Так или иначе, люди вернутся на Луну. И есть надежда, что они там останутся надолго. В странах с развитыми космическими технологиями уже создаются программы по планомерному освоению естественного спутника Земли с построением баз на его южном полюсе. Эта локация выбрана случайно; считается, что там находятся запасы ценной воды, либо в виде льда, либо в виде жидкой воды, либо и того, и другого. Эти запасы можно использовать для удовлетворения нужд самих космонавтов, выращивания сельскохозяйственных культур или производства ракетного топлива.
Последнее применение может показаться неожиданным, но химия здесь довольно проста. Вода состоит из водорода и кислорода. В сжиженном состоянии оба этих элемента по отдельности могут воспламеняться, а значит, могут быть эффективно использованы для приведения в движение космических аппаратов.
Если эта алхимия сработает на Луне, то ее южный полюс превратится не просто в научно-исследовательский центр. Он станет топливным складом, способным производить собственное топливо, вместо того чтобы дорогостоящим образом доставлять его с Земли. А это значительно упростит полеты на более дальнее расстояние, к примеру, на Марс. В общем, преимущества производства топлива прямо на Луне вполне очевидны, а вода в этом случае может стать, так сказать, космической нефтью.
При этом технологии, необходимые для превращения воды в топливо, не являются чем-то фантастическим — все они уже существуют в той или иной форме, но до сих пор их применяли на Земле. Низкая гравитация и экстремальные другие условия южного полюса Луны сильно отличаются от условий на нашей планете. Ученые пока не знают, как будут работать энергетические технологии, отработанные на Земле, во внеземном пространстве. И есть только один способ — это выяснить.
Как раздобыть воду на Луне? Главная проблема
Первым шагом станет выяснение того, где точно на Луне скрывается вода. Космонавтам еще предстоит самостоятельно исследовать южный полюс Луны, и, хотя данные, полученные с помощью орбитальных зондов, указывают на наличие там воды, ее может быть не так уж много.
Под воздействием солнечного света температура лунной поверхности может достигать 113°C, а в темноте опускаться до -240°C. Даже в особенно холодных частях Луны любой лед испаряется и улетучивается в космос, поскольку нет атмосферы, которая удерживала бы его на поверхности.
Наиболее перспективными являются постоянно затененные области — участки лунной поверхности, часто крутые и глубокие кратеры, которые никогда не подвергаются воздействию солнечного света и являются одними из самых холодных мест во Вселенной. Именно здесь велика вероятность обнаружить большие запасы воды, которая станет главным ресурсом лунных колонистов. Однако в темных кратерах и ущельях не стоит ждать ледников, как на Земле — на Луне они не образуются, а сам лед, вероятно, смешан с грунтом. На поверхности же можно заметить лишь небольшой иней.
Разработка лунного грунта
Методы добычи воды на Луне еще не разработаны в полной мере. Даже разведка залежей льда сопряжена с потенциальными трудностями и опасностями для космонавтов. Однако у инженеров все же появляются идеи, как получить воду в лунных условиях. Например, можно применить простое выпаривание с нагреванием грунта. Впрочем, простое оно только на Земле. На Луне придется использовать достаточно продуманную конструкцию для улавливания пара в герметичный резервуар. Захватив водяной пар, можно превратить его обратно в лед для более удобного использования в дальнейшем.
Собственно низкая температура в зонах залегания льда является еще одной проблемой. Соответственно нужно получать откуда-то тепло. Один из вариантов — отраженный солнечный свет, направленный в темные районы. В качестве альтернативы, ученые планируют разместить на Луне ядерные реакторы, чтобы не зависеть от солнечной энергии, которая на южном полюсе Луны может быть довольно нестабильной. Атомная энергия будет использоваться для обогрева станций и добычи воды.
Более проработанные решения, предлагаемые учеными из космических агентств и промышленными инженерами, предполагают использование ракетного двигателя, заключенного под герметичный купол, для создания более глубоких кратеров и извлечения большего количества воды, чем это позволяют другие методы. В НАСА, несмотря на его загруженность программами изучения Марса, появляются собственные концепции для освоения Луны. В рамках одной из них выкапыванием лунного грунта и его транспортировкой месту переработки должны заниматься роботы.
Одна из наиболее перспективных технологий добычи воды разработана в рамках проекта Европейского космического агентства под названием LUWEX (сокращение от Lunar Water Extraction — добыча воды на Луне), и рабочий прототип уже существует. Автономные роботы-шахтеры или астронавты будут засыпать ледяную почву в отверстие устройства. Пауль Цабель, руководитель проекта LUWEX, объясняет, что нагрев замерзших лунных пород довольно сложен из-за отсутствия атмосферы на Луне и низких температур поверхности. Для этих условий был изобретен специальный вращающийся тигель, который должен перемешивать и нагревать лунный грунт, что заметно упростит получение воды.
Затем холодная ловушка улавливает освободившуюся воду и перекачивает её в сжижитель, и вода готова к использованию. Ну, почти готова: на этом этапе вода всё ещё загрязнена чрезвычайно мелкими, стекловидными частицами лунной пыли. «Она имеет молочный вид — как серое молоко», — говорит Цабель. К счастью, инженеры, работающие над проектом, также разработали очиститель, который, похоже, творит чудеса. «Мы достигли качества питьевой воды».
Превращение воды в легковоспламеняющиеся газы
Наконец, воду необходимо расщепить на водород и кислород методом электролиза, при котором электрические токи, по сути, разрывают молекулярные связи между этими двумя элементами.
Существует несколько вариантов этого процесса, который давно отработан на Земле. В космосе это технология воспроизводилась всего несколько раз. Ряд лабораторий протестировали ее в сверхнизкотемпературном вакууме, имитирующем условия на поверхности Луны. Еще один эксперимент на марсоходе «Персеверанс» показал, что с помощью электролиза можно отделить пригодный для дыхания кислород от токсичного углекислого газа на Марсе.
Но даже питьевая вода недостаточно подходит для электрического расщепления на водород и кислород; в ней все еще слишком много химических примесей для получения чистого топлива. По словам Цабеля, для LUWEX потребуется добавить еще один этап очистки. Он отмечает, что будут применяться чрезвычайно эффективные методы очистки воды, широко распространенные на Земле. Просто нужно преобразовать их в технологию для космоса.
Затем, получив кристально чистую воду, можно извлечь из нее водород и кислород, подвергнув ее воздействию электрического тока. Наконец, газы будут сжижены и закачаны в газгольдеры для хранения в качестве топлива.
Цабель надеется, что через несколько лет LUWEX все же доберется до южного полюса Луны. «Было бы здорово произвести один литр воды на Луне в качестве демонстрации технологии», — говорит он.
Дешевый газ может стать движущей силой следующей космической гонки
До появления настоящих автозаправочных станций на южном полюсе Луны еще далеко. Но если космическая гонка между основными космическими державами действительно накалится, как ожидается, то стремительное технологическое развитие не заставит себя долго ждать. Существует множество отличных инженерных решений и множество замечательных идей, и кто-то должен сделать первый шаг.
Когда будут созданы первые лунные базы, и астронавты будут проводить там несколько дней или даже недель, большая часть необходимого для выживания оборудования будет доставляться с Земли. Со временем эти базы должны будут стать самодостаточными, поскольку запуск чего-либо с Земли обходится в огромные суммы, существенная часть которых тратиться на огромное количество топлива для преодоления земного притяжения. На Луне же гравитация низкая и нет атмосферы, которую также нужно преодолеть. Поэтому запускать оттуда ракеты проще и дешевле, чем делать это с Земли. По оценкам специалистов, стоимость одной пилотируемой миссии на Марс можно сократить более чем на 10 млрд долларов, если запустить ее с Луны, используя «лунное топливо».
Это топливо, получаемое методом гидродинамической обработки, будет использоваться не только в ракетах. Его можно будет заливать в топливные баки марсоходов или использовать для поддержания работы гораздо более энергоемких механизмов, которые либо не могут надежно и безопасно запитываться от солнечных батарей или ядерных реакторов.
То, что работает на Луне, вероятно, будет работать и в других местах. Создание самоподдерживающейся среды на лунной поверхности будет заделом для будущих проектов. Большее развитие такая система может получить на Марсе. Ученые отмечают, что вся архитектура полета с Луны на Марс во многом зависит от того, насколько хорошо это будет продемонстрировано в лунных условиях.
Но даже если станет возможным массовое производство чистой воды и, соответственно, ракетного топлива на Луне, это оставляет одну довольно сложную проблему без четкого решения. Ведь ресурсы не бесконечны. Поэтому в поисках и добыче ценной воды на сравнительно небольшом участке Луны заинтересованные стороны могут вступать в конфликт.