Возвращение на Луну
Как все было
Ровно тридцать лет назад, 21 июля 1969 года, экспедиция «Аполлон-11» завершилась успехом — североамериканские астронавты ступили на поверхность ближайшей к нам планеты. Спустя два года к исследованиям Луны приступила и советская экспедиция «Луноход-1». Казалось бы, еще немного — и начнется колонизация Луны. Ан нет! И в США, и у нас программы, связанные с освоением планеты, несмотря на имеющийся задел, были заморожены.
Однако кое-какие исследования продолжались. Американцы, например, разморозили было программу строительства лунной базы в середине восьмидесятых. Но инженеры из НАСА переоценили свои силы, испугали законодателей сотнями миллиардов долларов, которые нужно затратить на обустройство базы с населением в три человека, и в 1993 году отдел, занимавшийся этой проблемой, расформировали. Наши же инженеры из ЦНИИ машиностроения и других организаций предлагают другой путь.
Зачем нам нужна Луна
А нужна Луна для трех дел. Во-первых, это отличное место для астрофизических обсерваторий. К примеру, могучий телескоп Хаббл расположен вовсе не в открытом космосе, а в верхних слоях атмосферы, которые мешают наблюдать дальний космос. У орбитальных телескопов есть и такие недостатки, как нестабильность орбиты и слишком большая скорость вращения относительно звезд — одну и ту же точку космоса удается наблюдать не более 24 часов подряд.
На Луне же плотность атмосферы очень мала. Нет там ни коррекций орбиты, ни планетотрясений, ни рукотворного засорения эфира от радио- и телепередатчиков. Значит, чувствительность гамма-, ультрафиолетовых и инфракрасных телескопов возрастает на несколько порядков. На Луне наблюдать звезды с экватора можно по 13 суток подряд, а с полюса вообще сколько угодно.
Во-вторых, на Луне есть мелкая пыль, реголит, которая получается от столкновения с метеоритами и кометами. В этой пыли миллиарды лет конденсируется солнечный ветер, состоящий в основном из протонов и альфа-частиц. Попав в частицы пыли, они нейтрализуются и превращаются в атомы соответственно водорода и гелия-3. Этот второй газ — замечательное сырье для термоядерной энергетики. Реакции с ним
(D+3He→4He+p+18,4 МэВ,
23Не→4Не+2р+12,8 МэВ)
физики считают наиболее перспективными — энергетические потребности всей России могут обеспечить 20 тонн гелия-3 в год. На Луне же есть около 1 миллиона тонн этого вещества, что на семь порядков больше его содержания в земной атмосфере.
Но самое главное то, что космическая экспансия, а она неизбежна, потребует многих сотен запусков тяжелых ракет в год. Такая программа окажется для Земли непосильным бременем и наверняка разрушит среду обитания человечества. Освоив же ресурсы Луны, можно создать все необходимое для строительства космических кораблей, их заправки топливом и старта к ближним планетам и дальним звездам с этой самой Луны.
Первый этап
Наши ученые считают, что начинать нужно не с масштабного присутствия человека на Луне, а с небольших автоматических баз — двух астрофизических на полюсах и одной многофункциональной — на западном побережье Океана Бурь (рис.1). Расположение базы в лунном море не случайно — по оценкам селенологов, именно «морской» реголит наиболее перспективен для добычи полезных ископаемых.
Но прежде чем затевать стройку, следует все хорошенько разведать, например выявить места с удобным рельефом и с близко расположенными запасами воды. Собственно, методика разведки места для базы отлажена на опыте освоения Антарктиды. На Луне же ее будут проводить следующим образом.
Для начала искусственный спутник Луны составит мелкомасштабную карту (потом он станет ретранслятором для связи с объектами на лунной поверхности). Не помешает также проверить наличие полезных ископаемых в выбранных районах пе- нетраторами (рис. 2), а потом спустить малые луноходы для детального обследования. Еще потребуется установить радиационные датчики для анализа облучения поверхности Луны — полученные данные пригодятся при конструировании защиты для оборудования и людей. Затем три экспедиции тяжелых луноходов, которые уже прошли испытания на полигоне ВНИИ транспортного машиностроения, подготовят площадки для монтажа оборудования. С учетом возможных поломок как луноходов, так и станции связи для разведки придется запустить шесть — десять аппаратов типа «Фобос» (рис. 3).
Потом придет черед целевых платформ, то есть смонтированного на тех же «Фобосах» лабораторного оборудования. На полюса завезут ультрафиолетовый, гамма-, рентгеновский и инфракрасный телескопы. А на многоцелевую базу доставят лабораторию анализа пород и установки добычи гелия-3 и кислорода. При этом с первой платформой на каждую базу нужно забросить систему связи и энергоустановку. На этом этапе на Луну придется перевозить по 2,5 тонны груза за один раз. Много это или мало?
Стандартная ракета «Зенит» НПО «Южмаш», которая сейчас выводит на орбиту коммерческие спутники, в том числе и с испытанного в марте плавающего космодрома, может доставить с Земли на Луну 1,5, а ракета-носитель «Протон» — 2—3 тонны полезной нагрузки. Стало быть проверенные средства доставки у нас есть.
На многоцелевой базе помимо шахтного оборудования — манипуляторов, транспортеров, экскаваторов — потребуется смонтировать еще и стартовый комплекс с несколькими снаряженными ракетами для доставки образцов на Землю. Этот комплекс весит под пять тонн и поднять его сможет ракета «Энергия», которая возила на себе «Буран».
После того как луноходы, оснащенные манипуляторами, соединят модули баз в одно целое и подключат питание, подготовительный этап закончится и начнется реальная работа.
Будни базы
Базы на полюсах добывают уникальную астрофизическую информацию, оправдывая тем самым программу освоения Луны в глазах ученых, налогоплательщиков и распорядителей финансов. Делают они это в автоматическом режиме. Более того, никаких луноходов и близко быть не должно — они поднимают пыль, которая мешает астрономическим наблюдениям. Крупная пыль на Луне оседает за две-три недели, а мелкая — значительно дольше.
А в это время в Океане Бурь закладывается основа грядущего самообеспечения и самоокупаемости базы. Поятно, что этого можно добиться добычей и переработкой полезных ископаемых — результаты астрофизических исследований, сколь бы интересными они ни были, продать или каким иным способом превратить в материальные ценности невозможно. Итак, что же будет с лунными ресурсами?
Прежде всего для работы базы нужен местный источник энергии. Понятно, что это Солнце. Электростанция на солнечных батареях мощностью 50 кВт займет площадь около 300 м2 и будет весить 25—30 тонн. Газотурбинный же генератор, разработанный в РКК «Энергия» и Центре им. М.В.Келдыша, в котором газ нагревается под действием света и вращает турбину, при мощности в 10 кВт весит 2 тонны. Его-то и надо использовать на первых порах. Концентрируя солнечный свет, будут работать и плавильные печи.
А как быть ночью, которая на Луне длится 14 земных суток? Придется либо разместить установку на «горе вечного света», либо накапливать энергию в химических или механических накопителях. А потратят энергию на добычу кислорода, железа, титана, гелия-3 и производство воды.
Кислорода в лунных породах много — около 40 процентов. Его можно получить, если нагреть реголит в солнечной печи до 1800—3000°С, а затем разделить испарившиеся вещества на фракции, сконденсировав их в охлаждаемом окружающей средой металлическом холодильнике. Возможен и другой путь — извлекать кислород из расплава электровосстановлением содержащегося в реголите ильменита (при этом попутно будет восстанавливаться железо) или рутила (попутно получается титан) по уже отработанным технологиям.
Однако самый простой способ добычи кислорода — электролиз воды. Американский спутник «Лунар Проспектор», частично профинансированный частными пожертвованиями, летом 1998 года показал, что на Луне есть лед, предположительно — мелкие осколки комет. Но в кометах, как известно из данных экспедиции «Вега», кроме воды бывает еще и метан. Если кометная гипотеза верна, то этот газ в замороженном состоянии тоже должен быть на Луне. А это уже сырье для органического синтеза.
И кислород, и органика прежде всего нужны как компоненты ракетного топлива. Если наладить их производство, то можно будет за счет собственных ресурсов отправлять на Землю образцы пород, а в перспективе — кислород и топливо на искусственные спутники Земли и на корабли экспедиций к Марсу, ведь старт корабля-заправщика с Луны требует значительно меньше топлива. Так у базы появится шанс зарабатывать деньги.
Если же на Земле физики сумеют запустить управляемую термоядерную реакцию, то лунная программа станет крайне выгодным коммерческим проектом — нужно будет добывать гелий-3. Расчет показывает, что 100 кг этого газа можно добыть из примерно 10 млн. м3 реголита. Выделять гелий-3 предполагают так же, как и кислород, только нагревать реголит будут до 700°С, а охлаждать — до 1,8 К, чтобы разделить гелиевые изотопы. При этом удастся попутно извлечь другие составляющие сконденсировавшегося солнечного ветра: Н2, Н2О, СО2, СН4, СО и N2.
Разрабатывая лунные ресурсы, нужно не забывать о защите окружающей среды: горные выработки следует сразу же прикрывать куполами (рис. 4) и вести их подальше от обсерваторий, иначе из-за пыли заниматься астрофизикой на Луне станет невозможно. И вообще, освоение Луны должно затронуть небольшую площадь и в основном опираться на разработку подповерхностных ресурсов. Производство же с самого начала может быть организовано как малоотходное.
Есть и проблема, связанная с микробиологическим заражением лунных просторов. Американцы, высадившись на Луне, нашли там останки предыдущей автоматической экспедиции и обнаружили, что земные микроорганизмы неплохо переносят лунные условия — они впадают в анабиоз и оживают в условиях земных. Однако у поверхности Луны нет защиты от электромагнитного облучения и солнечного ветра, под влиянием которых микроорганизмы будут обязательно мутировать, и последствия этого малопредсказуемы.
Второй этап
Если первые эксперименты на базе в Океане Бурь покажут, что она стоит на богатом месте и технологии переработки развиваются в правильном направлении, ее статус изменится — из автоматической база станет посещаемой. В противном случае база так и останется автоматической и в отдаленной перспективе превратится в площадку для старта и спуска пилотируемых кораблей.
Чтобы обеспечить на базе сносные условия для работы экипажа, понадобятся жилье и лаборатории. На первых порах космонавты будут проводить от 3 до 20 суток в возвращаемом аппарате лунного корабля (рис. 5). Однако когда потребуется более длительное пребывание человека Ha Луне, придется привезти лабораторно-жилой модуль, спроектированный еще в 1977 году. В нем люди будут жить по три месяца. Чтобы сэкономить энергию, модуль следует закопать в грунт: если на поверхности перепад температур от 150° мороза до 150-170° тепла, то уже на метровой глубине у реголита постоянная температура около +25°С. Для перемещения людей потребуется два универсальных лунохода — рабочий и аварийный, а замкнутую систему жизнеобеспечения можно взять у станции «Мир» — она там исправно работает вот уже десять лет. Кроме того, нужен орбитальный пересадочный комплекс с кораблем-спасателем.
Всего за два года этого этапа на Луну привезут около 250 тонн груза, а на окололунную орбиту — 100 тонн, при этом понадобится не менее четырех запусков проектируемых кораблей грузоподъемностью 10 тонн.
Третий этап
А потом база в Океане Бурь постепенно превратится из посещаемой автоматической в научно-промышленное поселение.
Скорее всего, после трех ежегодных экспедиций удастся собрать достаточно сведений, чтобы решить, стоит создавать постоянное поселение или нет. Если решение будет положительным, тогда к жилому блоку начнут пристыковывать все новые и новые жилые и лабораторные модули.
Три модуля обеспечат нормальную работу для шести человек, проводящих на Луне по две недели светлого времени с месячными перерывами. То есть за год пройдет 4—6 экспедиций, которые наладят комплексную переработку ресурсов.
К тому времени освоение планеты силами базы в Океане Бурь потребует создания транспортной системы. На маршруте Земля — искусственный спутник Земли — искусственный спутник Луны — Луна (рис. 6). Зачем так сложно?
На околоземной станции типа Международной космической станции «Альфа» будут собирать жилые комплексы и технологическое оборудование перед транспортировкой к Луне — за один раз такие махины с Земли не отправишь. С нее же станут отправлять на Луну припасы, космонавтов, анализировать на ней образцы, а также перегружать грузы и пересаживать космонавтов с межорбитальных буксиров на корабли, уходящие к Земле.
Окололунная станция обеспечит безопасность людей — до нее добраться с Луны проще, чем до Земли. Здесь же будут заправлять многоразовые межорбитальные буксиры, загружать их грузами, доставленными с Луны, и готовить сменные экипажи космонавтов к отправке на Землю.
Для обмена грузами между Землей и околоземной станцией понадобятся одноразовые ракеты различной мощности, а также многоразовые челноки типа «Шаттл», «Буран» или разрабатываемые воздушно-космические самолеты. Две орбитальные станции свяжут между собой многоразовые буксиры, работающие либо на солнечной энергии, либо на ядерной. А доставлять грузы с Луны на окололунную орбиту можно многокилометровыми тросами (рис. 7). Но сначала придется развить на Луне топливную промышленность и металлургию — если везти топливо и громоздкие металлоконструкции с Земли, проект окажется слишком дорогим.
Насколько это реально?
У нас есть все, чтобы решить задачи первых двух этапов: ракетоносители, орбитальные станции, луноходы и жилые модули уже разработаны и испытаны, причем некоторые по многу раз. Более того, в КБ Общего машиностроения построен действующий макет посещаемой лунной базы. Есть оценки и стоимости освоения.
Смонтировать на Луне три автоматические базы можно за пять лет, и это обойдется в 1,5—2 млрд. долларов. Следующий этап — посещаемая база — займет четыре года и будет стоить 3 млрд. долларов. Эти суммы не так уж и велики, мировому сообществу они вполне по плечу. Во всяком случае, многочисленные операции по поддержанию мира натовскими бомбардировками обходятся куда дороже.