3.2. Гелий и вода

3.2. Гелий и вода

Наши представления о Луне менялись столь же часто, как и наши представления о Вселенной в целом. Только одно не подвергалось сомнению: Луна – естественный спутник Земли, дарованный нам природой.

В эпоху геоцентрической системы мира Луна представлялась идеальным шаром, обиталищем духов и высших существ. После открытий Николая Коперника и Галилео Галилея ее стали считать уменьшенным подобием Земли и «населять» человекоподобными селенитами. В 1753 году иезуит Руджер Бошкович доказал, что у Луны нет атмосферы, а значит, темные пятна, названные морями, не имеют никакого отношения к водным ресурсам. Однако надежда найти на ней жизнь оставалась. Еще Исаак Ньютон разработал методику определения массы Луны по величине земных приливов, затем она несколько раз уточнялась. Оказалось, что масса Луны в 81 раз меньше массы Земли. Зная угловые размеры Луны, легко вычислить ее среднюю плотность – 3,33 г/см³ (против 5,52 г/см³ у Земли). Это очень низкое значение, и оно породило множество гипотез о физическом строении нашего естественного спутника. Одна из них гласит, что Луна является полой, а внутри у нее достаточно пространства для поддержания экзотической биосферы. Гипотеза пользовалась популярностью – достаточно вспомнить роман Герберта Уэллса «Первые люди на Луне» (“The First Men in the Moon”, 1901) и повесть Николая Носова «Незнайка на Луне» (1965), – но выглядела слишком уж фантастической, посему в ходу были и другие. Селенитов собирались найти на невидимой обратной стороне Луны, на дне глубоких разломов и пещер. Кроме того, энтузиасты космических полетов верили и старались заразить своей верой других, утверждая, что на Луне находятся целые поля самородного золота, изумрудов и даже расщепляющихся элементов. Если бы и впрямь все это, включая какие-то элементарные формы жизни, удалось найти на Луне, то ее освоение обрело бы коммерческий смысл.

Хотя до сих пор мы не можем точно сказать, почему средняя плотность Луны ниже ожидаемой (возможно, у нее просто отсутствует металлическое ядро) и как вообще сформировалось ближайшее небесное тело, многие из старых гипотез опровергнуты результатами исследований, проведенными с помощью советских аппаратов серии «Луна». И, разумеется, важнейшим в этой связи остается опыт, полученный астронавтами программы «Сатурн-Аполлон».

Изучение образцов грунта, доставленного на Землю американскими астронавтами, позволило говорить о том, что в принципе Луну можно использовать в интересах индустрии. Разумеется, транспортировать оттуда железо, титан или алюминий, которые содержатся в поверхностных минералах, вряд ли имеет смысл – такого добра и на Земле предостаточно.

Лунный пейзаж

А вот некоторые космогенные изотопы, накапливаемые лунным реголитом, достаточно редки. Речь прежде всего идет о так называемом гелии-3 (³Не), который присутствует в солнечном «ветре» – до Земли он не долетает, поскольку «экранируется» магнитным полем, а на Луне его связывает ильменит FeTiO₃, обильные запасы которого обнаружены в Море Спокойствия и в Море Кризисов. Изотоп гелий-3 считается идеальным топливом для термоядерных реакций. Современные разработки в области термоядерной энергетики опираются на реакцию синтеза стабильных изотопов водорода – дейтерия (D, ²Н) и трития (Т, ³Н), – однако она имеет серьезный недостаток – высокую радиоактивность, сопоставимую по биологической опасности с излучением урановых реакторов (происходит это за счет радиоактивности трития и выделения нейтронов в ходе реакции). Синтез с участием дейтерия и гелия-3, хотя и требует более высоких температур «зажигания», лишен этого недостатка. Кроме того, продуктом реакции становится поток заряженных протонов, энергию которых можно отбирать непосредственно, что способно повысить кпд всей установки до невероятно высокой величины – 80–85 %!

Ученые давно знают, какой мощный потенциал содержится в гелии-3 и, соответственно, в лунном грунте. Анализ показал, что из реголита можно выделить до 10⁶ т гелия-3, что обеспечило бы потребности земной энергетики на целое тысячелетие! По более современным прикидкам, запасы гелия-3 на Луне на три порядка больше – 10⁹ т (то есть речь идет уже о миллионе лет). Однако этот ценный изотоп нужно каким-то образом добывать. Сегодня существует несколько проектов лунных комбайнов разной степени проработанности, и главная проблема тут в том, что для добычи всего лишь 1 кг гелия-3 необходимо переработать 100 тыс. т реголита. Его нужно извлечь, по возможности измельчить, нагреть до температуры 800 °C, выделить газы, разделить их, а «выхолощенный» грунт вернуть на место. Весь этот процесс требует привлечения крупногабаритных конструкций и значительной энергии. Энергию можно взять у Солнца, но в таком случае потребуются поля солнечных батарей. Первое, что приходит в голову – построить все на месте из тех материалов, которые содержит реголит: из кремния можно сделать ячейки солнечных батарей, из титана – несущие конструкции, из алюминия и железа – оболочки и механизмы. Но опять же чтобы сделать все это, надо развернуть на Луне широкомасштабное производство, состоящее из множества звеньев: извлечение сырья, переработка, плавка, прокат, сварка, механическая сборка, лабораторные и полевые испытания. Будут ли такие системы надежными? Как подступиться к их конструированию? Окупятся ли расходы?

Критики проектов добычи гелия-3 указывают на самую главную проблему – развитие лунной индустрии имело бы смысл, будь у нас хотя бы один работающий термоядерный реактор. Но строительство первого прототипа ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор) под французским городом Кадараш затягивается из-за проблем с финансированием; к тому же он будет использовать в качестве топлива дейтерий-тритий, а не дейтерий-гелий-3. Как будет выглядеть ректор на гелии-3? Какие ресурсы придется привлечь для его строительства? Стоит ли вкладывать деньги в проект, технические черты которого пока не определены? Не станет ли гелий-3 очередной утопией?

Лунный грунт из Моря Изобилия, доставленный межпланетным аппаратом «Луна-16»

Так или иначе, но для начала необходимо провести углубленную разведку имеющихся на Луне ресурсов, раз и навсегда избавившись от оценочных суждений. И короткими высадками в духе программы «Сатурн-Аполлон» тут не отделаешься – основу для будущей индустрии может создать только полноценная обитаемая база. Причем работать на ней должны не профессиональные космонавты, а геологи, селенологи, химики, инженеры-технологи. В этой связи вспоминается хрестоматийный пример. Из двенадцати землян, побывавших на Луне, только один не был летчиком-испытателем – 37-летний геолог Харрисон Шмитт, который обучал астронавтам основам своей науки. Однако когда Шмитт сам оказался на Луне в составе экспедиции «Аполлон-17», он сумел собрать намного больше сведений о составе и строении реголита, чем члены всех предшествующих экспедиций. В XXI веке участие ученых в космических полетах должно стать нормой, а не уникальным событием – каждый должен заниматься своим делом.

В принципе идея строительства обитаемой научно-исследовательской базы на Луне так или иначе рассматривается всеми существующими космическими агентствами и клубами со времен полета первых тяжелых ракет. Ученые и конструкторы приходят к ней, потому что это самая очевидная цель для расширения экспансии: когда человек обоснуется на соседнем небесном теле, можно будет без преувеличения говорить о том, что наша цивилизация стала поистине космической. Лакомым куском выглядят и принципиально новые технологии, которые неизбежно появятся при освоении Луны.

Где разместить такую базу? Логичным кажется использовать одно из исследованных мест, то есть районы прилунений кораблей «Аполлон». Но где в таком случае взять воду для обеспечения нужд людей и механизмов? В доставленных астронавтами образцах грунта хватает оксидов (т. е. можно химическим путем добывать кислород), но ничтожно мало водорода – соответственно, близко к нулю содержание Н₂О и ОН. С тех пор Луна считалась абсолютно безводной, что представляет особую проблему для лунной базы, ведь если доставлять воду с Земли, она будет поистине золотой. К счастью, в конце XX века представления о Луне опять начали меняться: в высушенном мертвом море обнаружили лед.

Американский межпланетный аппарат «Lunar Prospector»

Тут нам понадобится немного теории. Как известно, Луна вместе с Землей находится в «поясе жизни» – т. е. на таком удалении от Солнца, когда интенсивность солнечного тепла достаточно высока, чтобы водный лед начал плавиться и таять. Однако Н₂О делает водой не только температура, но и давление. Чем ниже давление окружающей среды, тем ниже температура, при которой вода закипает, превращаясь в пар. Мы привыкли, что лед тает при 0 °C, а вода закипает при +100 °C, а вот в горах Тибета, на высоте 4 км, она закипает при +87 °C, что сказалось на национальной кухне тибетцев: они готовят пищу из рисовой муки, поскольку максимально возможной температуры не хватает для проварки зерен. В вакууме под нагревом солнечных лучей лед практически сразу превращается в пар, минуя жидкую стадию. Получается, на Луне не может быть залежей льда в открытом состоянии. К счастью, у полюсов есть зоны, на которые никогда не падал солнечный свет (так называемые «холодные ловушки»). Если туда хотя бы раз за несколько последних миллионов лет обрушилась комета, то вполне может статься, что сохранились и обломки ее ледяного ядра. Гипотеза о полярном льде стала популярна и требовала проверки.

В октябре 1989 года корабль «Атлантис» доставил на орбиту аппарат «Галилео», (“Galileo”), созданный НАСА для подробного изучения Юпитера и системы его спутников. В декабре 1992 года «Галилео» проходил мимо Луны по разгонной траектории, и с помощью установленного на нем спектрометра ученые попытались найти признаки льда на лунном северном полюсе. Однако их постигло разочарование.

В январе 1994 года стартовал космический аппарат «Клементина» (“Clementine”). Программа его полета предусматривала изучение Луны и астероида Географ (1620 Geographos). С целью поиска водного льда в марте и апреле аппарат облучал полюса Луны радиоволнами и над южным полюсом получил слабый «отклик».

Чтобы закрыть вопрос раз и навсегда, в январе 1998 года НАСА запустило межпланетный аппарат «Лунар Проспектор» (“Lunar Prospector” с англ. «Лунный изыскатель»), на борту которого среди других приборов находился нейтронный спектрометр, способный дистанционно определить наличие в лунном грунте водорода, а значит и воды. На этот раз энтузиасты могли ликовать: водный лед был найден и на северном полюсе, и на южном. На основании полученных данных ученые установили, что лед находится там в виде разрозненных гранул, погруженных в грунт не более чем на два метра.

Однако вновь возникли возражения: критики указывали, что открытие водорода вовсе не означает, что на полюсах есть чистый лед, до которого надо докопаться. Грунт Луны мог абсорбировать воду, химически связав атомы кислорода и водорода в своих минералах. НАСА потребовался еще один уникальный эксперимент, реализовать который удалось только через десять лет.

Американский межпланетный аппарат «Lunar Reconnaissance Orbiter»

18 июня 2009 года в космос отправились сразу два аппарата: “Lunar Reconnaissance Orbiter” (LRO, Лунный орбитальный зонд) и “Lunar Crater Observation and Sensing Satellite” (LCROSS, Космический аппарат для наблюдения и зондирования лунных кратеров). Задача первого аппарата, созданного с использованием технологий разведывательных спутников нового поколения, заключалась в составлении наиболее подробной карты Луны из всех когда-либо существовавших. LRO успешно справился с этой задачей – разрешение его великолепных камер таково, что дает возможность различить метровые объекты. Это, в частности, позволило заснять в деталях места высадок экспедиций «Аполлона» и даже отыскать советские «Луноходы» и посадочные платформы станций «Луна». Кроме того, на LRO стоит нейтронный детектор LEND (Lunar Exploration Neutron Detector), сконструированный российским Институтом космических исследований (ИКИ РАН) и предназначенный для картографирования распределения водорода в верхнем слое реголита.

Чтобы данные детектора не могли быть превратно истолкованы скептиками, второй аппарат LCROSS должен был наблюдать падение на Луну разгонного блока «Центавр» (“Centaur”) массой 2 т. Планировалось, что удар на скорости 2,5 км/с выбьет 350 т лунного грунта на высоту порядка 10 км. Наблюдать за этим столбом пыли, определяя его состав спектрометрами, должен был не только LCROSS, но и множество других астрономических систем в космосе и на Земле. В качестве цели для нанесения удара ученые выбрали южный полярный кратер Кабеус (Cabeus). 9 октября 2009 года с интервалом в четыре минуты LCROSS и «Центавр» врезались в Луну. Результат превзошел все ожидания. Хотя выброшенное в космос облако реголитной пыли оказалось куда меньше, чем надеялись ученые, в нем удалось выявить 100 кг водяных паров.

Американский межпланетный аппарат «Lunar Crater Observation and Sensing Satellite» наносит удар по Луне

Однако самое удивительное открытие принесло сравнение результатов наблюдений с помощью российского детектора LEND на LRO, и американского прибора М³ (Moon Mineralogy Mapper), установленного на борту индийского межпланетного аппарата «Чандраян-1» («Лунный корабль 1»). Оказалось, что водный лед распределен по всей поверхности Луны с ростом концентрации к полюсам. Среднее значение концентрации – 0,1 %. То есть теоретически воду можно добывать из грунта в любом месте. Впрочем, с практической точки зрения это довольно трудная задача – для того чтобы получить два литра питьевой воды, необходимых космонавту ежедневно, надо перелопатить две тонны реголита.

Получается, от полюсов нам все равно не уйти, ведь там есть реальный шанс найти полноценное замерзшее «озеро». Аномалию, указывающую на существование «озера» площадью 135 км², выявил еще аппарат «Клементина». Находится она внутри «холодной ловушки» кратера Шеклтон (Shackleton), расположенного прямо в точке южного полюса. Важно и другое обстоятельство – края кратера почти все время освещены солнечным светом, т. е. энергии для фотоэлектрических преобразователей хватит в избытке. Опять же температура на склонах этого кратера более благоприятна для поселения, чем в экваториальных зонах, поскольку нет чудовищных перепадов от +100 °C лунным днем до -150 °C лунной ночью. И еще одно: в 120 км от Шеклтона находится пятикилометровый пик горы Малаперт (Malapert Mountain), вершина которой всегда видна с Земли – там можно разместить автоматическую радиостанцию, бесперебойно связывающую лунную базу с наземными центрами.

Таким образом, место под первую обитаемую базу определено. Остается сущая «мелочь» – добраться туда, мягко прилуниться, развернуть жилые модули и солнечные батареи. Давайте посмотрим, насколько готовы земляне к завоеванию Луны.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.