50 лет назад первый человек ступил на поверхность Луны. С тех пор у нас так и не возникло понимания того, как мы могли бы использовать ближайшее к Земле небесное тело. Но не так давно администрация президента США Дональда Трампа открыла дверь к коммерческому освоению Луны, разрешив американским частным компаниям заниматься добычей ресурсов спутника. Решение столь сложное, что даже ярые сторонники коммерциализации до конца не верили, что оно могло быть воплощено в реальность.
Профессор инженерных наук Горной школы Колорадо Джордж Соуэрс, исследующий методы добычи ресурсов в космосе, отмечает:
По всей видимости, Белый дом сильно заинтересован в том, чтобы идея добычи полезных ископаемых на Луне начала реализовываться прямо сейчас. Это просто удивительно! Я думаю, что у нас есть большое будущее в этой области.
Это решение правительства США (а также последовавший за ним проект международного соглашения Artemis Accords – прим. переводчика) поставило большой восклицательный знак в дискуссии об отношении страны к Договору о космосе 1967 года. Этот договор был подписан во времена холодной войны и запрещал применение национального суверенитета к любым космическим телам, кроме Земли. Но в договоре ничего не было сказано о возможной их коммерциализации.
Впервые по 60-летнему договору сильно ударил подписанный администрацией Барака Обамы в 2015 году так называемый SPACE Act – Акт о стимулировании конкуренции среди частных космических компаний. Этот документ позволяет американским гражданам и компаниям как владеть товарами, собранными вне пределов Земли, так и заниматься их продажей.
Распоряжение администрации Трампа показало, что она поддерживает эту идею. Но для того, чтобы открыть Луну для добычи, потребуется больше, чем просто чернила. Потому что с самого зарождения этой идеи стало очевидно, что связанные с её реализацией технические и экономические проблемы – огромны.
“В этом плане мы довольно долго движемся по кругу”, – говорит Соуэрс.
Не боящаяся никаких преград международная группа промышленников, инженеров и учёных потратила многие годы в попытках создания инфраструктуры, необходимой для превращения Луны в промышленную базу. Эксперименты и прототипы для добычи ресурсов появлялись как в государственных, так и в частных лабораториях.
Наиболее критические области, такие как компактные энергетические производства, космическая робототехника и добыча реголита, достигли уровня, когда представленная в заголовке идея не только имеет смысл, но и приобретает возможности.
Новое тысячелетие, старая битва
История идеи добычи ресурсов на Луне началась в ту пору, когда между двумя титанами космонавтики возникли разногласия. В одном углу ринга находился Вернер Фон Браун – германо-американский гений ракетостроения, который руководил разработкой ракеты NASA “Сатурн-5”. Для Фон Брауна и его сторонников планеты представлялись жемчужинами Солнечной системы. Именно в планетах, по их мнению, были скрыты вся наука и весь престиж.
Инженер и предприниматель Илон Маск является воплощением этой идеи – хоть никогда и не признавал этого. Его стремления сосредоточены на создании марсианского поселения. Усилия, направленные на достижение этой цели – вот что важно; всё остальное (в том числе и Луна) лишь отвлекает.
В другом углу находился американский физик Джерард О’Нилл. В своей книге “Последний рубеж: человеческие поселения в космосе”, выпущенной в 1976 году, Джерард выступал противником идеи создания инфраструктуры на поверхности планет, считая нецелесообразным тратить энергию на то, что выбираться из созданных ими гравитационных колодцев. Решение О’Нилла представляет собой огромные орбитальных поселения. И он выступил в поддержку использования ресурсов Луны для создания этих самых поселений.
Основатель Blue Origin Джефф Безос решительно поддерживает идеи О’Нилла. Концепция поселений, впервые представленная Джерардом, упоминались в прошлогодней презентации посадочного модуля Blue Origin под названием Blue Moon.
-
Вернер Фон Браун, главный разработчик ракеты “Сатурн-5”, которой удалось отправить людей на Луну -
Физик Джерард О’Нил в качестве гостя на The Tonight Show с Джонни Карсоном
Ветеран NASA (на данный момент физик-планетолог в Университете Центральной Флориды) Филипп Мецгер является сторонником идей О’Нилла. Он говорит:
Насколько мне известно, никто и никогда не проводил опросов по этим точкам зрения. Но я чувствую, что NASA полностью поддерживает мнение Фон Брауна. Агентство предпринимает определённые шаги к освоению Красной планеты. И оно постепенно идёт к высадке людей на Марс. Это стало бы величайшим достижением человечества. Именно поэтому NASA держит свой курс туда. И в рядах агентства есть довольно большое количество людей, которые рассматривают Луну как нечто незначительное.
Битва между двумя лагерями может разразиться вновь, когда люди начнут расширять свои владения всё дальше от Земли. Но чего сторонники добычи ресурсов на Луне боятся больше всего, так это повторения ситуации, которая случилась в космонавтике после завершения программы “Аполлон”.
Если мы сможем интегрировать в экономику Земли промышленность за её пределами, то у нас получится создать систему, в которой полёты на Марс станут более доступными. Мы утверждаем, что если человечество начнёт двигаться в этих вопросах слишком быстро и пропустит создание промышленной инфраструктуры в цислунном пространстве (области космоса между Землёй и Луной – прим. ред.), то марсианские миссии рискуют закончится так же плачевно, как и программа “Аполлон”.
Что продавать?
Но даже среди сторонников О’Нилла, которые в общем-то согласны с тем, что ресурсы Луны необходимо использовать, нет согласия в вопросе о том, как это сделать. И ответ на самый важный вопрос, что следует добывать и продавать, тоже со временем менялся.
На Луне есть довольно много привлекательных ресурсов-товаров. Строительные металлы, кремний для фотоэлементов и гелий-3, который может быть использован в (пока гипотетических) термоядерных реакторах. Суть всей идеи: добыть на Луне что-то, чего нет на Земле, а затем отправить это на планету, получив деньги.
Но затем встал вопрос: что если зарабатывать деньги, продавая товары для космического пользования, не отпуская их на земной рынок, который расположен в гравитационном колодце? Таким товаром, например, мог бы стать кислород.
“Лунный реголит на 41 процент состоит из кислорода. И запуск кислорода в космос – всё ещё удовольствие не из дешёвых”, – говорит Мецгер.
Идея состоит в том, чтобы извлекать кислород из реголита для использования в системах жизнеобеспечения и в качестве топлива. А весь необходимый водород ввозить с Земли. Добыча кислорода может быть осуществлена в любом месте на Луне, поскольку реголит имеется на нашем спутнике повсеместно. Сейчас эта задумка получила большее развитие. Потому что имеются серьёзные основания полагать, что в кратерах на Южном полюсе Луны находятся большие запасы водяного льда. Так что, вероятно, нужда везти с собой водород отпадёт сама собой.
“Взгляд на вопрос со льдом – это самая большая вещь, которая изменилась со времён программы “Аполлон”. Это произошло не так давно, – говорит Джордж Соуэрс. – Лёд даёт вам возможность извлечения водорода и кислорода. А они являются компонентами самого эффективного из известных нам ракетных топлив”.
Всё сводится к извлечению льда. И, как ближайший сосед Земли, Луна является наиболее логичным местом его добычи. Наш спутник посещало много разведывательных миссий, таких как “Клементина” и аппарат LRO. Благодаря их исследованиям мы знаем, что в некоторых кратерах на Луне имеются большие скопления льда.
Более десяти лет назад космический корабль LCROSS врезался в один из таких кратеров. Другой аппарат с орбиты собирал данные, определив, что в выброшенных при столкновении частицах грунта содержится не менее пяти процентов воды. Где-то в глубине этого кратера определённо залегает лёд. Но у учёных всё ещё есть сомнения по этому вопросу.
“Сейчас мы находимся на переходном этапе, когда первоначальные открытия уступают место определению параметров и тщательной проверке”, – говорит штатный сотрудник Института Луны и планет Джули Стопар.
NASA инициировало программу CLPS (Commercial Lunar Payload Services, Коммерческие услуги по лунной доставке), в рамках которой профинансировало новую серию небольших миссий от частных компаний. Эти миссии направлены на изучение Луны. Первая из них будет запущена уже в следующем году, а в будущем их станет ещё больше. У разработанных посадочных аппаратов будет множество научных инструментов, в том числе и тех, которые помогут учёным проанализировать химический состав лунного грунта.
Вишенкой на торте станет аппарат VIPER. Луноход размером с автомобиль будет обладать расширенным инструментарием, который поможет ему создать полноценную карту залежей льда на Луне. По словам Стопар:
VIPER предоставит полную информацию о распределении залежей водяного льда: массе, форме залегания и условиях на поверхности спутника в месте залегания (той области, куда будут высаживаться астронавты программы “Артемида”). Миссия VIPER – ключевая по своей сути. Она покажет, смогут ли люди обосноваться в районе Южного полюса Луны, или же нет.
Все эти миссии поддержат инициативу NASA по созданию лунного поселения. Но данные, собранные аппаратами, будут полезны и для представителей добывающей промышленности. Об этом говорит Филипп Мецгер:
Сейчас у нас нет хорошей модели распределения ресурсов на Луне. Наши усилия по получению новых данных определённо улучшат понимание геологии спутника.
Несмотря на свою полезность, миссии по программе CLPS не будут принимать участие в создании инфраструктуры для добычи ресурсов. Сторонники извлечения полезных ископаемых, такие как Джордж Соуэрс, просто хотят получить больше данных о залежах полезных ископаемых:
Мы никогда не совершали посадку ни в одном из этих затенённых кратеров с инструментами, способными подтвердить или опровергнуть наличие водяного льда. Мы также ничего не знаем о том, в какой форме он может залегать и насколько он смешан с реголитом.
Но там, где есть проблема, есть и инженеры, работающие над её решением. Корпорация Lockheed Martin спонсирует группу сотрудников NASA, работников аэрокосмической отрасли и предпринимателей из Горной школы Колорадо для создания зонда Veritas (не путать с концепцией миссии NASA по изучению Венеры – прим. переводчика). Его единственная цель – определить, действительно ли на Южном полюсе Луны есть запасы водяного льда. Доставкой аппарата на поверхность спутника может заняться продвигаемый Lockheed Martin в рамках CLPS посадочный аппарат McCandless Lunar Lander.
Этот посадочный модуль можно будет снабдить аккумуляторами, запас энергии которых позволит Veritas проработать достаточно долго и передать данные. Ключевая идея состоит в том, чтобы “раскинуть” сеть из шести пакетов датчиков примерно на 200 метров в каждом направлении от посадочного модуля. Используя георадар и сигналы с датчиков можно было бы исследовать довольно значительную территорию, не прибегая к помощи дорогостоящего лунохода.
Теперь предположим, что нам удалось достоверно подтвердить наличие подповерхностных залежей водяного льда на Луне. Как же сделать из него ракетное топливо? Здесь тоже имеются кое-какие соображения.
Жаркие времена на Луне
Добыча ресурсов на Луне отличается от таковой на Земле. Некоторые её сторонники объединили свои усилия и создали новый способ извлечения ценных ресурсов из холодного лунного грунта.
Термическая добыча полезных ископаемых предполагает подведение тепла непосредственно к поверхности Луны с достаточно высокими температурами. Высокими настолько, чтобы миновать жидкое агрегатное состояние воды и превратить лёд непосредственно в пар. То есть, сублимировать его. Получившийся пар предлагается улавливать с помощью большого тента, охлаждать и перемещать в установку для электролиза, где лёд разложат на водород и кислород. Вся система подробно описана в 135-страничном документе Соуэрса. Он разработал эту концепцию в рамках гранта от NASA по программе NIAC, чтобы показать, как водяной лёд Луны можно разложить на компоненты ракетного топлива. В этом отчёте говорится:
В ходе нашего исследования была продемонстрирована эффективность прямого нагрева образцов ледяного реголита с последующей сублимацией льда. Это доказывает, что термическая добыча ресурсов может работать.
Отчёт также даёт оценку размеров предполагаемой лунной топливной фабрики.
Завод по производству ракетного топлива будет иметь массу чуть более 26 тонн и сможет производить 1100 тонн топлива в год. Стоимость проекта оценивается в 2,5 миллиарда долларов. Предварительное экономическое обоснование показывает, что положительные доходы могут быть получены на основе как коммерческого, так и государственного спроса на топливо. Это предполагает, что продуктивный срок эксплуатации завода составит не менее 10 лет.
Но тут есть одна большая оговорка. Чтобы обеспечить эффективный промышленный уровень превращения льда в пар, грунт должен быть нагрет до очень высокой температуры. Для полноценной работы такому заводу понадобится примерно 2,8 мегаватт энергии. Ключевой вопрос: как сгенерировать такое количество энергии на дне лунного кратера?
Один из вариантов предлагает NASA. Агентство разработало концепцию небольшого ядерного реактора и уже добилось некоторых успехов в её реализации. В 2018 году исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории, Невадского испытательного полигона и NASA провели непрерывный 28-часовой демонстрационный эксперимент по запуску реактора Kilopower на полную мощность.
NASA выбрало этот реактор, поскольку его работа связана с двигателем Стирлинга, он функционирует по замкнутому топливному циклу и имеет систему регенеративного охлаждения. Это долговечное устройство, требующее минимального технического обслуживания. Оно вполне может служить источником энергии для добычи внеземных ресурсов.
Подвох в том, что Kilopower использует в качестве топлива высокообогащённый уран. Это топливо конечно даёт реактору так необходимую в космических перелётах компактность, но также служит источником серьёзного беспокойства по поводу безопасности, поскольку высокообогащённый уран – лучший материал для создания ядерной бомбы.
По этой причине в последние годы наблюдается рост количества разработок реакторов на низкообогащённом уране. Это так называемые малые модульные реакторы. Они предназначены для работы в отдалённых уголках нашей планеты. И некоторые из компаний, занимающихся разработкой таких реакторов, смогли адаптировать их под нужды космоса.
-
Изображение малого модульного реактора от компании USNC. На изображение помещена фигура человека, для того, чтобы вы смогли оценить масштаб конструкции -
Сравнительные размеры человека и реактора Pylon
Одной из таких компаний является UltraSafe Nuclear Corp (USNC). Она продаёт компактные ядерные реакторы на низкообогащённом уране. Один из них компания адаптировала под условия Луны. И даже дала ему собственное имя – Pylon. По словам представителей компании:
Исследование ресурсов Луны в постоянно затенённых кратерах и использование тепловой энергии для их добычи – это задача для ядерной энергетики. Тем не менее, несмотря на исключительный потенциал, ядерная энергия часто исключается из дальнейшего рассмотрения в связи с недостаточным развитием технологий и по политическим соображениям. Однако последние разработки демонстрируют, что технологическое развитие и политические проблемы преодолимы.
USNC даёт понять, что если NASA хочет посетить один из полярных кратеров Луны в ближайшем будущем, то их продукт является наиболее подходящим решением. Конструкция реактора такова, что его можно будет доставить на поверхность спутника даже на одном из посадочных модулей, разрабатываемых частными компаниями по программе CLPS.
Помимо ядерных реакторов
Вопрос о добыче ресурсов на Луне стоит уже половину века. Поэтому ядерные реакторы не претендуют на звание окончательного решения проблемы энергоснабжения производства. Есть кое что ещё.
Европейское космическое агентство достигло прогресса в разработке системы электролиза соляного расплава. Эта система позволит добывать кислород из измельчённого реголита (у нас на сайте уже была заметка об этом; заходите почитать – прим. переводчика).
Суть проста: реголит помещают в металлическую корзину с расплавленной солью хлорида кальция, а затем нагревают до 950-ти градусов по Цельсию. Реголит при такой температуре не расплавится, а вот хлорид кальция – вполне. Расплав хлорида кальция будет выступать в качестве электролита. Пропуская через него электрический ток, мы сможем простимулировать кислород двигаться в область анода. Таким образом из реголита можно извлечь до 90% кислорода, а побочным продуктом процесса станут различные металлы, содержащиеся в лунном грунте. По словам автора исследования Бет Ломакс:
Возможность добывать кислород из имеющихся на Луне ресурсов, очевидно, будет чрезвычайно полезна для будущих колонистов. В первую очередь потому, что кислород необходим людям для дыхания. Также его можно использовать в качестве окислителя в двухкомпонентном ракетном топливе – прежде всего, кислород-водородном.
Ещё одна задумка, предложенная Соуэрсом (в том же исследовании, что и его концепция извлечения льда), базируется на идее древности – зеркалах. Древнегреческий учёный Архимед использовал зеркала для того чтобы фокусировать солнечный свет на вражеских кораблях, таким образом поджигая их (достоверность существования зеркал Архимеда сомнительна – прим. переводчика). Таким же образом гелиостаты (подвижные зеркала), установленные рядом с краем кратера, могли бы фокусировать солнечный свет для нагрева залежей водяного льда. По словам Соуэрса, размещение трёх гелиостатов, расположенных через каждые 120 градусов вдоль края кратера, обеспечит устойчивое освещение всей добывающей шахты.
Третья идея полностью исключает термическую добычу ресурсов. Филипп Мецгер работает в рамках гранта по программе NIAC, чтобы изучать возможность того, что лёд на дне небольших кратеров представляет собой зернистую структуру, перемешанную с грунтом. “Если это так, то я утверждаю, что самый простой способ извлечь лёд – просто отсортировать зёрна друг от друга”, – говорит он.
Залежи льда в небольших кратерах, вероятно, не такие крупные, как в кратерах побольше. Но более скромная система “копай и просеивай” могла бы стать основой для первой шахты на Луне, поскольку не требует огромных затрат энергии. Мецгер отмечает:
Думаю, что мы должны начать с малого. Я считаю, что имеет больше смысла разведывать небольшие затенённые кратеры. Имеет смысл попытаться построить инфраструктуру, которая будет основана вокруг ресурсов в них. Можно даже попытаться сделать эту инфраструктуру экономически выгодной.
Возможно, когда-то добыча ресурсов на Луне казалась фантастически невозможной. Но теперь идея подкреплена потенциальными концепциями того, как извлечь ценные ресурсы нашего спутника. При поддержке сторонников Джерарда О’Нилла, NASA и Белого дома, у этой идеи наконец-то появился шанс на воплощение в жизнь. Имея инвестиционную поддержку от государства, компании смогут начать развёртывание промышленности. И чем раньше они это сделают, тем быстрее они смогут улучшить жизнь на Земле.
Что ещё почитать про исследования Луны: