можно отправить десяток автоматических луноходов, и они ответят на все интересующие ученых вопросы без риска для жизни экипажей и чрезмерных государственных трат. В качестве примера критики приводят полеты по программе «Аполлон» в прошлом веке, которые якобы имели нулевую научную ценность.
Действительно, американская лунная программа с самого начала задумывалась с политическими целями, а из двенадцати побывавших на Луне людей лишь один был профессиональным ученым, остальные – военными. Несмотря на это, мнение о нулевом научном результате программы «Аполлон» ошибочно. В ходе одной только первой высадки удалось установить, что 1) Луна сформировалась горячей и обладала магматическим океаном 2) она была магматически активна 800 млн лет 3) Луна не покрыта «зыбучей» пылью, по ней вполне удобно ходить, ездить и можно посадить космический корабль. Кроме того, за всю программу астронавты разместили комплексы сейсмометров, измерили тепловой поток от ядра спутника, собрали образцы солнечного ветра, сделали УФ-фотографии астрономических объектов, провели много экспериментов с магнитометром, а также привезли на Землю 382 килограмма лунного грунта, чтобы исследовать механические свойства реголита и лунной пыли.
По большому счету, научные результаты «Аполлонов» сравнимы с таковыми всех марсианских аппаратов в совокупности — с поправкой на развитие технологий.
Ученый Владислав Шевченко в качестве примера выгоды от наличия «живых глаз» приводит обнаружение оранжевого грунта на Луне.
«Геолог Джек Шмитт был первым ученым, включенным в состав экспедиции. Стоя на лунной поверхности, он заметил оранжевый грунт, – как выяснилось, на него не обратили внимания при предыдущих высадках. Он увидел его взглядом профильного специалиста, а шесть предыдущих экипажей и автоматические приборы – не смогли», – рассказывает Шевченко. Впоследствии оказалось, что оранжевый оттенок реголиту придают мелкие песчинки вулканического стекла, богатого оксидом железа и цинка.
Наконец, преимущество человека над роботами заметно даже на примере современных аппаратов — марсохода Curiosity и стационарного марсианского зонда InSight. У первого из них в 2016 году, после трех лет эксплуатации, вышел из строя механизм подачи сверла, который обеспечивает его втягивание и вытягивание из закрепленной на роботизированной руке буровой установки. Это приостановило эксперименты на два года, пока инженеры не придумали новый подход: контролировать глубину погружения сверла, двигая всей роботизированной рукой. У аппарата InSight же возникли проблемы с HP3, прибором для измерения теплового потока из марсианских недр. Это устройство выполнено в форме «самозабивающегося гвоздя», и должно было закопаться на глубину пять метров, но в итоге остановилось всего в нескольких сантиметрах от поверхности. Как ни старались ученые, погрузить его на целевую глубину не удалось – смогли лишь «утрамбовать» в грунт на полную высоту в 40 сантиметров с помощью роботизированного совка. Обе эти проблемы не могли бы возникнуть у человека с дрелью и лопатой.
Какие проблемы предстоит решить
Луна – крайне негостеприимное для человека место, и потому выживание там возможно лишь за счет создания искусственных условий с помощью технологий. С этим связана фундаментальная проблема – любое устройство и приспособление обладает массой и объемом, а логистические возможности в лунных миссиях крайне ограничены. Посадочный модуль программы «Аполлон» вмещал 3,5 тонны, лунная версия ракеты Starship, которую NASA избрало для посадок по программе Artemis, должна вмещать около 100 тонн, согласно амбициозным планам Илона Маска. Этого мало для строительства автономной многократно дублированной отказоустойчивой инфраструктуры жизнеобеспечения, и потому все существующие планы строительства базы подразумевают использование местных ресурсов.
Самый ходовой ресурс человечества – это вода. Она необходима для питья, мытья и стирки, выращивания растений, с ней связаны многие химические реакции. Вдобавок она является источником водорода и кислорода, из которых можно также делать топливо. Требуется она и для охлаждения – лунным днем поверхность может накаляться до ста градусов, и скафандры эпохи «Аполлонов» сублимировали более полулитра воды в час, чтобы избежать этого. Именно поэтому новые американские высадки запланированы в районы около южного полюса – сканирование с орбиты показывает, что там накоплено много воды. Пока неясно, занесли ее кометы, или же поток ионов водорода (протонов) солнечного ветра прореагировал с лунным грунтом и окислился до воды, но, в любом случае, ее большие массы скопились в полярных глубоких кратерах. На лунных полюсах, как и на Земле, Солнце никогда не поднимается высоко и не опускается низко за горизонт, и потому существуют как пики вечного света, так и «ямы» вечной тьмы, где лед никогда не тает. Однако прежде чем ее можно будет использовать, автоматические зонды должны будут разведать, в какой именно форме залегает лунная вода, чтобы инженеры разработали технологию массовой добычи.
Помимо воды, лунным жителям потребуется много строительных материалов – как минимум потому, что радиационный фон на земном спутнике примерно в 200 раз выше, чем на Земле, и долго прожить в надувной палатке или под тонкой алюминиевой крышей нельзя. Вдобавок у Луны нет атмосферы, и даже крошечные метеороиды размером с песчинку могут нанести урон за счет огромной скорости падения.
В связи с этим в качестве защиты планируют использовать сам лунный грунт. Вариантов два: можно присыпать жилище слоем реголита такой толщины, чтобы он защищал от космической радиации, как земная атмосфера и магнитосфера. По расчетам Роберта Виммер-Швайнгрубера из немецкого Университета Кристиана Альбрехта, этот слой должен превышать 70 сантиметров – то есть астронавтам потребуется либо землеройная техника, либо интенсивная работа лопатами. Райан Уоткинс, физик из Планетологического института США, предлагает поселить людей внутри лавовых труб – естественных пещер, оставшихся со времен магматической активности земного спутника. Наконец, существует много исследований о изготовлении из реголита строительных блоков. Например, с помощью микроволн его можно спекать в подобие кирпичей, из которых люди (или роботы) построят внешний слой жилища.
Луна также богата важнейшими металлами – алюминием и железом. Железо представлено пироксенами и оливином, а также гематитом – основной земной железной рудой. Однако земная черная металлургия полагается на восстановительные свойства монооксида углерода, получаемого из каменного угля, на Луне же придется прибегнуть к различным экзотическим процессам. Так, компания Lunar Resources недавно получила от NASA $3 млн на создание прототипа установки, способной добывать металлы, в том числе железо и алюминий, из расплавленного реголита с помощью электролиза. Этот метод очень энергоемкий, и потому для его использования потребуется мощная электростанция. Ожидается, что прототип автоматического устройства будет готов к отправке на Луну для испытаний к 2024 году. В качестве альтернативы можно использовать железосодержащий металлический порошок из лунной пыли – фильтровать его магнитами и формовать детали с помощью 3D-принтеров и порошковой металлургии. Все перечисленные выше методы добычи нужны лишь при строительстве объектов на самой Луне.
Даже если предположить, что стоимость полета на Луну и обратно опустится ниже стоимости запуска Falcon 9 компании SpaceX (около $50 млн) – цена стали за килограмм слишком низкая, чтобы ее экспорт на Землю стал выгоден в обозримой перспективе.
Перевозка, например, золота при цене около $60 млн за тонну гипотетически могла бы окупиться, но человечеству неизвестны лунные золотые жилы, а существующий спрос способна удовлетворить и земная промышленность. Однако профессор Шевченко считает, что существует как минимум один тип металлов, импорт которых с Луны уже оправдан.
«Земные запасы многих редкоземельных металлов группы лантаноидов уже близки к исчерпанию, консалтинговые фирмы утверждают, что разведанные запасы закончатся через несколько десятилетий. Лантаноиды необходимы для многих высокотехнологичных устройств: например, в состав сенсорных экранов телефонов входит индий, запас которого крайне мал. Инженеры ищут замену индию, но на Луне его запасов много, и мы можем указать области, в которых концентрация редкоземельных металлов велика», – говорит ученый.
Как и когда полетят
Полная информация есть лишь по планам США, поскольку NASA традиционно является открытой для общественности организацией. Американская лунная программа опирается на ряд ключевых положений. С Земли на окололунную орбиту астронавтов доставит связка корабля Orion и ракеты SLS, которая, после стольких лет задержек, все-таки отправилась в испытательный полет к Луне и успешно его завершила. В точке Лагранжа L1 системы Земля-Луна астронавты пристыкуются к расположенной там станции Gateway. Ее строительство в качестве «перевалочной базы» на полпути к земному спутнику начнется в 2024 году.
С Gateway на лунный южный полюс людей спустит ракета Starship компании SpaceX. В ходе первой высадки Artemis 3, запланированной на 2026 год, планирутся пробыть на проверхности около недели, собрать научные данные и разведать местность, после чего вернуться на Gateway, а с нее – на Землю в капсуле Orion.
Использование Starship пока выглядит самой рискованной частью программы, поскольку на конец 2022 года ее прототипы не совершили ни одного космического полета, а претензии американских экологических организаций ставят под угрозу работоспособность площадки в Бока-Чика (штат Техас), где ее испытывают. Ряд ученых считают, что работа космодрома вредит местной популяции желтоногих зуйков, и до окончания этих споров Федеральное управление гражданской авиации США не может санкционировать испытательные полеты.
Помимо этого, NASA планирует множество вспомогательных миссий в рамках программы CLPS («Коммерческие лунные услуги»). Несколько частных компаний будут доставлять на Луну роверы-разведчики, прототипы приборов, орбитальные аппараты и многое другое, что необходимо для запуска базы. Важнейшим аппаратом из этой серии будет луноход VIPER, снабженный исследовательским буром и набором приборов для точного картографирования ресурсов в районе полюса, – без него вряд ли удастся узнать, где стоит добывать лед.
Строительство самой лунной базы пока запланировано на 2030 год, когда в ходе Artemis 8 доставят ее первый модуль Foundational Surface Habitat. Детальных планов самой базы еще не существует. Известно лишь, что первоочередной задачей, помимо установки жилья, будет обеспечение базы электроэнергией. Это планируют сделать с помощью комбинации солнечных панелей и аккумуляторов, а также за счет портативного ядерного реактора мощностью около 10 кВт. Его прототип Kilopower, по размеру напоминающий домашний холодильник, отлично показал себя на испытаниях в 2018 году.
О планах России и Китая известно гораздо меньше. Российская РКК «Энергия» опубликовала доклад, согласно которому для единичной миссии потребуется четыре старта сверхтяжелых ракет «Ангара-А5В». Корабль будут постепенно собирать на околоземной орбите – первая «Ангара» поднимет взлетно-посадочный модуль, затем к нему пристыкуют транспортный модуль с водородно-кислородными двигателями, которые отвозят сборку к Луне. Спустя месяц запустят пилотируемый «Орленок», а спустя еще месяц – новый транспортный модуль, который отбуксирует «Орленок» к Луне. На окололунной орбите происходит сборка всего комплекса, космонавты переходят в спускаемый аппарат и высаживаются на Луне. Всего экипаж должен будет провести на Луне около двух недель, запуск запланирован приблизительно на 2030 год.
Саму Международную лунную станцию Россия намеревается строить вместе с Китаем. Опубликованная дорожная карта предполагает для этого пять миссий. В ходе первой из них установят командный центр, электростанцию и аппаратуру связи, третья будет посвящена разработке местных ресурсов, а пятая, последняя из запланированных, будет связана с астрономией. На этой базе, как и на американской, должен быть установлен ядерный реактор, а из примечательных отличий стоит упомянуть планы по разработке лунного «прыгуна» (hopper). Этот аппарат, по заявлению генерального конструктора лунной программы Ву Вэйжэня, будет способен заряжаться от реактора и с помощью этой энергии множество раз подскакивать над поверхностью. Его можно сравнить с транспортной квазибаллистической ракетой, предназначенной, например, для доставки воды из вечно затененных кратеров.