Вода станет чрезвычайно важным ресурсом на Луне, используемым для снабжения астронавтов питьевой водой, выращивания сельскохозяйственных культур и, возможно, ракетного топлива. Наиболее вероятные места для обнаружения воды — это постоянно затененные кратеры на лунной поверхности.
В какой бы форме это ни происходило, человечество делает шаги к возвращению на Луну. На этот раз наша цель — остаться там навсегда: и Соединенные Штаты, и Китай планируют создать специализированные лунные базы на южном полюсе Луны.
Выбор этого места не был спонтанным решением. Предполагается, что южный полюс Луны содержит ценные водные ресурсы, которые могут существовать в виде льда, быть погребены под лунным грунтом или и то, и другое. Эти водные ресурсы могут обеспечить астронавтов питьевой водой, использоваться для выращивания космических культур и даже быть переработаны в ракетное топливо.
Использование воды в качестве топлива может звучать потрясающе, но лежащая в основе химия довольно проста. Вода состоит из двух элементов: водорода и кислорода, которые при сжижении могут воспламеняться, обеспечивая мощную и эффективную двигательную установку для космических аппаратов.
Если эту революционную технологию удастся реализовать на Луне, южный полюс Луны станет гораздо ценнее, чем просто исследовательский форпост. Он превратится в самодостаточную заправочную станцию, производящую собственное топливо, что устранит необходимость в дорогостоящих припасах, доставляемых с Земли. Это проложит путь для экспедиции человечества на Марс.
«Если бы топливо можно было производить в больших количествах на поверхности Луны, его ценность была бы неизмерима», — заявил Джордж Соуэрс, инженер-механик из Горной школы Колорадо. «Вода — это нефть космической эры».
Технологии преобразования воды в топливо — это не просто научная фантастика; они уже реализованы в реальности в различных формах. Однако до настоящего времени эти технологии были полностью проверены только в условиях Земли. Низкая гравитация и чрезвычайно суровые условия южного полюса Луны значительно отличаются от земных.
«Мы понятия не имеем, будут ли эти технологии должным образом функционировать в уникальных условиях Луны», — признал Пауль Забель, исследователь из Института космических систем Бременского аэрокосмического центра в Германии. Единственный способ разгадать эту загадку — это практические исследования.
Первый шаг в поисках воды — точно определить её местоположение на Луне. Астронавты ещё лично не исследовали южный полюс Луны, хотя орбитальные зонды НАСА и индийского космического агентства подтвердили наличие воды в этом регионе, запасы могут быть невелики.
Разница температур на поверхности Луны чрезвычайно велика: под прямыми солнечными лучами температура может достигать 121 градуса Цельсия, а в затененных местах — опускаться до -246 градусов Цельсия. Что еще важнее, у Луны нет атмосферы, которая бы ее защищала, поэтому даже в самых холодных регионах лед будет испаряться и рассеиваться, в конечном итоге улетучиваясь в бескрайние просторы космоса.
Поиск воды на Луне — это первый шаг. Особый интерес представляет южный полюс Луны (на фото), поскольку большая часть этого региона постоянно находится в тени, а данные, полученные с помощью орбитальных зондов, указывают на наличие там льда. | Галерея изображений National Geographic
Среди многочисленных целей исследования особое внимание уделяется постоянно затененным регионам. Эти области представляют собой в основном крутые и глубокие кратеры на лунной поверхности, постоянно окутанные тьмой, что делает их одними из самых холодных уголков Вселенной.
Джули Стопар, старший научный сотрудник Института лунных и планетарных исследований, отметила: «Эти районы представляют собой нашу главную надежду на обнаружение крупномасштабных, пригодных для эксплуатации водных ресурсов».
Однако не стоит ожидать обнаружения ледников в этих темных, глубоких ямах. Стоппар объяснил: «Вода здесь существует не в виде ледяных покровов, а в смеси с лунной почвой. На поверхности есть признаки тонкого инея, но его запасы очень ограничены».
Даже если эти постоянно затененные кратеры действительно богаты водными ресурсами, они остаются опасной зоной, куда астронавтам вход воспрещен — риски не меньше, даже при использовании высокотехнологичных луноходов с научным оборудованием и оборудованием для добычи полезных ископаемых. Забель прямо заявил: «Остается неизвестным, сможем ли мы управлять луноходом в этих районах».
Однако, если водные ресурсы в лунном грунте легкодоступны и обильны, люди могут начать их добывать. Инженеры разработали различные методы добычи, большинство из которых включают в себя ключевой этап: нагревание лунного грунта для отделения содержащейся в нем воды.
Соулз объяснил: «Если вблизи поверхности лунного реголита достаточно льда, мы можем напрямую нагреть поверхность, а затем собрать испарившийся водяной пар с помощью куполообразного устройства, называемого «газосборным колпаком»». Этот водяной пар будет направляться в низкотемпературный контейнер, называемый «конденсатоотводчиком», и в конечном итоге конденсироваться в пригодный для использования лед.
Хотя Луна является одним из самых холодных мест во Вселенной, в будущем на её поверхности могут появиться разнообразные источники тепла. Одним из вариантов является использование отражённого солнечного света. Кроме того, как Соединённые Штаты, так и Китай планируют разместить на Луне ядерные реакторы, чтобы уменьшить зависимость от солнечной энергии — в конце концов, солнечные условия на южном полюсе Луны крайне нестабильны, и солнечная энергия не может гарантировать непрерывную работу базы.
Ядерные реакторы вырабатывают энергию посредством реакций ядерного деления, а избыточное тепло, выделяющееся в ходе этого процесса, может быть использовано для извлечения воды из лунного реголита. В последние годы космические агентства и промышленные партнеры по всему миру выдвинули инновационные идеи и разработали множество новых технологий для извлечения водяного льда с Луны с использованием тепловой энергии.
Одно из предложений особенно остроумно: использование ракетных двигателей для создания более глубоких кратеров внутри герметичного купола, чтобы получить больше воды, чем другими методами.
Хотя исследования НАСА в основном сосредоточены на Марсе, организация также предложила концепцию «лунного грунтового тягового двигателя»: автономные роботы выкапывают лунный грунт, транспортируют его на перерабатывающий завод, а затем извлекают воду, нагревая его в печи.
Среди множества технологических решений наиболее перспективным является проект «Установка для добычи лунной воды», разработанный Европейским космическим агентством, и рабочий прототип этой технологии уже создан. Процесс эксплуатации несложен: автономному роботу-горняку или космонавту нужно всего лишь поместить ледяной лунный грунт во входное отверстие устройства.
Руководитель проекта Забель объяснил, что нагрев замерзших лунных пород — непростая задача: у Луны нет атмосферы, а температура ее поверхности чрезвычайно низкая, что значительно облегчает потери тепла. Поэтому тигель лунного водоотделительного устройства имеет функции перемешивания и вращения, обеспечивающие более равномерный нагрев лунного реголита и, следовательно, эффективное отделение льда.
Отделенный водяной пар собирается в конденсаторе, а затем транспортируется в резервуар для сжижения, готовый к использованию. Однако вода еще не является «готовым продуктом»: она все еще смешана с чрезвычайно мелкой, стекловидной лунной пылью. Забель описывает ее внешний вид следующим образом: «Она выглядит молочно-белой, как стакан серого молока».
К счастью, инженеры проекта были хорошо подготовлены, и их очиститель оказался исключительно эффективным. «Нам удалось успешно очистить воду до уровня, безопасного для непосредственного питья», — добавил Забель.
НАСА разрабатывает свой пилотный экскаватор для добычи ресурсов на месте (на фото, помещенный в контейнер, имитирующий лунный грунт) для извлечения воды и других ресурсов на Луне. Этот автономный робот сочетает в себе функции бульдозера и самосвала. | Галерея изображений National Geographic
НАСА также разработало устройство под названием RASSOR (Lunar Regolith Advanced Surface Systems Manipulation Robot), которое стало предшественником этого экскаватора для использования ресурсов на месте. | Галерея изображений National Geographic
После очистки воды следующим этапом является разложение воды на водород и кислород посредством электролиза. Принцип этой технологии заключается в использовании электрического тока для разрыва химических связей между атомами водорода и кислорода в молекулах воды, тем самым разделяя два элемента.
Технология электролиза имеет множество отработанных применений на Земле, но подтвержденных случаев ее использования в космической среде очень мало. Тем не менее, несколько лабораторий протестировали эту технологию в условиях сверхнизких температур и вакуума, имитирующих условия лунной поверхности.
Еще более примечательно то, что эксперимент NORAD (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), проведенный на борту марсохода NASA Perseverance, успешно продемонстрировал, что технология электролиза способна расщеплять токсичный углекислый газ в марсианской атмосфере на пригодный для дыхания кислород.
Даже вода, соответствующая стандартам питьевой воды, не может быть непосредственно использована для электролиза с целью получения водорода и кислорода. Следовые количества остаточных химических примесей в воде серьезно повлияют на чистоту топлива. Забель отметил, что для устройств, предназначенных для извлечения воды из лунной воды, «необходимо добавить еще один процесс тонкой очистки».
Он также заявил, что технология сверхточной очистки воды уже широко распространена на Земле, «нам нужно лишь модифицировать ее, чтобы адаптировать к особым условиям космоса».
После очистки воды до прозрачного состояния водород и кислород можно извлечь методом электролиза. «В конечном итоге, — объясняет Соулз, — эти газы будут сжижены и храниться в качестве жидкого водорода и жидкого кислорода в качестве топлива».
Забель полон предвкушения, надеясь, что устройство для извлечения воды с Луны удастся отправить на южный полюс Луны в ближайшие несколько лет. Он сказал: «Если нам удастся успешно извлечь 1 литр воды на Луне, что станет важным шагом в проверке технологии, это будет очень значимо».
Человечеству еще предстоит пройти долгий путь, чтобы построить настоящую «космическую заправочную станцию» на южном полюсе Луны.
Стоппард заметил: «Сейчас мы обладаем богатым арсеналом передовых инженерных технологий и инновационных идей; сейчас нам больше всего нужен кто-то, кто смело сделает первый шаг». После завершения строительства первых лунных баз, если пребывание астронавтов продлится всего несколько дней или недель, необходимые для выживания припасы, по сути, придется доставлять с Земли.
Однако в долгосрочной перспективе эти базы должны стать самодостаточными — в конце концов, земная гравитация сильна, а для запуска любых грузов требуется огромное количество ракетного топлива, которое невероятно дорого.
В отличие от Земли, Луна обладает слабой гравитацией и не имеет атмосферы. Поэтому запуск ракет с Луны намного проще и дешевле, чем с Земли.
Учитывая это, почему бы не превратить южный полюс Луны в транзитный пункт для будущих исследований Солнечной системы? Соулз приводит весьма убедительные данные: «Если использовать топливо, произведенное на Луне, стоимость одной пилотируемой миссии на Марс может быть снижена на 12 миллиардов долларов». Основная причина этого — значительное сокращение расхода топлива.
Ракеты — не единственные, кто получает выгоду от использования этого топлива на водной основе. Забель заявил, что это топливо «также может использоваться в топливных элементах для питания луноходов». Кроме того, некоторые энергоемкие устройства, где солнечная энергия ненадежна, а энергия ядерных реакторов представляет опасность, также могут использовать это топливо для стабильной работы.
Что еще более важно, технологии, доказавшие свою эффективность на Луне, вероятно, окажутся полезными и на других планетах в будущем. Достижение самодостаточности на лунной поверхности само по себе имеет большое значение; а для амбициозного плана по размещению астронавтов на Марсе эта технология является ключом.