База на Місяці. Як побудувати поселення на супутнику Землі

Радянські й американські фахівці почали вивчати різні проєкти зі створення місячних баз ще на зорі космічної ери, навіть до польоту Гагаріна. Найперші з них мали яскраво виражену мілітаристську спрямованість. Наприклад, проєкт Horizon, що розроблявся наприкінці 1950-х, передбачав будівництво на Місяці пускового майданчика для американських ядерних ракет.

Проєкт радянської місячної бази

На щастя, військові досить швидко зрозуміли, що розміщувати ядерну зброю на природному супутнику Землі не зовсім практично, і втратили інтерес до таких ідей. Тому всі наступні проєкти поселень мали виключно мирне спрямування. Один із них був розроблений у межах програми Apollo. Зараз мало хто це пам’ятає, але від початку її не планували обмежувати лише короткостроковими візитами на Місяць. Наступним кроком мало стати створення постійного поселення. Для цього NASA збиралася розробити модифіковану версію Apollo або ж побудувати зовсім інший корабель із більшою вантажопідйомністю. З його допомогою планувалося доставити на місячну поверхню житловий модуль, розрахований на тримісячне перебування двох людей. Надалі до нього додавалися б інші відсіки, що дозволило би довести чисельність екіпажу до 6 осіб.

Але реалізація такого проєкту вимагала численних запусків важкої ракети Saturn V. Оцінивши потенційні витрати, Конгрес вирішив, що Америка не може собі дозволити подібну розкіш. Тому всі плани зі створення місячної бази були скасовані ще до того, як Ніл Армстронг (Neil Armstrong) зробив свій маленький крок.

Аналогічні ідеї були й у СРСР. Так, у межах розробленого Владіміром Барміним проєкту «Звезда» належало доставити на Місяць «поїзд» — зв’язку з житлових, службових і енергетичних модулів, установлених на ходову частину від місяцеходів. Незвичайний транспортний засіб використовувався би радянськими космонавтами для дослідження місцевості та підбору оптимального місця для розміщення постійного місячного поселення. Згідно з задумом Барміна, воно мало складатися з дев’яти типових блоків циліндричної форми й було розраховане на 12 осіб.

Проєкт радянської місячної бази

На жаль, цей задум, як і місячна база Apollo, залишився тільки на папері. На це було дві вагомі причини. Перша — невдалі випробування надважкої ракети Н1, яка мала б доправити на Місяць модулі бази. Друга — вартість. Створення «Звезды» оцінили в суму, що перевищувала 50 млрд рублів. Перевантажена військовими витратами радянська економіка просто не могла потягнути проєкт подібних масштабів.

Знадобилося понад 40 років, щоб про місячні поселення заговорили знову. Американський проєкт Artemis і китайська місячна програма ставлять своїм основним завданням створення постійних баз на Місяці. Можна згадати й про ініціативу «місячного села». Так називається запропонований ESA концепт відкритого поселення, до якого зможуть долучатися будь-які учасники — як держави, так і приватні компанії та некомерційні організації. Передбачається, що таке поселення сприятиме розвитку міжнародного співробітництва і стане відправною точкою в освоєнні супутника Землі.

Так уявляють майбутню місячну базу інженери Європейського космічного агентства. Джерело: ESA

Безумовно, за останні роки людство досягло значного прогресу в космічній сфері. Тож сучасні плани зі створення місячних поселень куди більш реалістичні, ніж за часів Apollo. Однак це зовсім не означає, що колонізація нашого супутника стане легкою прогулянкою. Щоб домогтися успіху, конструкторам доведеться впоратися з безліччю викликів і знайти відповідь на низку важливих запитань, одним із яких є пошук найоптимальнішого місця розташування бази.

Ділянка для будівництва на Місяці

Очевидно, перша база буде побудована на південному місячному полюсі. США, Китай і Європа поки збираються зробити центром своїх операцій саме цей регіон. Для цього є низка причин. Автоматичні апарати зібрали безліч даних про те, що багато приполярних кратерів, дно яких ніколи не освітлюється Сонцем, містить поклади водяного льоду. Колоністи могли би використовувати їх для видобутку питної води, кисню й отримання компонентів ракетного палива.

Кратер Шеклтон (Shackleton) в околицях південного місячного полюса. Верхня частина кратерного валу дуже крута. На дно цієї ударної структури ніколи не потрапляють прямі сонячні промені. Джерело: ESA

Однією з найпривабливіших точок на південному полюсі Місяця вважається двадцятикілометровий кратер Шеклтон. Через нього проходить вісь обертання нашого супутника. Швидше за все, саме ця ударна формація стане місцем висадки запланованої на 2024 рік місії Artemis III.

Якщо говорити про північний полюс, то найцікавішим є кратер Пірі. Чотири гірські райони на його краю освітлені Сонцем упродовж практично всього місячного дня, що робить їх чудовим місцем для встановлення сонячних електростанцій. На дні ж самого кратера є холодні пастки, які, ймовірно, містять великі поклади водяного льоду.

Ще однією перевагою полярного розташування бази є стабільний температурний режим у постійно затінених областях. Таким чином, поселення на дні приполярного кратера буде захищене від різких коливань температури.

Попри всі переваги полюсів Місяця, вони є не єдиним можливим місцем для будівництва населеного форпосту. Для цієї мети також підійдуть лавові трубки, що проходять під місячною поверхнею. Склепіння трубки вже саме по собі є непоганим екраном, здатним захистити поселення від мікрометеоритів, випромінювання та різких температурних коливань. Під час будівництва бази на полюсі житлові модулі доведеться або заривати під поверхню, або вкривати додатковим захисним шаром.

Житловий модуль у місячній лавовій трубі (візуалізація). Джерело: Bryan Versteeg/spacehabs.com

До того ж усередині лавових трубок можна розмістити великі структури. Теоретично, місячні поселенці могли б навіть загерметизувати й потім наповнити повітрям окремі їхні ділянки, отримавши у своє розпорядження великий обсяг вільного простору. Ще одна перевага лавових трубок — у їхній поширеності в багатьох регіонах Місяця, що може стати вирішальним фактором під час прийняття рішення про початок комерційного видобутку на ньому корисних копалин.

На думку багатьох учених, найціннішим ресурсом нашого супутника є ізотоп гелію з атомною масою 3. Його можна використовувати як паливо для термоядерних реакторів. Але найбільші поклади цього елемента розташовані в районі місячного екватора, де, зрозуміло, немає кратерів із покладами водяного льоду. Зате там можна знайти лавові трубки, здатні прийняти всю необхідну інфраструктуру.

До всього вищезгаданого варто додати, що відсутність водяного льоду в інших регіонах Місяця хоч і є незручністю, але все ж не становить нездоланної перешкоди. Річ у тім, що реголіт містить велику кількість кисню у «зв’язаному» стані (у вигляді оксидів). Проведені вченими досліди показали, що його можна вивільнити за допомогою електрохімічних реакцій. У цього процесу є дуже цікавий побічний ефект: після вилучення кисню від реголіту залишається суміш металів, придатних для отримання різних сплавів. Тож цілком імовірно, що в майбутньому на Місяці можуть з’явитися фабрики, що виробляють кисень і будматеріали.

Енергозабезпечення місячного будинку

Наступним важливим питанням є енергозабезпечення. Адже збудувати базу недостатньо — її також потрібно забезпечити енергією.

Майже всі космічні апарати використовують для цього сонячні батареї. Вони дешеві, відносно легкі, надійні та безпечні. На жаль, у випадку з Місяцем все не так просто. Тут ніч триває 14 земних діб, упродовж яких вироблення енергії за допомогою сонячних батарей неможливе.

Демонстраційний ядерний реактор KRUSTY, спроєктований інженерами NASA для енергозабезпечення пілотованих місій на Місяць або інші небесні тіла, де сонячного випромінювання може бути недостатньо. Джерело: NASA

Тут допоможе невеликий ядерний реактор. NASA вже має проєкт подібної силової установки, здатної працювати в умовах відкритого космосу. У 2017-2018 роках аерокосмічна адміністрація провела спільні з Національним управлінням ядерної безпеки США випробування прототипу реактора KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology). Як паливо він використовує збагачений уран-235, а конвертація тепла в електроенергію здійснюється за допомогою двигуна Стірлінга на натрієвому теплоносії. Розрахункова потужність KRUSTY, залежно від модифікації, складатиме від 1 до 10 кВт.

Згідно з заявою NASA, випробування виявилося успішним. Фахівці провели кілька тестів, під час яких перевірили повний цикл роботи реактора — від його запуску до повної зупинки. Також були відпрацьовані варіанти з виходом із ладу різних систем і устаткування. Перевірки показали, що навіть за найгіршого сценарію з безліччю відмов реактор залишився керованим.

Ядерні реактори є не єдиним можливим варіантом. Бази на полюсах Місяця могли б отримувати енергію від сонячних електростанцій, розташованих на «піках вічного світла» — ділянках, практично завжди осяяних Сонцем. Це можливо завдяки невеликому нахилу місячного екватора до площини орбіти. Частини валів і деякі центральні верхівки найбільших приполярних кратерів лишаються освітленими впродовж майже всього року. Зроблені автоматичними зондами знімки дозволили вченим ідентифікувати низку перспективних місць на північному і південному полюсі, придатних для розміщення електростанцій.

Головною проблемою є питання передачі зібраної енергії на дно кратера. Для цього можна використовувати мікрохвилі чи лазерне випромінювання. Нещодавно ESA виділило гроші для опрацювання проєкту PHILIP (Powering rovers by High Intensity Laser Induction on Planets). На південний полюс Місяця пропонують відправити два експериментальних апарати: стаціонарну платформу, яка опуститься на край кратера в зоні «вічного світла», і невеликий ровер. Платформа буде оснащена інфрачервоним лазером, призначеним для передачі енергії, зібраної сонячними батареями. Рухомий апарат обладнають фотоелектричним перетворювачем. Платформа посилатиме лазерний промінь на ровер, що, за задумом конструкторів, забезпечить його енергією і дозволить дослідити дно кратера.

Випробування європейського ровера RAT (Rover AutonomyTestbed) на полігоні, розташованому на схилі вулкану Тейде — найвищої вершини острова Тенерифе та всієї Іспанії. Дистанційно керований ровер отримує енергію по лазерному променю. Цей апарат є прототипом мобільних лабораторій для дослідження «зон вічної темряви» на місячних полюсах. Джерело: ESA

Нарешті, є варіант оснащення місячних баз лужними паливними елементами. Вони виробляють електрику у процесі хімічної реакції за участю водню та чистого кисню. Подібні паливні елементи свого часу встановлювалися на кораблях Apollo і космопланах багаторазового використання Space Shuttle. Можливо, їх застосують і в новій місячній програмі. Вдень поселення могло б отримувати енергію від сонячних батарей, уночі  — від паливних елементів. Також їх можна використовувати як резервне джерело живлення на випадок будь-якого пошкодження чи аварії.

Будівельні матеріали для місячної бази

Ранні проєкти місячних поселень припускали установку на поверхні нашого супутника металевих відсіків, на кшталт тих, із яких збирають орбітальні станції. Але, на жаль, все не так просто. Безумовно, доправлення подібних конструкцій на Місяць можливе, та все залежить від ціни. На сьогодні вартість доставки кілограма корисного навантаження вимірюється п’яти-, а то й шестизначними цифрами. Якщо людство справді прагне закріпитися на супутнику Землі, йому потрібно знайти спосіб радикально скоротити ці витрати.

Так уявляють майбутню місячну базу інженери Європейського космічного агентства. Джерело: ESA

Одна з найцікавіших можливостей полягає у використанні надувних модулів на зразок відсіку BEAM, що вже кілька років з успіхом експлуатується на МКС. Вони мають меншу масу і можуть надати більший внутрішній об’єм у порівнянні з традиційними суцільнометалевими конструкціями. Такі модулі можна розмістити як на поверхні (для надійності укривши їх шаром реголіту), так і всередині лавових трубок.

Наступною частиною стратегії зі зменшення витрат має стати підхід, при якому все, що сяде на поверхню Місяця, треба буде використовувати для будівництва поселень і господарської діяльності. Зокрема, подібної стратегії збирається дотримуватися компанія SpaceX. Зараз вона займається розробкою місячної модифікації Starship, призначеної для потреб програми Artemis. За словами Ілона Маска, цей корабель стане не лише засобом доставки вантажів і людей, але й тимчасовим будинком. Після посадки він буде використовуватися як житловий модуль на період будівництва основного поселення, а потім — як резервна база.

Можливий вигляд космічного корабля Starship компанії SpaceX після посадки на Місяць. Джерело: SpaceX

Та все ж основний спосіб зниження витрат — ставка на максимально широке використання ресурсів, які можна добути на Місяці. Й мова не лише про поклади водяного льоду. Місячний ґрунт міг би стати цінним джерелом будматеріалів. Дослідження, проведене нещодавно компанією Azimut Space і ESA, показало, що за допомогою 3D-принтера з реголіту цілком можливо виготовити монолітні цеглини, які знадобляться не лише для зведення споруд, але й для вирішення завдання збереження тепла. Результати експериментів говорять про те, що реголітні цеглини здатні накопичувати енергію, яку потім можна використовувати для обігріву внутрішніх приміщень.

Можливий вигляд місячної бази NASA, збудованої за допомогою 3D-принтера. Джерело: NASA

Варто зазначити, що можливості 3D-принтерів не обмежуються лише виготовленням базових будматеріалів. Їх можна використовувати й для створення інших компонентів місячної бази — наприклад, сонячних батарей, захисних екранів або несучих конструкцій. Тож у майбутньому 3D-друк може повністю революціонізувати процес освоєння Місяця. Замість того, щоб везти туди велику кількість обладнання і матеріалів, досить буде доставити кілька принтерів і створити все необхідне вже на місці.

Чистота й безпека в місячному будинку

Останнє важливе питання, на яке потрібно знайти відповідь творцям місячного будинку — як зберегти здоров’я його мешканців?

Так уявляють майбутню місячну базу інженери Європейського космічного агентства. Джерело: ESA

За роки експлуатації МКС учені зібрали багато інформації про адаптацію людського організму до тривалого перебування в невагомості. Але наскільки ці дані застосовні до майбутніх місячних поселенців? Швидше за все, знижена гравітація на земному супутнику краще для організму, ніж повна її відсутність. Проте це лише припущення. Як тривале перебування на Місяці позначиться на людях, ми дізнаємося лише після появи там постійних поселень.

Іншим важливим аспектом є підвищений рівень випромінювання. Місяць не має ані атмосфери, ані магнітного поля, тож його поверхня постійно бомбардується потоком заряджених частинок. На щастя, в основному вони не мають великої проникної здатності й захист від них не є нерозв’язним питанням. Водночас не варто забувати про сонячні спалахи, які можуть за дуже короткий термін завдати небезпечних для здоров’я людини доз опромінення. Для запобігання подібних ситуацій майбутнім поселенцям будуть потрібні регулярні прогнози космічної погоди від обсерваторій, що відстежують активність нашого світила.

Нарешті, не можна ігнорувати місячний пил. На зорі космонавтики існувало припущення, що поверхня нашого супутника вкрита багатометровим шаром пилу, який накопичився за мільйони років. Деякі вчені висловлювали побоювання, що під час спроби сісти на Місяць космічний апарат просто «потоне» в ньому.

Мікрофотографії частинок місячного пилу зі зразків, отриманих експедицією Apollo 11, демонструють велике розмаїття їхніх форм. Масштабна лінійка внизу ліворуч на кожному знімку має довжину 1 мкм. Джерело: Chiaramonti Debay/NIST

На щастя, гіпотеза виявилася помилковою. Але місячний пил — дійсно серйозна загроза. Річ у тім, що він складається з невеликих і при цьому вкрай гострих частинок (адже на Місяці немає води й атмосфери, здатних їх згладити), що мають потужний абразивний ефект. Вони можуть бути небезпечними не лише для механізмів, а й для людини.

Місячний пил завдав чимало клопоту ще за часів експедицій Apollo. Він забруднював оптику приладів і пошкоджував скафандри. А через електростатичний ефект його частинки легко прилипали до екіпірування, взуття та обладнання — їх не можна було просто струсити. Не дивно, що астронавти, які поверталися у місячний модуль, постійно приносили з собою пил. У когось він викликав подразнення очей, у когось —  гайморит, а у Гаррісона Шмітта (Harrison Schmitt) взагалі стався алергічний напад.

Астронавт Юджин Сернан (Eugene Cernan) після виходу на місячну поверхню. Можна помітити, що його скафандр укритий товстим шаром пилу. Джерело: NASA

Для екіпажів Apollo контакт із місячним пилом виявився короткочасним, тож обійшлося без помітних наслідків для здоров’я. Але під час тривалого перебування на Місяці все може бути інакше. Фахівці попереджають, що регулярне вдихання пилу може призвести до серйозних ушкоджень легенів і з часом спровокувати рак. Ймовірно, у місячних поселенців навіть виникне власне професійне захворювання — щось на кшталт хвороби шахтарів.

Тому вже зараз учені думають над способами боротьби з пилом. Швидше за все, модулі місячних баз будуть оснащені спеціальними фільтрувальними системами, призначеними для очищення повітря. Можливо, їх доведеться обладнати окремими електростатичними «душовими» для видалення пилу зі скафандрів. Отже, як і на нашій Землі, перед тим, як увійти в оселю, місячним поселенцям доведеться гарненько витерти ноги й очистити свій одяг.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine

Невдале дослідження виявило дивну особливість Чумацього Шляху
Наступна місія до Плутона відбудеться не раніше 2050 року
Водні планети на орбітах білих карликів добре підходять для пошуку життя
Телескоп у Південній Америці зазнімкував космічного коропа коі
Астрономи відкрили чотири мінінептуни
Гігантський Магелланів телескоп став на крок ближчий до будівництва
Ракетний ступінь великим планом: японський супутник здійснив історичне зближення з космічним сміттям
Міжзоряний ремонт завершено: Voyager 1 відновив передачу всіх наукових даних
Важливий експеримент: NASA відправила у космос відео та фото з домашніми улюбленцями
Астрономи відкрили у пари зір дивовижні паралельні диски