База на Луне. Как построить поселение на спутнике Земли

Советские и американские специалисты начали изучать различные проекты по созданию лунной базы еще на заре космической эры, даже до полета Гагарина. Самые первые из них имели ярко выраженную милитаристскую направленность. К примеру, проект Horizon, разрабатывавшийся в конце 1950-х, предусматривал строительство на Луне пусковой площадки для американских ядерных ракет.

Проект советской лунной базы

К счастью, военные довольно быстро поняли, что размещать ядерное оружие на естественном спутнике Земли не совсем практично, и потеряли интерес к таким идеям. Поэтому все последующие проекты поселений имели исключительно мирную направленность. Один из них был разработан в рамках программы Apollo. Сейчас мало кто это помнит, но изначально ее не планировали ограничивать лишь краткосрочными визитами на Луну. Следующим шагом должно было стать постоянное поселение. Для этого NASA собиралась разработать модифицированную версию Apollo или построить совсем другой корабль с большей грузоподъемностью. С его помощью планировали доставить на лунную поверхность жилой модуль, рассчитанный на трехмесячное пребывание двух человек. В дальнейшем к нему добавлялись бы другие отсеки, что позволило бы довести численность экипажа до 6 человек.

Но реализация такого проекта требовала многочисленных запусков тяжелой ракеты Saturn V. Оценив потенциальные издержки, Конгресс решил, что Америка не может себе позволить подобную роскошь. Поэтому все планы создания лунной базы были отменены еще до того, як Нил Армстронг (Neil Armstrong) сделал свой маленький шаг.

Аналогичные идеи были и в СРСР. Так, в рамках разработанного Владимиром Барминым проекта «Звезда» предстояло доставить на Луну «поезд» — связку из жилых, служебных и энергетических модулей, установленных на ходовую часть от луноходов. Необычное транспортное средство советские космонавты использовали бы для исследования местности и подбора оптимального места для сооружения постоянного лунного поселения. Согласно замыслу Бармина, оно должно было состоять из девяти типовых блоков цилиндрической формы и могло вместить 12 человек.

Проект советской лунной базы

К сожалению, этот замысел, как и лунная база Apollo, остался лишь на бумаге. На это было две веские причины. Первая — неудачные испытания сверхтяжелой ракеты Н1, которая должна была доставлять на Луну модули базы. Вторая – стоимость. Создание «Звезды» оценили в сумму, превышающую 50 млрд рублей. Перегруженная военными расходами советская экономика просто не могла потянуть проект подобных масштабов.

Потребовалось более 40 лет, чтобы о лунных поселениях заговорили снова. Американский проект Artemis и китайская лунная программа ставят своей основной задачей создание постоянных баз на Луне. Можно упомянуть и об инициативе «лунного села». Так называется предложенная ESA концепция открытого поселения, к которому смогут присоединяться любые участники — как государства, так и частные компании и некоммерческие организации. Предполагается, что такое поселение будет способствовать развитию международного сотрудничества и станет отправной точкой в освоении спутника Земли.

Так представляют будущую лунную базу инженеры Европейского космического агентства. Источник: ESA

Безусловно, за последние годы человечество достигло значительного прогресса в космической сфере. Поэтому современные планы по созданию лунных поселений куда более реалистичны, чем во времена Apollo. Однако это совсем не означает, что колонизация нашего спутника станет легкой прогулкой. Чтобы добиться успеха, конструкторам придется справиться со множеством вызовов и найти ответы на ряд важных вопросов, одним из которых является поиск оптимального местоположения базы.

Участок для строительства на Луне

Очевидно, первая база будет построена на южном лунном полюсе. США, Китай и Европа пока собираются сделать центром своих операций именно этот регион. Для этого имеется ряд причин. Автоматические аппараты собрали множество данных о том, что многие приполярные кратеры, дно которых никогда не освещается Солнцем, содержат залежи водяного льда. Колонисты могли бы использовать их для добычи питьевой воды, кислорода и получения компонентов ракетного топлива.

Кратер Шеклтон (Shackleton) в окрестностях южного лунного полюса. Верхняя часть кратерного вала очень крутая. На дно этой ударной структуры никогда не попадают прямые солнечные лучи. Источник: ESA

Одной из наиболее привлекательных точек на южном полюсе Луны считается двадцатикилометровый кратер Шеклтон. Через него проходит ось вращения нашего спутника. Скорее всего, именно эта ударная формация станет местом высадки запланированной на 2024 год миссии Artemis III.

Если говорить о северном полюсе, то самым интересным является кратер Пири. Четыре горных района на его краю освещаются Солнцем на протяжении практически всего лунного дня, что делает их прекрасным местом для установки солнечных электростанций. На дне кратера есть холодные ловушки, которые, вероятно, содержат большие залежи водяного льда.

Еще одним преимуществом полярного расположения базы является стабильный температурный режим в постоянно затененных областях. Таким образом, поселение на дне приполярного кратера будет защищено от резких колебаний температуры.

Несмотря на все преимущества полюсов Луны, это не единственные возможные места для строительства населенного форпоста. Для этой цели также подойдут лавовые трубки, проходящие под лунной поверхностью. Свод трубки уже сам по себе является неплохим экраном, способным защитить поселение от микрометеоритов, излучения и резких перепадов температур. При строительстве базы на полюсе жилые модули придется либо зарывать под поверхность, либо укрывать дополнительным защитным слоем.

Жилой модуль в лунной лавовой трубке (визуализация). Источник: Bryan Versteeg/spacehabs.com

К тому же внутри лавовых трубок можно разместить большие структуры. Теоретически лунные поселенцы могли бы даже загерметизировать и потом наполнить воздухом отдельные их участки, получив в свое распоряжение значительный объем свободного пространства. Еще одно преимущество лавовых трубок — в их распространенности во многих регионах Луны, что может стать решающим фактором при принятии решения о начале коммерческой добычи там полезных ископаемых.

По мнению многих ученых, наиболее ценным ресурсом нашего спутника является изотоп гелия с атомной массой 3. Его можно использовать в качестве топлива для термоядерных реакторов. Но самые большие залежи этого элемента расположены в районе лунного экватора, где, разумеется, нет кратеров с залежями водяного льда. Зато там можно найти лавовые трубки, способные вместить всю необходимую инфраструктуру.

Ко всему вышеперечисленному следует добавить, что отсутствие водяного льда в других регионах Луны хоть и является неудобством, но все же не представляет собой непреодолимого препятствия. Дело в том, что реголит содержит большое количество кислорода в «связанном» состоянии (в виде оксидов). Проведенные учеными опыты показали, что его можно высвободить с помощью электрохимических реакций. У этого процесса есть очень интересный побочный эффект: после извлечения кислорода от реголита остается смесь металлов, пригодных для получения различных сплавов. А потому вполне вероятно, что в будущем на Луне могут появиться фабрики, производящие кислород и стройматериалы.

Энергообеспечение лунного дома

Следующим важным вопросом является энергоснабжение. Ведь построить базу недостаточно — ее еще нужно обеспечить энергией.

Практически все космические аппараты используют для этого солнечные батареи. Они дешевы, относительно легки, надежны и безопасны. К сожалению, в случае с Луной все не так просто. Здесь ночь длится 14 земных суток, в течение которых выработка энергии с помощью солнечных батарей невозможна.

Демонстрационный ядерный реактор KRUSTY, спроектированный инженерами NASA для энергоснабжения пилотируемых миссий на Луну или другие небесные тела, где солнечного излучения может быть недостаточно. Источник: NASA

Тут поможет небольшой ядерный реактор. В распоряжении NASA уже есть проект подобной силовой установки, способной работать в условиях открытого космоса. В 2017-2018 годах аэрокосмическая администрация провела совместные с Национальным управлением ядерной безопасности США испытания прототипа реактора KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology). В качестве топлива он использует обогащенный уран-235, а конвертация тепла в электроэнергию производится с помощью двигателя Стирлинга с натриевым теплоносителем. Расчетная мощность KRUSTY, в зависимости от модификации, будет составлять от 1 до 10 кВт.

Согласно заявлению NASA, испытание оказалось успешным. Специалисты провели несколько тестов, в ходе которых проверили полный цикл работы реактора — от его запуска до полной остановки. Также были отработаны варианты с выходом из строя разных систем и оборудования. Проверки показали, что даже при самом худшем сценарии со множеством отказов реактор остался управляемым.

Ядерные реакторы — не единственный возможный вариант. Базы на полюсах Луны могли бы получать энергию от солнечных электростанций, расположенных на «пиках вечного света» — участках, практически постоянно озаренных Солнцем. Так происходит благодаря небольшому наклону лунного экватора к плоскости орбиты. Части валов и некоторые центральные горки крупнейших приполярных кратеров остаются освещенными на протяжении почти всего года. Снимки, сделанные автоматическими зондами, позволили ученым идентифицировать ряд перспективных мест на северном и южном полюсах, пригодных для размещения электростанций.

Главной проблемой является вопрос передачи выработанной энергии на дно кратера. Для этого можно использовать микроволны либо лазерное излучение. Недавно ESA выделило деньги на разработку проекта PHILIP (Powering rovers by High Intensity Laser Induction on Planets). На южный полюс Луны предлагают отправить два экспериментальных аппарата: стационарную платформу, которая опустится на край кратера в зоне «вечного света», и небольшой ровер. Платформа будет снабжена инфракрасным лазером, предназначенным для передачи энергии, собранной солнечными батареями. Подвижный аппарат оборудуют фотоэлектрическим преобразователем, улавливающим лазерный луч, посланный платформой, что, по замыслу конструкторов, снабдит его энергией и позволит исследовать дно кратера.

Испытания европейского ровера RAT (Rover AutonomyTestbed) на полигоне, расположенном на склоне вулкана Тейде — самой высокой вершины острова Тенерифе и вообще всей Испании. Дистанционно управляемый ровер получает энергию по лазерному лучу. Этот аппарат представляет собой прототип мобильных лабораторий для исследования «зон вечной тьмы» на лунных полюсах. Источник: ESA

Наконец, существует вариант оснащения лунных баз щелочными топливными элементами. Они производят электричество в процессе химической реакции с участием водорода и чистого кислорода. Подобные элементы в свое время устанавливались на кораблях Apollo и космопланах многоразового использования Space Shuttle. Возможно, их задействуют и в новой лунной программе. Днем поселение могло бы получать энергию от солнечных батарей, а ночью — от топливных элементов. Также их можно использовать в качестве резервного источника питания на случай повреждения или аварии.

Строительные материалы для лунной базы

Ранние проекты лунных поселений предполагали установку на поверхности нашего спутника металлических отсеков, вроде тех, из которых собирают орбитальные станции. Но, к сожалению, все не так просто. Безусловно, доставка подобных конструкций на Луну возможна — все зависит только от цены. На данный момент стоимость доставки туда килограмма полезной нагрузки измеряется пяти-, а то и шестизначными цифрами. Если человечество действительно стремится закрепиться на спутнике Земли, ему нужно найти способ радикально сократить эти расходы.

Так представляют будущую лунную базу инженеры Европейского космического агентства. Источник: ESA

Одна из наиболее интересных возможностей заключается в использовании надувных модулей типа отсека BEAM, который уже несколько лет с успехом эксплуатируется на МКС. Они имеют меньшую массу и могут обеспечить больший внутренний объем по сравнению с традиционными цельнометаллическими конструкциями. Такие модули можно разместить как на поверхности (для надежности укрыв их слоем реголита), так и внутри лавовых трубок.

Следующей частью стратегии по уменьшению затрат должен стать подход, при котором все, что попадет на поверхность Луны, нужно будет использовать для строительства поселений и хозяйственной деятельности. В частности, подобной стратегии собирается придерживаться компания SpaceX. Сейчас она занимается разработкой лунной модификации Starship, предназначенной для нужд программы Artemis. По словам Илона Маска, этот корабль станет не только средством доставки грузов и людей, но и временным домом. После посадки он будет использоваться как жилой модуль на период строительства основного поселения, а потом — как резервная база.

Возможный вид космического корабля Starship компании SpaceX после посадки на Луну. Источник: SpaceX

Но все же основной способ снижения затрат — ставка на максимально широкое использование ресурсов, которые можно добыть на Луне. И речь идет не только о залежах водяного льда. Лунный грунт мог бы стать ценным источником стройматериалов. Исследование, проведенное недавно компанией Azimut Space и ESA, показало, что с помощью 3D-принтера из реголита вполне реально изготовить монолитные кирпичи, пригодные не только для строительства сооружений, но и для решения задачи сохранения тепла. Результаты экспериментов говорят о том, что реголитные кирпичи способны накапливать энергию, которую затем можно использовать для обогрева внутренних помещений..

Возможный вид лунной базы NASA, построенной с помощью 3D-принтера. Источник: NASA

Следует отметить, что возможности 3D-принтеров не ограничиваются одним лишь изготовлением базовых стройматериалов. Их можно использовать и для создания других компонентов лунной базы — например, солнечных батарей, защитных экранов или несущих конструкций. Так что в будущем 3D-печать может полностью революционизировать процесс освоения Луны. Вместо того, чтобы везти туда большое количество оборудования и материалов, достаточно будет доставить несколько принтеров и «напечатать» все необходимое уже на месте.

Чистота и безопасность в лунном доме

Последний важный вопрос, на который необходимо найти ответ создателям лунного дома — как сохранить здоровье его обитателей?

Так представляют себе будущую лунную базу инженеры Европейского космического агентства. Источник: ESA

За годы эксплуатации МКС ученые собрали много информации об адаптации человеческого организма к длительному пребыванию в невесомости. Но как эти данные применимы к будущим лунным поселенцам? Скорее всего, пониженная гравитация на нашем естественном спутнике более благоприятна для организма, чем полное ее отсутствие. Однако это лишь предположение. Как длительное пребывание на Луне отразится на людях, мы узнаем только после появления там постоянных поселений.

Другим важным аспектом является повышенный уровень радиации. Луна не имеет ни атмосферы, ни магнитного поля, поэтому ее поверхность постоянно подвергается бомбардировке потоками заряженных частиц. К счастью, в основном они не обладают большой проницающей способностью и защита от них не будет неразрешимым вопросом. В то же время не стоит забывать о солнечных вспышках, которые могут за очень короткий срок создать опасные для здоровья человека дозы облучения. Для предотвращения подобных ситуаций будущим поселенцам потребуются регулярные прогнозы космической погоды от обсерваторий, отслеживающих активность нашего светила.

Наконец, нельзя игнорировать лунную пыль. На заре космонавтики существовало предположение, будто поверхность нашего спутника покрыта многометровым слоем пыли, накопившейся за миллионы лет. Некоторые ученые выражали опасения, что при попытке сесть на Луну космический аппарат просто «утонет» в ней.

Микрофотографии частиц лунной пыли из образцов, доставленных экспедицией Apollo 11, демонстрируют большое разнообразие их форм. Масштабная линейка внизу слева на каждом снимке имеет длину 1 мкм. Источник: Chiaramonti Debay/NIST

К счастью, эта гипотеза оказалась ошибочной. Однако лунная пыль — действительно серьезная угроза. Дело в том, что она состоит из небольших и при этом исключительно острых частиц (на Луне отсутствуют вода и атмосфера, способные их сгладить), обладающих мощным абразивным эффектом. Они могут быть опасны не только для механизмов, но и для человека.

Лунная пыль доставляла немало хлопот еще во времена экспедиций Apollo. Она загрязняла оптику и повреждала скафандры. А из-за электростатического эффекта ее частицы легко прилипали к экипировке, обуви и оборудованию — их нельзя было просто отряхнуть. Неудивительно, что возвращавшиеся в лунный модуль астронавты постоянно приносили с собой пыль. У кого-то она вызывала раздражение глаз, у кого-то —  гайморит, а у Гаррисона Шмитта (Harrison Schmitt) вообще начался аллергический приступ.

Астронавт Юджин Сернан (Eugene Cernan) после выхода на лунную поверхность. Можно заметить, что его скафандр покрыт толстым слоем пыли. Источник: NASA

Для экипажей Apollo контакт с лунной пылью оказался кратковременным, поэтому обошлось без заметных последствий для здоровья. Но в ходе продолжительного пребывания на Луне все может быть иначе. Специалисты предупреждают, что регулярное вдыхание пыли способно привести к серьезным повреждениям легких и со временем спровоцировать рак. Вероятно, у лунных поселенцев даже возникнет собственное профессиональное заболевание — нечто вроде болезни шахтеров.

Поэтому уже сейчас ученые думают над способами борьбы с пылью. Скорее всего, модули лунных баз будут снабжены специальными фильтровальными системами, предназначенными для очистки воздуха. Возможно, их придется оборудовать отдельными электростатическими душевыми для удаления пыли со скафандров. Таким образом, как и на нашей Земле, перед тем, как войти в дом, лунным поселенцам придется хорошенько вытереть ноги и вычистить свою одежду.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine

Таинственные темные кометы могут быть источником происхождения воды на Земле
Луна медленно удаляется от Земли и начинает влиять на нас
Juno сделал удивительное фото Юпитера
Новый квантовый компьютер установил рекорд скорости действия
Blue Origin демонстрирует технологию вертикальной посадки ракеты New Glenn: видео
Космическое кольцо: астрономы сфотографировали гиперсветящуюся галактику
Похищение «Луны-2»: как ЦРУ разузнали секреты советской космической программы под носом у КГБ
Ученые обнаружили недалеко от Солнца невероятно быстрый объект
Галактика-конструктор: телескоп Hubble сфотографировал необычного соседа Млечного Пути
Астронавты будут оставаться на борту МКС во время падения в атмосферу Земли