Как и зачем колонизировать Луну?
Последний раз человек на Луне был в 1972 году, что более четырех десятилетий назад. За это время мы узнали очень многое о естественном спутнике нашей планеты. Различные космические аппараты, отправлявшиеся к Луне, выяснили, что это большой, бесплодный космический валун, обладающий ужасной окружающей средой.
За последние 40 лет мы узнали, что, несмотря на столь кардинальные отличия между Землей и Луной, между ними есть и нечто общее. И знание этих общих черт однажды помогут нам выяснить, как же можно колонизировать этот спутник.
После миссий «Аполлон»
Луна является огромным булыжником диаметром около 3500 километров. Во время миссий «Аполлон» между 1969 и 1972 годами на поверхность луны ступали ноги 12 американских астронавтов. В рамках этих миссий на Землю было доставлено более 380 килограммов различных лунных образцов. Благодаря анализу этих образцов наука выяснила, что состав Луны похож на состав Земли. Помимо этого, на основе научных анализов лунной породы ученые смогли предположить возможную природу Луны. Согласно одной из самых популярных теорий, около 4,5 миллиардов лет назад в Землю по касательной врезалось космическое тело размером с Марс. Образовавшиеся осколки заполонили орбиту нашей планеты и сформировали ее естественный спутник.
К сожалению, после миссий «Аполлон» интерес к Луне резко сократился и исследованием этого космического тела не занимались вплоть до 90-х годов. Позже благодаря космическим аппаратам «Клементина» и «Lunar Prospector», которые обнаружили лед на Луне, было сделано предположение, что на Луне, как и на Земле, есть (или могла быть) вода. В 2000-х годах интерес к Луне возрос. Ею сразу заинтересовались в Европе, Японии, Китае и Индии.
В первую очередь исследователей интересовала тайная темная сторона спутника, которая всегда отвернута от нашей планеты. Однако от идеи отправки людей на Луну вскоре отказались. Вместо этого было предложено отправить роботов, чтобы те сделали основную работу и провели нужные исследования. В конце концов, несмотря на некоторые схожести, Земля и Луна — совершенно два разных мира. Вот почему ученые хотят, чтобы первым этапом колонизации спутника занимались именно роботы.
Роботы помогут
Итак, мы решили отправить человека на Луну. Последний раз человечество это сделало в 70-е, во времена печатных машинок и «Pong». Теперь мы живем в мире, где есть видеозвонки и поезда-маглевы. Неужели мы действительно не способны отправить человека на Луну? В чем проблема?
А проблема, точнее проблемы, в следующем. На Луне нет воздуха. Очень низкая гравитация. Почти нет никакой атмосферы. Температура за день там может опускаться от +123 градусов Цельсия до -198 градусов Цельсия. Каждодневно на Луну падают микрометеориты. А так как там нет атмосферы, радиация будут проходить сквозь человека, как нож через масло. В конце концов, на Земле сейчас такая обстановка, что политические и финансовые проблемы могут рано или поздно угрожать даже отправке человека на орбиту планеты, не говоря уже о Луне.
К тому же проблему реголита никто не отменял. Никогда не слышали о реголите? Это такая пыль, которая составляет 65-километровую корку лунной поверхности, покрытую другими породами и камнями. Она очень опасна не только для техники, но и для человека.
В конечном итоге задача по поселению человека на Луне потребует строительства инфраструктуры. На это уйдет очень много времени, проекты будут постоянно откладываться, а многие обещания не сдерживаться. Когда пытаешься что-то построить на гигантском пустынном камне, расположенном в 387 000 километрах от дома, то бюрократические проволочки выходят на совершенно новый и беспрецедентный уровень. Короче, проблем очень много. Поэтому проще отправить на Луну роботов.
На Луну роботов уже отправляли. Первыми это сделал Советский Союз в 1970-м. Однако многим понятно, что Луна является наиболее достижимой целью именно по части человеческих космических исследований, поэтому дебаты о том, что почему бы миру не возобновить туда пилотируемые полеты, вместо того чтобы отправлять роботов, не утихают ни на день.
«Споры о том, кого лучше отправить на Луну — человека или робота — нередко бывают очень эмоциональными», — пишет сайт MoonZoo.org.
«С миниатюризацией электроники отправка роботизированных зондов будет всегда дешевле и безопаснее, чем отправка пилотируемого космического корабля. Однако многие люди считают, что весь смысл космических программ как раз и заключается в участии человека».
Ровер Юйту исследует лунную поверхность
Тем не менее космические агентства по всему миру продолжают игнорировать или откладывать возможность человеческих миссий на Луну и выбирают в таком случае роботов. Китай, например, в 2013 году отправил на спутник луноход Юйту. Ровер собрал множество новой и полезной информации, включая сведения, которые указывают на то, что лунные вулканы за последние 3 миллиарда лет на самом деле были более активны, чем считалось до этого момента.
В 2010 году Япония объявила о том, что собирается к 2020 году построить роботизированную лунную базу. Для этих целей было выделено 2 миллиарда долларов. Прогресс, правда, в этом деле совсем не виден. А совсем недавно представители японского космического агентства JAXA вообще заявили, что у них «к настоящему моменту нет планов по отправки роботов для исследования Луны», однако агентство хочет отправить к Луне к 2020 году космический зонд.
Благодаря уже находящимся там роботам мы получили полезные сведения о «взаимоотношениях» Земли и Луны. Однако прогресс движется не так быстро, как того бы хотелось. Лунные миссии стали неинтересны еще и по той причине, что у космических агентств появились более амбициозные и в то же время более романтические планы — планы в отношении Марса.
И все же если мы все-таки соберемся на Луну, то как гарантировать успешность запланированных миссий и колонизации? Рассуждая здраво, что нам для этого потребуется?
Что нам потребуется для начала жизни на Луне?
Как отправить человека на Луну? Как добиться возможности там остаться? Для этого нужна всего одна ключевая вещь. Та же самая вещь, которая необходима нам для выживания на Земле. Ответ вас вряд ли удивит. На Луне, как и на Земле, нам нужен самый важный «эликсир жизни» — вода.
По крайней мере так считает доктор Пол Спудис из Института планетарных наук и луноведения в Хьюстоне. Этот человек является одним из самых больших сторонников идеи колонизации Луны, в свое время являлся главой проекта космической миссии аппарата «Клементина» в NASA, а также советником индийского космического агентства в проекте радиолокационного картографирования лунной поверхности.
Спудис верит, что под поверхностью спутника могут быть скрыты миллиарды метрических тонн воды. И эта вода там так же важна, как и на Земле.
«Ее можно пить, использовать в качестве щита от космической радиции, использовать в пище и санитарных целях, а также производить из нее кислород для дыхания», — говорит ученый.
«Вода — это самая полезная субстанция в космосе. В чем же проблема? Проблема — в поиске наиболее подходящего способа ее найти и добыть на Луне», — продолжает Спудис.
Для того чтобы это сделать, нам (для начала роботам) необходимо провести множество лунных экспериментов. Выяснить, например, какова природа лунных полюсов. Узнать, где хранится эта вода. Ответить на эти вопросы мы можем с помощью роботов: пары наземных роверов, как тот же «Кьюриосити» на Марсе, вполне будет достаточно для этого. Роботизированные луноходы смогут проводить замеры температур, горных хребтов, провести анализ свойств поверхности, а также произвести замеры находящихся на Луне объемов льда. Как только мы сможем получить источник воды на Луне, прогресс в ее освоении пойдет гораздо быстрее.
Для выживания нам, конечно же, необходимы вода и кислород. И главная задача для ученых — где ее найти и как добывать на Луне. Помните, выше мы говорили о реголите? Он содержит 42 процента кислорода. Если мы сможем добывать из реголита кислород и соединять его с водородом, то до доступа к воде будет всего один шаг. Кроме того, добываемый кислород можно будет использовать для дыхания. А еще — использовать его в ракетном топливе. Задача, правда, сложнее: в этом случае нагревать реголит придется до 900 градусов Цельсия.
Если не брать в расчет вопросы воздуха и воды, то некоторые верят, что мы можем заселить Луну так же, как это однажды сделали наши древние предки на Земле. Как и на Земле, на Луне имеется множество пещер. Можно ли их использовать для жизни? NASA, например, рассматривает возможность заселения лунных пещер, считая их отличной защитой от радиации и метеоритных угроз.
Зачем нам вообще эта Луна?
Учитывая земные проблемы — все эти угрозы глобального потепления, нарастания социального неравенства, политических конфликтов и войн, голода, болезней, террористов и много чего еще, — зачем нам тратить время на попытки заселения космоса? И почему именно Луны? Иногда кажется, что этот выбор настолько неочевиден и что для цели лучше выбирать тот же Марс (и его собственные луны).
Колонизация Марса действительно кажется более логичной, так как эта планета больше похожа на Землю, чем Луна. Однако Луна предлагает нам несколько преимуществ. Самое очевидное из них — расстояние. Если в лунной колонии случится какая-нибудь серьезная катастрофа, то помощь будет находиться «всего» в 387 000 километрах. Что касается Марса, то лететь только в одну сторону придется около 7 месяцев.
Пока многие обращают свой взор в сторону Марса (и дальше), нам бы следовало перевести свой взгляд на космические тела, расположенные поближе к нам. Отправить на Луну несколько луноходов с конкретными задачами по поиску воды и в конечном итоге возобновить туда пилотируемые полеты. И даже если жить там мы не сможем — Марс в этом плане кажется более подходящим местом, — мы по крайней мере можем построить там лунную базу и использовать ее в качестве «перевалочного» научно-исследовательского центра при будущих полетах в дальний космос.
Источник
Лунная форточка во Вселенную: как человечеству стоит использовать Луну
Публикуем отрывок из книги Виталия Егорова «Делай космос!», вышедшей в издательстве «АСТ», — о потенциальном прорыве в изучении Вселенной, ради которого стоит снова слетать на Луну.
Обычно тема Луны обсуждается в контексте исследования ее поверхности: осмотра с орбиты или работ луноходов или пилотируемой программы. Оказалось, наш единственный естественный спутник обещает новые возможности и радиоастрономии, которые позволят заглянуть туда, куда не смотрел еще никто. В обсуждении пользы лунной программы для радиоастрономии приняли участие Юрий Ковалев из АКЦ ФИАН, Леонид Гурвиц из объединенного института РСДБ в Европе (Joint institute for VLBI in Europe) и Михаил Могилевский из ИКИ РАН.
Заведующий лаборатории внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра Физического института имени П. Н. Лебедева РАН Юрий Ковалев.
— Юрий, как вы относитесь к идее строительства обитаемой базы на Луне?
— Если коротко, то строить на Луне радиообсерваторию надо, но идти на Луну только ради этого несерьезно — слишком дорого. Однако если будет принято стратегическое решение, что Россия строит лунную базу, скажу: не поставить на Луне длинноволновый радиотелескоп — преступление.
Сверхдлинноволновый диапазон — это единственное окно электромагнитного спектра, которое до сих пор не открыто.
Сверхдлинные волны из космоса на Землю не проходят, они отражаются от ионосферы, соответственно, надо ставить телескоп за пределами Земли. Можно ставить на орбитальный аппарат (free yer), можно ставить на Луне. В принципе, на Луне подороже будет. С другой стороны, если там база уже есть, то поставить телескоп, который отработает в течение очень долгого времени, можно и нужно.
— А почему на спутники не ставят?
— На спутники можно ставить, однако, вы понимаете, что мы говорим про большие размеры и большое количество приемников излучения. Длина волны порядка двадцати метров. И сколько тот спутник проживет? В то же время телескоп на Луне даже обслуживать особо не надо. Просто «разбросать» проволоку по поверхности. Почему Луна? Проблема не только в том, чтобы поставить на спутник, а в том, что нам нужно защититься от помех Земли — наша планета очень «горячая» в этом диапазоне.
— То есть нужно строить на обратной стороне?
— Да, Луна здесь рассматривается как защита сверхдлинноволнового радиотелескопа от излучения Земли. Он должен ставиться либо на обратной стороне, либо в кратеры на полюсах. Естественно, будет задача передать данные на Землю. Если вы ставите на обратной стороне Луны, вам нужен ретранслятор, и, скорее всего, это будет спутник. Если ставите на полюсах, то можно поставить ретранслятор на краю кратера. Варианты обсуждаются, включая реализацию телескопа на спутнике, летающем вокруг Луны: когда телескоп закрыт Луной от Земли и проводит наблюдения и, соответственно, когда открывается, сбрасывает данные на Землю.
Пока это обсуждается на уровне идей, которые нужно продумать и отработать. Это последнее оставшееся неоткрытым окно электромагнитного спектра в изучении Вселенной.
Несколько слов про возможные научные задачи. Начнем с исследования так называемой эпохи вторичной ионизации.
Это еще одна потенциальная Нобелевская премия, из-за которой длинноволновая радиоастрономия последние годы получила сильнейший толчок в развитии и интересе мирового сообщества.
Излучение водорода с разных космологических расстояний во Вселенной позволяет построить трехмерную карту Вселенной в линии нейтрального водорода. Чем дальше находится водород, тем, соответственно, длиннее волна. По значению для космологии это сравнимо с реликтовым излучением.
LOFAR, SKA и другие проекты занимаются изучением эпохи вторичной ионизации и картографированием нейтрального водорода на более коротких волнах. Под эту задачу будет также полезно иметь сверхдлинноволновый радиотелескоп.
Не забудем, что каждое новое окно в электромагнитном спектре приносило свои сюрпризы — результаты, которые невозможно предсказать заранее. Надеюсь, обсуждаемая нами последняя «форточка» не окажется исключением.
— Вы упомянули лунный спутник. Для меня эта тема близка. Как вы считаете, в масштабах микроспутника можно ли реализовать хотя бы прототип такого телескопа?
— Если ваш лунный микроспутник может вывести наружу какой-то диполь или более хитрую измерительную систему, это было бы потенциально полезно. Важный вопрос — насколько внутренние помехи аппарата помешают работе телескопа. Требуется анализ.
Руководитель отделения космических исследований Joint institute for VLBI in Europe Леонид Гурвиц.
— Необходимое для микроволновой радиоастрономии оборудование — сравнительно просто.
Радиоастрономический приемник для частот этого диапазона (частоты ниже 10–15 мегагерц) может спаять школьник-радиолюбитель. Это довольно дешево.
А объем информации, грубо говоря, пропорционален несущей частоте. Поток данных сравнительно небольшой, современная цифровая система справится. Антенные системы, несмотря на свои размеры — довольно большие, — очень просты. Это могут быть просто провода, разложенные по поверхности.
— А какой они должны быть длины?
— Юрий Ковалев уже упоминал: длина волны порядка 20 метров, вот и размер антенны должен быть не меньше. В то же время существуют современные технологии, позволяющие сделать антенну много меньше. К примеру, сотовые телефоны работают на длине волны 20 сантиметров, хотя антенн таких размеров не несут. У них антенны активные, и такие же технологии могут применяться в космосе. Но для лунной поверхности она, может, и не нужна. Размотать по поверхности Луны или даже в открытом космосе катушку с очень тонким проводом не составит труда. Принципиальной разницы между спутником и поверхностью в этом нет.
Спутник выгоднее, потому что посадка на поверхность Луны какой угодно полезной нагрузки — дело сложное и дорогое. С другой стороны, раз уж мы полетим осваивать Луну, эта работа потребует доставки тонн грузов, добавить к ним несколько десятков килограммов полезной нагрузки для радиоастрономии не составит труда. А эффект будет колоссальный. Я думаю, в сверхдлинноволновой радиоастрономии запрятаны одна-две Нобелевских премии.
Это уже практически закон: если какой-то параметр исследовательской установки улучшается на порядок или порядки величины, или начинается работа в совершенно новой, неосвоенной области, то гарантированно будут открытия, которые трудно предсказать.
Это в полной мере относится к нашей теме.
Если пилотируемые полеты на Луну будут, а они определенно будут, то будет непростительно не использовать эту возможность для того, чтобы развернуть там сверхдлинноволновый радиотелескоп. Так что в будущей лунной программе радиоастрономия будет попутным пассажиром, а в открытом космосе можно создавать самостоятельную обсерваторию. Научная мотивация та же самая, но достоинство спутника в том, что можно создать целый рой микроспутников, в котором каждый аппарат несет на себе один антенный элемент: простой, легкий. Этот рой спутников можно поместить где-нибудь в тени Луны, например, в точке Лагранжа-2 системы Земля-Луна. Эта точка находится за Луной, там спутники будут защищены от антропогенных помех. Размещение в этой точке имеет ряд ограничений. Точка — это такая идеальная позиция. На самом деле спутник в этой точке совершает так называемые «фигуры Лиссажу» и лишь на некоторых этапах своего перемещения оказывается в тени Луны.
Можно расположить этот рой и на низкой окололунной орбите. Тогда этот рой какую-то часть своей орбиты будет проводить в конусе затенения Земли. Такие варианты рассматриваются, конкретный проект сейчас разрабатывается в Китае. Можно подумать о том, чтобы сверхдлинноволновую обсерваторию запустить куда-то очень-очень далеко. Так далеко, что антропогенные помехи от Земли будут незначительны в силу расстояния. Но надо довольно далеко улететь. Помните, в заставке фильма «Контакт» космический аппарат улетает от Земли: сначала вокруг него много помех, потом он удаляется все дальше, и на распространение сигнала требуется больше времени. Наконец они перехватывают первую телетрансляцию с берлинской Олимпиады 1936 года, потом первые радиосигналы — и тишина. Так вот, тишина наступает из-за двух факторов: во-первых, они улетели так далеко, что практически во времени переместились, а во-вторых, сказывается фактор расстояния.
Расстояние сказывается пропорционально квадрату в знаменателе. То есть, если вы удалились в десять раз, то по интенсивности помеха уменьшилась в сто раз. Удалившись в десять раз дальше Луны, мы уменьшим помехи в сто раз. Удалимся в сто раз — уменьшим помехи в десять тысяч раз.
Соответственно, у нас имеется три способа: на поверхности обратной стороны Луны, на окололунном спутнике, или совсем далеко. Варианта отлета совсем далеко в реальной проработке сейчас нет. А вариант на Луне и на окололунном спутнике есть. Этим занимаются китайские коллеги в рамках программы Chang’e. В России лунная программа сейчас тоже возрождается — есть проекты «Луны-25», −26, −27, −28… К сожалению, пока ни на одном из этих аппаратов нет полезной нагрузки для сверхдлинноволновой радиоастрономии. Это достойно сожаления, поскольку это позволило бы «срезать угол» в гонке за открытиями в этом диапазоне. По технологии и по затратам это сравнительно несложно. Построить такой сверхдлинноволновой радиотелескоп много-много дешевле, чем «Радиоастрон» или другие из серии «Спектр». Полезная нагрузка простая, дешевая, но гарантированно принесет значительные открытия.
Если говорить о тестовом спутнике, который подошел бы для наших целей, то хватило бы аппарата массой несколько килограммов. Мы разрабатывали антенну, которая подходит для наших целей, которая не диполь, а триполь. Это симбиоз обычного диполя и активной антенны с усилителем, аналого-цифровым преобразователем, системой обработки и передачи тянула на несколько килограмм.
Габариты получались как у небольшого фотоштатива. Если такую штуку выкинуть на окололунной орбите, то она способна там самостоятельно функционировать.
Вам известна китайская организация Харбинский технологический университет? Они работают активно с CNSA по похожему проекту, и они это пытаются вставить в программу Chang’e. Кроме того, в рамках программы Chang’e ведется разработка антенн на двух аппаратах Chang’e. Одна антенна — на спутнике-ретрансляторе, а другая — на посадочной ступени, садящейся на обратную сторону Луны.
Рассматривается возможность поставить на оба аппарата сверхдлинноволновую полезную нагрузку. Тогда у них получится радиоинтерферометр со сверхдлинными базами, подобный «РадиоАстрону», только в сверхдлинноволновом диапазоне. Китай собирается располагать ретранслятор как раз в точке Лагранжа-2 системы Земля-Луна с известными преимуществами и недостатками этой точки, о чем мы уже говорили. Эта работа уже идет.
Источник