CC BY
102УДК 629.783/.785:523.2/.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСОВ ЛУНЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСВОЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ В XXI ВЕКЕ
© 2014 г. Брюханов Н.А.1, Легостаев В.П.1, Лобыкин А.А.1, Лопота В.А.1,
Сизенцев Г.А.1, Синявский В.В.1, Сотников Б.И.1, Филиппов И.М.1, Шевченко В.В.2
1 ОАО «Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская область, Россия, 141070, e-mail: [email protected]
2 Государственный Астрономический Институт им. П.К. Штернберга МГУ (ГАИШ МГУ) Университетский просп., 13, г. Москва, Россия, 119991, e-mail: [email protected]
Рассматриваются возможные направления использования Луны для исследования и освоения Солнечной системы. Проводится анализ лунных ресурсов. Рассмотрены направления развития технологий, позволяющих придать мощный импульс созданию нового поколения космической техники, отработке систем внеземной жизнедеятельности человека и внеземному применению интеллектуальных роботизированных систем, технологических и промышленных комплексов. Существование различных точек зрения на проблемы освоения Луны с созданием на ней обитаемой базы не преуменьшает очевидность того, что этот естественный спутник Земли логикой научно-технического прогресса постепенно превращается в один из реальных объектов инфраструктуры земной цивилизации. Формирование лунной инфраструктуры как составной части стратегии освоения Солнечной системы позволит расширить наши познания в области исследования фундаментальных проблем космологии, а также расширить возможности человечества по исследованию планетных систем Вселенной.
Ключевые слова: лунные ресурсы, энергоснабжение Земли, гелий-3, внеземная жизнедеятельность человека, новые техника и технологии, фундаментальные проблемы космогонии, обсерватория исследования Вселенной, уникальные физические эксперименты, космопорт, пилотируемая транспортная система.
USE OF LUNAR RESOURCES FOR SOLAR SYSTEM EXPLORATION AND EXPLOITATION IN THE 21ST CENTURY
Brukhanov N.A.1, Legostaev V.P.1, Lobykin A.A.1, Lopota V.A.1, Sizentsev G.A.1, Sinyavskiy V.V.1, Sotnikov B.I.1, Filippov I.M.1, Shevchenko V.V.2
1 S.P. Korolev Rocket and Space Public ^rporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russia, e-mail:[email protected]
2 The Sternberg Astronomical Institute of the Moscow State University (GAISh MSU) 13 Universitetsky prospect, Moscow, Russia, 119991, e-mail: [email protected]
The paper discusses possible uses of the Moon for solar system exploration and exploitation. It provides an analysis of lunar resources. It reviews technological trends which provide a powerful boost to the development of new-generation space hardware, systems to support human life beyond Earth, and extraterrestrial application of smart robotic systems, processing and production systems. The existence of various points of view on the problems of lunar exploration with establishing on it a manned base does not make any less obvious the fact that this natural satellite of Earth, by dint of the logic of scientific and technological progress, is gradually being turned into one of the actual objects of the Earth civilization's infrastructure. Building up lunar infrastructure as a component of the overall strategy of Solar system exploration, will make it possible to expand our knowledge in the field of fundamental cosmological problems, as well as mankind's ability to study planetary systems in the Universe.
Key words: Lunar resources, helium-3, extraterrestrial human activities, new hardware and technologies, fundamental cosmogonic problems, Universe exploration observatory, unique physical experiments, space port, manned transportation system.
БРЮХАНОВ Н.А.
ЛЕГОСТАЕВ В.П.
ЛОБЫКИН А.А.
ЛОПОТА В.А.
СИЗEНЦЕВ Г.А.
СИНЯВСКИЙ В.В.
СОТНИКОВ Б.И.
ФИЛИППОВ И.М.
ШЕВЧЕНКО В.В.
БРЮХАНОВ Николай Альбертович — первый заместитель генерального конструктора, главный конструктор пилотируемых космических комплексов РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
BRYUKHANOV Nikolay Albertovich — First Deputy General Designer of RSC Energia, Chief Designer of Manned Space Systems, RSC Energia
ЛЕГОСТАЕВ Виктор Павлович — академик РАН, первый заместитель генерального конструктора РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
LEGOSTAEV Viktor Pavlovich — RAS аcademician, First Deputy General Designer of RSC Energia
ЛОБЫКИН Андрей Александрович — ведущий инженер РКК «Энергия», e-mail: [email protected] LOBYKIN Andrey Alexandrovich — Lead engineer at RSC Energia
ЛОПОТА Виталий Александрович — член-корреспондент РАН, президент, генеральный конструктор РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
LOPOTA Vitaly Alexandrovich — RAS Corresponding member, RSC Energia President and General Designer
СИЗЕНЦЕВ Геннадий Алексеевич — ведущий инженер РКК «Энергия», e-mail: [email protected] SIZENTSEV Gennady Alexeyevich — Lead engineer at RSC Energia
СИНЯВСКИЙ Виктор Васильевич — дтн, профессор, научный консультант РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
SINYAVSKIY Victor Vasilievich - Doctor of Science (Engineering), Professor, Scientific consultant at RSC Energia
СОТНИКОВ Борис Иванович — ктн, заслуженный ветеран РКК «Энергия»
SOTNIKOV Boris Ivanovich — Candidate of Science (Engineering), honored veteran of RSC Energia
ФИЛИППОВ Илья Михайлович — начальник отделения РКК «Энергия», e-mail: [email protected] FILIPPOV Ilya Mikhaylovich — Head of section at RSC Energia
ШЕВЧЕНКО Владислав Владимирович — дфмн, заведующий лабораторией Луны и планет ГАИШ МГУ, e-mail: [email protected]
SHEVCHENKO Vladislav Vladimirovich — Doctor of Science (Physics and Mathematics), Head of Lunar and Planetary Lab at GAISh, MSU
14 сентября 1959 г. советский космический аппарат (КА) «Луна-2» впервые достиг поверхности Луны, а 20 июля 1969 г. американский астронавт Нейл Армстронг впервые ступил на ее поверхность. Между этими событиями были совершены полеты советских и американских автоматических КА, результаты исследования которых привели к перевороту в наших представлениях о природе Луны, Солнечной системы в целом, о процессах, происходивших в глубокой древности и протекающих сейчас в окружающем нас космическом пространстве, а также о возможностях современной науки и техники.
Не вызывает сомнений громадное научное и техническое значение результатов исследования Луны, полученных автоматическими КА и в рамках пилотируемой программы «Аполлон».
Блестяще выполненные и выполняемые автоматическими КА исследования планет (Венера, Марс, Юпитер и т.д.) как бы отодвинули на второй план первые яркие открытия, совершенные при исследовании Луны, но это нисколько не исключает необходимости рассмотрения ее потенциала и ресурсов в перспективной стратегии освоения человеком Солнечной системы.
В настоящее время к идее освоения Луны, включая создание на ней обитаемой базы, привлечено внимание многих специалистов в различных областях науки и техники [1, 2]. Появились многочисленные научно-технические разработки и исследования, новые идеи и предложения, в обсуждении которых участвуют многие сотни ведущих ученых и специалистов из разных стран.
Анализ предложений по развитию космической техники и пилотируемой космонавтики, а также новых технологий позволяет
с современных позиций сформулировать цели и задачи освоения Луны на ближайшую и более отдаленную перспективу, полагая, что этот спутник Земли может стать одним из элементов исследования и освоения Солнечной системы в XXI веке.
Возможные направления использования Луны как ресурса космического пространства
За более чем 50 лет исследования космоса сделано много научных открытий, созданы новые технологии и технические средства с разработкой космических телекоммуникационных систем, систем дистанционного зондирования Земли и др., произошла коммерциализация деятельности в околоземном космическом пространстве. Космонавтика превратилась в сферу бизнеса, где объем средств, направляемых на создание космических аппаратов и систем, на порядок меньше выручаемых за предоставляемые услуги.
Для развития земной цивилизации становится актуальной задача использования космического пространства для обслуживания жизнедеятельности человека вне Земли в интересах решения проблем человечества и освоения Солнечной системы как части Вселенной. При этом Луна рассматривается как возможная составная часть космической инфраструктуры Земли. Первым к этой идее пришел в своих трудах К.Э. Циолковский.
Главный конструктор ОКБ-1 (сейчас РКК «Энергия») С.П. Королев в публикациях начала 1960-х гг. предлагал использовать Луну и окололунное пространство в инфраструктуре космической деятельности. Он наметил начальные этапы исследований этого небесного тела, которые в перспективе предполагали переход к стадии освоения и использования
его ресурсов для науки и народного хозяйства. При этом на поверхности Луны предполагалось создать базу и развернуть производство.
С Луны можно осуществлять слежение за Землей и ближним околоземным космическим пространством, в т. ч. — следить за динамикой ее климата, изучать природные ресурсы планеты, наблюдать за околоземными спутниками. На Луне можно также устанавливать аппаратуру для обеспечения навигации КА.
Исследование проблем использования природных ресурсов Луны и создание первоначальной структуры лунной индустрии, прежде всего, для использования сырьевого и энергетического потенциалов, привлекает внимание ученых, специалистов в области ракетно-космической техники, политиков различных стран.
Лунные ресурсы
Луна может стать одним из первых потенциальных источников внеземных природных ресурсов. Современная стадия развития человечества сопровождается рядом неблагоприятных антропогенных воздействий на земную среду. В первую очередь это касается истощения материальных и энергетических запасов. При определенных условиях увеличение производства энергии и добычи полезных ископаемых может нанести непоправимый вред сегодняшней среде обитания человечества. С учетом этих глобальных процессов неизбежно возникнет потребность в исследованиях, связанных с добычей и переработкой лунных ресурсов.
Цели и задачи исследования и освоения Луны для использования ее ресурсов на современном уровне развития космонавтики представляются следующими [1, 2].
Ресурсы, пригодные для использования на Луне. Луна обладает ресурсами полезных ископаемых, достаточными для развертывания и функционирования инфраструктуры лунного производства. Анализ образцов лунной породы показал большое содержание в них кислорода, кремния, железа, титана, алюминия. Практически весь спектр элементов таблицы Менделеева, имеющийся на Земле, присутствует и на Луне, но в разных количественных пропорциях [3].
Самые общие подсчеты показывают, что в лунном карьере размером 100x100 м и глубиной 10 м (объем рыхлого вещества в естественном залегании) содержится значительное количество различных материалов. Не останавливаясь на вопросах технологии из-
влечения из лунного грунта определенных материалов, можно сказать, что такой карьер обеспечит получение ~40 000 т кремния, пригодного, например, для изготовления ячеек солнечных батарей, и 9 000 т титана для изготовления несущих конструкций высокой прочности и долговечности. Для производства электроарматуры или других элементов космических сооружений на Луне и в окружающем космосе можно получить 15...30 000 т алюминия, 5.25 000 т железа и некоторое количество магния, кальция, хрома и других химических элементов. Наконец, из того же объема лунного реголита (глобального слоя раздробленных пород) можно экстрагировать 80.90 000 т кислорода. Другими газами, необходимыми для осуществления определенных технологических процессов, могут быть имплантированные летучие элементы солнечного ветра (водород, гелий).
Приведенные оценки основывались на средних значениях химического состава поверхностных пород Луны. В настоящее время появилась более современная и более детальная информация, полученная в процессе спектральных съемок с борта КА «ЛРО» [4]. Было получено более 4 000 спектральных изображений в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до видимого света. Данная информация была протестирована с помощью данных о химическом составе лунных образцов, доставленных на Землю по программе «Аполлон» и автоматическими станциями серии «Луна». Неожиданным результатом оказалось распространение поверхностных пород с повышенным содержанием титана (рис. 1). В то время как на Земле породы содержат в лучшем случае около 1% титана, содержание этого металла в лунных породах варьировалось в пределах 1.10%. Для исследователей до сих пор остается необъяснимым подобное повышенное его содержание в лунных породах. Предполагается, что источником такого химического состава реголитовых пород могут быть процессы, происходившие на ранних стадиях формирования Луны. Повышенное содержание титана характерно в основном для минерала ильменит, соединения, содержащего железо, титан и кислород. Также было обнаружено, что этот минерал является наиболее эффективным для процесса сохранения таких частиц солнечного ветра, как гелий-3 и водород.
Сам же лунный грунт в целом может послужить отличным материалом для получения различных строительных материалов, например, лучших марок бетона, стекла, керамики, волокнистых и кристаллических композитных материалов.
Рис. 1. Распределение титана и железа в поверхностных породах Луны по новым данным, полученным с космического аппарата «ЛРО»
Одним из важнейших ресурсов Луны являются открытые в XXI веке залежи водяного льда, который присутствует в полярных областях на дне вечно затененных кратеров. Присутствие на Луне воды облегчает создание системы обеспечения жизнедеятельности обитаемой лунной базы с постоянным присутствием на ней человека. Наличие воды позволяет производить на лунной поверхности компоненты ракетного топлива (кислород и водород) для заправки элементов транспортной системы, что позволит использовать в ее составе многоразовые корабли и комплексы и таким образом существенно повысить ее рентабельность.
Естественным источником энергии на лунной орбите является солнечное излучение, максимум мощности которого приходится на видимую часть спектра. Поэтому для его сбора и направления на преобразователь-электрогенератор можно использовать оптические зеркала-концентраторы, отражатели различного типа и др. Преобразование солнечной световой энергии в электрическую могут обеспечить фотоэлектрические батареи, производство которых станет возможным на Луне из ее ископаемых. Такая энергетика может стать основной для космических объектов, развертываемых и функционирующих на поверхности Луны и в окололунном пространстве [5, 6].
Ресурсы для использования при формировании космической инфраструктуры. Перечень природных ресурсов Луны, пригодных для использования в космических конструкциях, обслуживающих решение различных задач в космическом пространстве, практически повторяет приведенный выше. Сол-
нечная световая энергия, полученная на лунной поверхности, требует дополнительных устройств и систем для передачи ее на борт межпланетной станции или КА. Кислород и водород могут использоваться как компоненты ракетного топлива для обеспечения не только лунных, но и межпланетных транспортных систем. Железо, титан, алюминий, извлекаемые из лунных пород, и кремний, извлекаемый из лунных силикатов, могут послужить для изготовления солнечных энергетических установок, размещаемых на космических средствах.
Ресурсы, пригодные для использования на Земле. Тема использования лунных ресурсов непосредственно на Земле в настоящее время вызывает наибольшие споры, т. к. встает вопрос о возможности реализации экономически эффективной системы организации их переработки непосредственно на месте и формирования значительного грузопотока при минимальных затратах и без невосполнимого ущерба земной окружающей среде.
Пожалуй, экономически рациональное отношение «масса/стоимость» может сделать в ближайшем будущем рентабельными добычу и доставку на Землю редкоземельных металлов.
Следует отметить, что в настоящее время уже начинает формироваться рынок подобных лунных материалов. Практиков, прежде всего, интересуют шесть элементов, известных как платиновая группа металлов (PGM): иридий, осмий, палладий, родий, рутений и собственно платина. Эти элементы, редко встречающиеся на Земле, обладают уникальными химическими и физическими свойствами, которые делают их жизненно необходимыми индустриальными материалами, в первую очередь, в ядерной энергетике и в области высоких технологий. Одновременно обнаруживаются новые данные наблюдений о значительной распространенности редкоземельных пород в поверхностных слоях лунного реголита в отдельных районах.
Данные нейтронного спектрометра, установленного на борту КА Lunar Prospector, были использованы для сопоставления глобального распределения редкоземельных элементов гадолиния и самария по измерениям на малой высоте (30±15 км). Эти результаты позволяют улучшить разрешение данных на поверхности и детальное представление о распространенности калия, редкоземельных элементов и фосфора (KREEP-породы) внутри и вокруг Моря Дождей и других районов. Независимой характеристикой распределения KREEP-пород на Луне стали
результаты определения содержания тория. В целом эти данные позволили выявить обширный регион распространения редкоземельных пород, который включает такие лунные образования, как Океан Бурь и Море Дождей [2].
Не исключено, что породы, обогащенные редкоземельными элементами (рис. 2), находятся в недрах Луны и выходили на поверхность в эпоху интенсивных процессов лунного вулканизма, когда образовывались лунные моря [7].
Кроме лунных пород с их богатым содержанием редкоземельных элементов для потребностей землян можно использовать особенности как атмосферы Луны, так и окололунного пространства с целью создания внеземных источников энергии. Необходимость этого связана с тем, что угроза изменения климата на Земле заставляет искать экологически чистые источники энергии необходимой мощности [8]. Наряду с земными потребуются внеземные экологически чистые источники энергии, прежде всего солнечной.
Известные проекты генерации энергии за пределами атмосферы и энергоснабжения Земли из космоса с использованием солнечных электростанций на геостационарной орбите [9, 10] не удовлетворяют требованиям рентабельности и экологической чистоты. Масса солнечных электростанций, электрическая мощность которых может внести ощутимый вклад в энергоснабжение Земли, оценивается величиной в сотни тысяч и даже
миллионы тонн. Выведение такой массы на околоземную орбиту может повлечь необратимые экологические последствия, а стоимость подобных проектов может быть сопоставима с бюджетом всех стран мирового сообщества.
Намного целесообразнее солнечные электростанции создавать из лунных ресурсов непосредственно на Луне или в окололунном пространстве, например в точках либрации системы Земля-Луна. На Луне нет атмосферы, облачности, сезонных изменений погодных условий, и поток солнечного излучения на поверхности Луны практически такой же, как на околоземной орбите. Солнечные установки могут работать с наибольшим эффектом в течение всего, двухнедельного по продолжительности, дня. А в полярных областях принципиально возможно создание непрерывно работающих гелиоэлектростанций. Энергию с Луны и из окололунного пространства на Землю можно будет передавать посредством лазерного излучения с использованием переотражателей.
После освоения Луны и развертывания на ней производственно-технологических комплексов с возможностью изготовления элементов и модулей больших конструкций, появится возможность управлять потоками солнечной энергии для земных нужд.
Важным энергетическим ресурсом для использования в наземных термоядерных электростанциях может оказаться лунный гелий-3 [11, 12]. Следует лишь отметить, что
Рис. 2. Распределение редкоземельных металлов на видимом и обратном полушарии Луны, выделенное по содержанию тория в поверхностных лунных породах
задачи добычи и использования термоядерного топлива гелия-3, как составляющей экологически чистой энергетики, в обозримом будущем рассматривать рано, т. к. еще не решена проблема создания термоядерного реактора на этом топливе [11]. В более отдаленной перспективе освоения Солнечной системы гелий-3 может использоваться как топливо для высокоэффективного термоядерного ракетного двигателя. Отсутствие нейтронного излучения в реакции термоядерного синтеза с гелием-3 и высокий КПД могут существенно уменьшить массу радиационной защиты и холодильника-излучателя энергоустановки, что позволит создать перспективные термоядерные межпланетные буксиры с низкой удельной массой и ресурсом в десятки лет.
Ресурсы для парирования угрозы изменения климата на Земле. Угроза изменения климата на Земле, связанного с быстрым ростом углеводородной энергетики, заставляет искать способы управления потоками солнечной энергии мощностью в сотни тераватт. Использование ресурсов Луны и условий космического пространства создают предпосылки для создания уже в настоящем столетии гигантских космических конструкций, позволяющих решать эти задачи с целью формирования требуемого термического режима приземного слоя атмосферы [13].
Луна как полигон для отработки нового поколения высокоэффективной космической техники и новых технологий
Проблемы освоения планет Солнечной системы потребуют создания и испытания жилых, технических и подсобных блоков в естественных условиях иного небесного тела. Луна из-за ее непосредственной близости к Земле может стать наиболее приемлемым полигоном для отработки перспективных технологий и космических средств, которые позволят наиболее эффективно развертывать и использовать межпланетную космическую инфраструктуру.
В настоящее время существуют проекты первых жилых помещений на лунной поверхности [2, 3]. Наиболее часто в этих технических решениях используется лунный грунт в качестве защитного материала, поскольку даже небольшой слой этого материала (1...3 м) может служить надежной защитой от космической радиации и падения небольших метеоритов.
Создание обитаемой базы с соответствующей инфраструктурой и промышленно-
технологическим обеспечением на любом небесном теле является дорогостоящей программой, причем одной из основных статей затрат будут транспортные. Поэтому среди важнейших задач программы освоения Луны и Солнечной системы в целом, причем с самых первых этапов, является создание высокоэффективной и, самое главное, экономичной транспортной системы для обслуживания как пассажирских, так и грузовых перевозок. Сверхтяжелые ракеты-носители (РН), хотя они и необходимы для доставки неделимых грузов большой массы на низкую околоземную опорную орбиту, не смогут заметно снизить удельную стоимость транспортировки. Существенный экономический эффект может быть достигнут при создании полностью или частично многоразовых РН, разгонных блоков и других составляющих транспортной системы, в т. ч. обслуживающих грузопотоки, к примеру, между окололунной опорной орбитой и поверхностью Луны.
По-видимому, наиболее рациональным может стать создание многоразового межорбитального электроракетного буксира [14, 15]. Такой буксир электрической мощностью от 0,5 до нескольких мегаватт, курсирующий между околоземной и окололунной опорными орбитами, может обеспечить транспортировку грузов, масса которых в два-три раза больше по сравнению с доставляемыми традиционной транспортной системой на основе химических разгонных блоков, при этом удельная стоимость доставки единицы массы с орбиты Земли на орбиту Луны будет в два-три раза ниже [14, 16]. Дальнейшее снижение удельной стоимости транспортировки возможно при увеличении ресурса электроракетных двигателей и энергоустановки, а также уменьшении стоимости дозаправки буксира рабочим телом в условиях космоса.
Все существующие в настоящее время проекты освоения небесных тел Солнечной системы предполагают обеспечение их средствами передвижения. Конструкции этих транспортных средств, разрабатываемых на базе традиционных движителей (колесных и др.), требуют дальнейшего изучения и совершенствования, в т. ч. с учетом условий эксплуатации: планетная пыль имеет высокий уровень абразивного воздействия на трущиеся части, что быстро выводит их из строя. С этой точки зрения необходимо создание транспортных средств на базе ракетных двигателей. Эта проблема переходит в более широкое направление отработки технологии создания механизмов и сооружений внеземного (в частности, лунного) назначения.
Представляется очевидным, что активная деятельность на Луне потребует создания и испытания энергетических установок внеземного назначения на основе солнечной и ядерной энергии [15].
В более широком плане Луна предоставит большие возможности для создания и испытания промышленных комплексов внеземного назначения, включая роботизированные добывающие, перерабатывающие и производственные комплексы [17].
Высокую энергетическую эффективность будут иметь термоядерные двигатели, с помощью которых человек сможет проникнуть в самые отдаленные уголки Солнечной системы.
Исследование медико-биологических проблем и отработка систем внеземной жизнедеятельности человека
Несмотря на многократно возросшие возможности автоматических средств, присутствие человека в космосе необходимо для его реального освоения. При этом необходимо изучить долговременное постоянное влияние малой силы тяжести (для Луны 1/6 g) как на человека, так и на искусственно выращенные или естественные экосистемы, а также возможности длительного пребывания, развития и размножения живых организмов вне магнитного поля Земли. Луна представляет собой прекрасную лабораторию для подобных исследований [2].
Очевидным является использование лунной поверхности для исследования проблем радиационной безопасности. Поскольку изучение реакции биосистем на резкое повышение радиации в моменты солнечных вспышек и на постоянное облучение тяжелыми космическими частицами может проводиться «под открытым небом», условия на лунной поверхности открывают широкие возможности для подобных экспериментов.
Отсутствие газовой оболочки создает на лунной поверхности значительные перепады температур не только во время суточного цикла, но и при любом перемещении с освещенного участка местности в затененный. Низкая теплопроводность лунного покровного вещества может создавать ситуации, когда при минимальном расстоянии друг от друга предметы могут иметь разность температур в сотни градусов. Очевидно, что, исходя из этого, возникает необходимость в доскональном изучении безопасности в условиях экстремальных перепадов температур.
Естественные лунные условия позволяют на основе земных экосистем создавать не только оранжереи и другие биологические компоненты среды обитания, необходимые для комфортной жизнедеятельности человека, но и проводить широкий спектр фундаментальных исследований по разработке и созданию искусственных экосистем.
И, пожалуй, уже своевременна постановка вопроса о создании гарантий будущего существования человека как биологического вида и выживания привычных нам форм земной жизни. Представляется целесообразным проведение планомерной работы по накоплению опыта жизнедеятельности людей вне Земли, по созданию во внеземных условиях искусственных биосфер.
Изучение среды обитания человека и функционирования технологических комплексов
Луна, обладая массой, неспособной удерживать значительное количество газов, окружена сильно разреженной атмосферой. Поэтому для обеспечения жизнедеятельности экипажей лунных баз и для организации ряда технологических производств необходимо изучение состава атмосферы и процессов дегазации как лунных пород, так и материалов искусственных сооружений на поверхности Луны.
При полной прозрачности лунной атмосферы для частиц твердого вещества различной массы даже самые малые метеоритные частицы беспрепятственно достигают поверхности нашего естественного спутника. Подобный процесс вызывает интенсивную эрозию покровных слоев, что, в конечном итоге, приводит к формированию реголита. Поскольку метеорный и микрометеорный потоки около Луны имеют особое значение для безопасности пилотируемых полетов на нее, а также к планетам, проблема их изучения весьма актуальна.
Исследование строения приповерхностных слоев имеет особое значение для жизнедеятельности экипажей лунной базы, экспериментальных устройств и производственных комплексов. Результаты исследования состава и характеристик поверхности Луны, выполненные в процессе перемещения по лунной поверхности автоматических луноходов, показали, что свойства реголита и «мощность» слоя его залегания изменяются от места к месту. Процессы формирования этого слоя, его эволюция и вариации «мощности» залегания требуют досконального изучения в связи с
предполагаемыми работами на лунной поверхности.
Лунные породы близки по параметрам к земным аналогам. Тем не менее, особые условия кристаллизации лунных пород (например, отсутствие воды) накладывали свои ограничения на формирование лунных породообразующих минералов. В связи с этим изучение химических свойств и минералогического состава поверхностного слоя реголита должно занять одно из ведущих мест среди лунных исследований.
Особый интерес представляют магнитные и тепловые аномальные образования на лунной поверхности. Их природа и происхождение до сих пор остаются невыясненными.
Вследствие особой ориентации оси вращения Луны в окрестности ее полюсов существуют области постоянного затенения, так называемые «холодные ловушки», в которых температура поверхности не поднимается выше 100 К. Дистанционные исследования с бортов КА «Клементина» и Lunar Prospector указали на повышенное содержание водорода в поверхностном слое «холодных ловушек» и возможность нахождения в них воды.
Исследование Луны как важнейший этап решения фундаментальных проблем космогонии
В проблеме освоения Солнечной системы исследование Луны как одного из космических тел имеет фундаментальное значение. Благодаря своей уникальной природе она является неповторимым музеем возникновения и эволюции Солнечной системы. Только здесь сохранились в неприкосновенности многие следы явлений и процессов, проливающих свет на фундаментальные вопросы современной космогонии. Являясь небесным телом сравнительно небольших размеров и массы, Луна прошла лишь начальные этапы процесса эволюции, закономерного для развития планет и спутников земного типа. В своем развитии она остановилась на стадии глобального вулканизма, удаленной в прошлое примерно на 3 млрд лет. Поскольку на Луне изначально отсутствовали атмосфера и гидросфера, многочисленные следы той эпохи оказались сохраненными до наших дней. Современные представления позволяют говорить о наличии на ее поверхности образований, являющихся последствиями процессов, протекавших в Солнечной системе в первые 500 млн лет ее существования. Среди лунных образцов,
доставленных на Землю, оказались кристаллические породы, возраст которых соответствует возрасту формирования всей Солнечной системы. Луна является наиболее доступным местом, где имеется возможность изучать следы столь отдаленных во времени событий.
Важнейшей областью фундаментальных исследований характеристик межпланетного пространства является, как было выше отмечено, мониторинг электромагнитных излучений и изучение радиационной обстановки вблизи Луны.
Существующие формы лунного мега-рельефа в ряде районов создают благоприятные условия для прослеживания глубинного строения верхних горизонтов лунной коры. Общий диапазон лунных высот в масштабах всего лунного шара составляет 17-18 км. Отдельные кратеры и уступы имеют наибольшую разницу высот — несколько километров. Таким образом, в естественных условиях есть возможность проследить слоистую структуру подповерхностных пород на глубину до нескольких километров. Дистанционным путем эта задача может решаться с помощью длинноволнового радиозондирования.
Внутреннее строение Луны по-прежнему остается загадкой для исследователей и важнейшей космогонической проблемой. Исходя из различных моделей, учитывающих средний химический состав Луны, в настоящее время построено несколько предполагаемых структур лунных недр. Однако очевидно, что решающее значение при рассмотрении этой проблемы будут иметь более подробные, чем сейчас, исследования сейсмических свойств Луны. Эти исследования позволят установить более достоверные значения параметров лунного ядра. Имеющиеся спутниковые данные приводят к выводу о существовании лунного металлического ядра радиусом 250-430 км, масса которого не превышает 4% от общей массы этого спутника Земли. Оценки, сделанные по строению мегарельефа лунного шара и подтвержденные измерениями деталей гравитационного поля, показали, что в пределах видимого полушария «мощность» коры составляет около 60 км, а на обратной стороне толщина коры достигает 100 км.
Луна как уникальная обсерватория исследования Вселенной
Проведение астрономических наблюдений и астрофизических исследований с поверхности Луны, как стабильной платформы в космосе, имеет ряд уникальных преимуществ.
Отсутствие атмосферы и собственного магнитного поля (отсутствие ионосферы) обеспечивает возможность наблюдений в широком диапазоне излучений, приходящих от космических объектов. Это рентгеновские и гамма-излучения, ультрафиолет, радиодиапазоны, в которых не проводятся наблюдения с Земли. Это и наблюдения «слабых» по яркости объектов и др. В условиях малой силы тяжести и отсутствия атмосферы становятся реальными монтаж и эксплуатация конструкций значительных размеров при минимальной их деформации, в т. ч. гигантских оптических телескопов. При таких возможностях могут стать доступными прямые наблюдения планетных систем других звезд и деталей ядер галактик.
Длительность непрерывных наблюдений одного и того же объекта может достигать более 300 ч. Определенное расположение обсерватории на лунной поверхности может обеспечить непрерывный мониторинг избранных объектов или значительных областей небесной сферы, а также уникальные условия для наблюдения особых эффектов. При расположении обсерватории в околополярных районах возможно наблюдение растянутых заходов/восходов небесных объектов в течение нескольких суток (земных), что создает уникальные возможности при анализе, например, объектов-радиоисточников. Основным достоинством лунной астрономической обсерватории является возможность выполнять оптические и радионаблюдения во всем диапазоне электромагнитных волн. Установка оптических и радиоастрономических телескопов по краям видимого с Земли полушария Луны за склонами деталей рельефа позволит экранировать их от земных помех естественного и искусственного происхождения, включая влияние геокороны или радиационных поясов Земли. В области радиоастрономии открываются возможности исследования низкочастотных излучений космических объектов, которые не проходят через земную атмосферу.
Специфические условия Луны предполагают в полном объеме проводить гамма- и рентгеновские исследования космических объектов так же, как и регистрацию потоков космических лучей и нейтронов от небесных объектов.
Широкие перспективы на Луне имеет оптическая интерферометрия с целью исследования слабосветимых и удаленных объектов. При этом специалисты особо выделяют перспективные возможности субмиллиметровой интерферометрии. Установка однотипных инструментов на Земле и на ее естественном спутнике и
работа подобной пары в согласованном режиме создают интерферометрическую установку со сверхдлинной базой «Земля-Луна».
Наблюдения с поверхности Луны могут внести неоценимый вклад в решение такой фундаментальной задачи астрофизики, как обнаружение, регистрация и анализ гравитационных волн. Луна может служить местом для изучения нейтринного и гравитационного излучений от космических источников.
Жизненно важным направлением для всех обитателей Земли являются комплексные исследования по физике Солнца и межпланетной плазме, постоянный мониторинг Солнца с использованием станций, расположенных на противоположных полушариях Луны.
Полигон для уникальных физических экспериментов
Привлекательны лунные условия для экспериментальной физики: сверхвысокий вакуум (концентрация ионов вблизи лунной поверхности составляет 2-105...1-107 1/см3), практическое отсутствие магнитного поля у Луны, отсутствие колебаний температур при заглублении в реголит уже на 1 м, сейсмическое «спокойствие».
В земных условиях эксперименты по физике высоких энергий проводятся с помощью ускорителей заряженных частиц и ядерных реакторов. Но подобным естественным источником частиц высоких энергий являются космические лучи, свободно достигающие лунной поверхности. Поэтому актуальными направлениями исследований, проводимых на Луне в области физики высоких энергий, могут стать исследование спектров потоков частиц высоких энергий и изучение распада протонов. Высокий естественный вакуум на Луне и отсутствие магнитного поля открывают возможность осуществления в перспективе таких сверхэкспериментов, как создание гигантского ускорителя частиц «под открытым небом».
Окололунное пространство — трамплин в освоении Солнечной системы
Луна и окололунное пространство могут стать базой для подготовки межпланетных пилотируемых полетов, если это будет оправдано с точки зрения технических или экономических преимуществ. Ранее чаще всего Луна рассматривалась как промежуточный космодром, преимуществом которого является старт при пониженной силе тяжести, равной 1/6 g. Однако углубленное изучение
технических проблем в этой области показало наличие более широкого круга возможностей использования Луны в качестве космической инфраструктуры Земли. В настоящее время рассматриваются возможности использования ракетного топлива и рабочего тела электроракетных двигателей, произведенных из лунных ресурсов.
Включение окололунных навигационных установок в общую сеть космической навигации может значительно повысить эффективность и безопасность пилотируемых полетов, в т. ч. и за пределы лунной орбиты.
Перспективная пилотируемая транспортная система — средство обеспечения решения задач исследования и освоения Луны
В настоящее время предприятиями ракетно-космической отрасли России проводится разработка перспективной пилотируемой транспортной системы (ППТС) первого этапа — пилотируемого космического комплекса, включающего пилотируемый транспортный корабль нового поколения. ППТС должна обеспечивать возможность пилотируемого освоения космического пространства за пределами низких околоземных орбит. Для этого, помимо необходимых пилотируемых КА, требуется создание средств их выведения и межорбитальных транспортных средств. Разработку транспортных
средств необходимо осуществлять неразрывно с созданием инфраструктур — производственной, наземной, космической и для экспериментальной отработки.
РКК «Энергия» разработана структура ППТС (рис. 3), предназначенной для осуществления пилотируемых экспедиций (в составе трех-четырех человек) на Луну, а также для доставки грузов с целью обеспечения пребывания космонавтов на поверхности Луны и других элементов лунной инфраструктуры.
В основу разработки ППТС заложен комплексный подход, предусматривающий одновременную разработку и взаимную увязку необходимых составных частей. Также в структуру ППТС заложен системный подход, позволяющий обеспечивать выполнение пилотируемых полетов в спектре орбит назначения от низких околоземных до орбит Луны, а в более отдаленном будущем — до орбит Марса, т.е. позволяющий формировать из разработанных в рамках ППТС составных частей ракетно-космические и пилотируемые космические комплексы конкретного назначения.
Выводы
В статье рассмотрены возможные направления использования Луны как составной
Рис. 3. Структура перспективной пилотируемой транспортной системы: ВА — возвращаемый аппарат; ВПК -взлетно-посадочный комплекс; КСИСО — комплекс средств измерения сбора и обработки информации; НКУ — наземный комплекс управления; СМТ — средства межорбитальной транспортировки; ППТС — перспективная пилотируемая транспортная система; ПТК — пилотируемый транспортный корабль; РКН — ракета космического назначения
части космической инфраструктуры земной цивилизации, индустриализации космической деятельности и освоения Солнечной системы. Некоторые лунные ресурсы могут оказаться привлекательными для эффективного использования на Луне, в пространстве Земля-Луна и на Земле.
Луна может рассматриваться как полигон по отработке нового поколения космической техники и технологий, систем внеземной жизнедеятельности человека, работы и функционирования внеземных роботизированных технологических и промышленных комплексов.
Создание развитой лунной инфраструктуры, включая научную, имеет большое значение для изучения фундаментальных проблем космогонии. Эта инфраструктура может стать лабораторным комплексом для исследования Вселенной, проведения уникальных физических экспериментов, а также своеобразным трамплином в масштабном изучении и освоении Солнечной системы.
Существование различных точек зрения на проблемы освоения Луны с созданием на ней обитаемой базы и целесообразность осуществления подобного проекта в обозримом будущем не преуменьшают очевидность того факта, что этот естественный спутник Земли логикой научно-технического прогресса превращается в один из реальных объектов инфраструктуры земной цивилизации.
Список литературы
1. Перминов А.Н., Моисеев Н.Ф., Севастьянов Н.Н., Брюханов Н.А., Сизенцев Г.А., Синявский В.В., Сотников Б.И., Стойко С.Ф. Перспективы освоения Луны // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 1. С. 3-14.
2. Луна — шаг к освоению Солнечной системы // Под научной редакцией В.П. Легоста-ева и В.А. Лопоты. М.: РКК «Энергия», 2011.
3. Шевченко В.В. Лунная база // Новое в жизни, науке, технике. Сер. Космонавтика и астрономия. М.: Знание, 1991. № 6.
4. http://www.space.com/13247-moon-map-lunar-titanium.html (дата обращения 17.01.2014 г.).
5. Крисвелл Д.Р. Доставка солнечной энергии с Луны как фактор устойчивого развития экономики двух планет // Астрономический вестник. 1999. Т. 33. № 5. С. 406-414.
6. Лобыкин А.А., Щукин А.Н. Мотивы пилотируемой космонавтики // 1-я совместная конференция Международной академии астронавтики и Российской академии кос-
монавтики им. К.Э. Циолковского, Королев, 21-23 мая 2008 г. Сб. тезисов. Изд-во РАКЦ. 2008. С. 15-16.
7. Grimm R. Geophysical constraints on the Lunar Procellarum KREEP Terrane / Journal of geophysical research. 2012. doi:10.1029/2012JE004114).
8. Коротеев А.С., Семенов Ю.П., Семенов В.Ф., Сизенцев Г.А., Синявский В.В., Соколов Б.А., Сотников Б.И. Космическая техника и космонавтика в решении экологических проблем мировой энергетики XXI века. // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 1. С. 142-155.
9. Гэтланд К. Космическая техника. М.: «Мир», 1986.
10. Ванке В.А., Лесков Л.В., Лукьянов А.В. Космические энергосистемы // М.: Машиностроение, 1990.
11. Головин И.Н. Малорадиоактивный управляемый термоядерный синтез (реакторы с D-3He) // Препринт ИАЭ-4885/8. М.: ЦНИИ-атоминформ, 1989.
12. Тейлор Л., Калсинский Дж. Лунный гелий-3 в термоядерной энергетике - персидский залив XXI века // Астрономический вестник. 1999. Т. 33. № 5. С. 386-394.
13. Сизенцев Г.А. Космический комплекс для решения энергоклиматических проблем на Земле // Космическая техника и технологии. 2013. № 3. С. 82-95.
14. Грибков А.С., Евдокимов Р.А., Легостаев В.П., Лопота В.А., Максимов В.А., Островский В.Г., Синявский В.В., Тугаенко В.Ю. Электроракетный транспортный аппарат для обеспечения больших грузопотоков в космосе // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 2. С. 101-111.
15. Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В. Эффективность применения космических ядерных энергетических и ядерных электроракетных двигательных установок // Космическая техника и технологии. 2013. № 1. С. 4-15.
16. Косенко А.Б., Синявский В.В. Оценка удельной стоимости доставки полезного груза с поверхности Земли на орбиту назначения транспортной системой с многоразовым электроракетным буксиром // Известия РАН. Энергетика. 2011. № 3. С. 53-64.
17. Грибков А.С., Евдокимов Р.А., Синявский В.В. Лунный добывающе-перерабаты-вающий комплекс // Энергия: Экономика, техника, экология. 2011. № 10. С. 68-74. Статья поступила в редакцию 17.01.2014 г.
