Как мы будем жить на Луне

Проект называется LUNA,  его макет формируется за пределами Европейского центра астронавтов в Кельне при финансовой поддержке Европейского космического агентства (ESA) и Германского аэрокосмического центра (DLR). Но в свои 48 лет Маурер не знает, сможет ли он когда-либо использовать свои навыки для прогулок на реальной Луне . «Надеюсь, я сделаю это до выхода на пенсию. Технически я считаю, что это вполне возможно, что я  еще смогу побродить по Луне », - говорит он.
Оптимизм Маурера не совсем нелеп. Ему  было всего два года, когда американский астронавт Юджин Чернан (Eugene Cernan)  в последний раза в действительности побывал на Луне и прибыл обратно. Пока еще никакие космические агенства не готовы вкладывать  деньги в лунные экспедиции .  Но постепенно в результате изменения политических приоритетов  растет интерес  к возвращению людей на Луну. Вместо того, чтобы повторно запускать миссии «Аполлон», космические агентства медленно созревают  до идеи устройства постоянных поселений .

Исследователи предвкушают реализацию  идеи  базы для проведения экспериментов на Луне и как проверку  пробных технологий для полетов  на Марс. А частные фирмы все чаще испытывают соблазн возможностью добычи кислорода и водорода (которые являются топливом для мощных ракет)  из  лунного льда. Если это произойдет, то Луна может стать заправочной станцией, что радикально сократит расходы на космические путешествия.
«Вода - это нефть космического пространства, и имеется все больше свидетельств того, что она существует в экономически оправданных "месторождениях», - говорит Джордж Соуэрс, авиационный ученый из Колорадской школы шахт в Голдене и ранее главный ученый из United Launch Alliance, фирмы Centennial, Колорадо, которыая предоставляет услуги запуска по заказам правительства США.
Космические агентства, как правило, неохотно называют сроки базы для обитания команды на Луне - отчасти, потому, что цель лежит далеко за пределами их бюджетных горизонтов, но также еще и потому, что  план  требует, чтобы компании предоставляли значительную  часть денег еще до полета для различных этапов подготовки.

Генеральный директор ЕКА Ян Вёрнер в течение многих лет говорит о нескольких странах и компаниях,  которые сотрудничают планировании  полупостоянного поселения, которое он называет «Лунной деревней». Национальное космическое управление Китая также упоминалось  в государственных китайских  СМИ с информацией о том, что его целью  является база  на Луне, хотя оно не объявило, когда это может произойти.

В декабре прошлого года перспективы лунных исследований  получили новый импульс,  после того, как НАСА получила  президентскую директиву о переключении внимания на изучение астероидов и на возвращение людей на Луну. С тех пор НАСА предложило компаниям разработать технологии посадочных аппаратов и сообщила о планах запросить у Конгресса миллиарды долларов в течение следующих пяти лет для новых программ поддержки лунных исследований, необходимых для возвращения людей. «Это довольно радикальное изменение направления, - говорит Сеуэрс. В октябре этого года европейская инженерная фирма Airbus объявила конкурс под названием «Раунд Луны», в котором приняли участие "сторонники Луны",  -это ESA и команда американской космической ракеты Blue Origin, которая обещает финансировать компании для разработки ключевых технологий планомерного освоения Луны.
В ближайшие несколько лет миссии,  десантируемые   на Луну, будут роботами:  Китай и Индия запустят зонды в течение следующих трех месяцев, а  Россия планирует сделать то же самое в  ближайшие пять лет. НАСА, ЕКА и космические агентства России, Японии и Канады поддерживают идею создания космической станции на орбите вокруг Луны к середине 2020-х годов. (В своем запросе на бюджет в 2019 году президент США Трамп предложил, чтобы НАСА потратил 2,7 млрд. долл. на лунный проект в течение следующих 5 лет.) Этот орбитальный аппарат мог бы стать базой, с помощью которой можно было бы совершать многонедельные высадки с экипажем на поверхность Луны в специальных капсулах, - которые Маурер называет «автофургонами». За этим  последует постоянное поселение .  «Я думаю, что 20 лет - это реалистичные временные рамки для создания жилой  инфраструктуры на лунной поверхности», - говорит Джеймс Карпентер (James Carpenter), стратегический специалист по человеческим и робототехническим исследованиям в ЕКА в Нордвейке, Нидерланды.
Исследователи давно проверили  способы сбора лунных ресурсов. Теперь они наращивают технологии лунного поселения и полагают, что их работа скоро понадобится.  В то время как Маурер с товарищами в центре LUNA ESA тренируются для жизни на Луне, другие работают над тем, как выращивать продукты питания и строить радиационно-защищенные приюты.
На июльской встрече в Европейском космическом научно-техническом центре ЕКА в Нордвейке для подготовки будущих миссий по поселениям  на Луне участвовали  более 250 специалистов из академических кругов. , горной промышленности, металлургии, строительства и архитектуры. Они в  докладах излагали свои идеи. «Если бы вы провели такой же  семинар пять лет назад, то собрали бы  только горстку людей», - говорит Айдан Коули, научный консультант Европейского центра астронавтов. «Сейчас аппетит сильно увеличился». Хотя до заселения Луны все еще далеко, подготовка к лунной жизни на Земле идет полным ходом.

Добыча воды
Первой задачей лунных поселенцев будет получение воды. Миссии «Аполлон», которые собирали образцы с экватора Луны, предполагали, что наш спутник сух и безнадежен. Но открытие, сделанное десятилетия назад показали, что полюса Луны покрыты пятнами водяного льда, и это было «сменой представлений», - говорит Роберт Мюллер, старший технолог Космического центра NASA Kennedy на мысе Канаверал в штате Флорида, в котором разрабатываются технологии лунного горного дела.
На данный момент исследователи пока точно не знают, где находится лед, насколько он толсты,  смешан ли с грунтом или существует в пластах  В следующем году запланирован запуск индийского лунного ровера Chandrayaan-2 , а также запуск российского "самохода"  LUNA-27, запланированного на 2022 год, которые будут изучать как раз эти проблемы. Российский самоход будет иметь 2-метровую дрель, разработанную ЕКА и лабораторию для изучения происхождения и количества  лунной воды. NASA также планирует добывать эту воду уже в следующем году, и дало задание  группе компаний разработать лунные посадочные устройства, которые будут иметь инструменты для разведки. Лунная база с четырьмя членами экипажами потребует незначительного количества этой воды - возможно, несколько десятков тонн в год, - говорит Соуэрс. «Оценки, основанные на текущих данных, свидетельствуют о том, что на полюсе может быть много воды -  10 миллиардов тонн», - говорит он.
Подавляющее количество  льда будет добываться для топлива. Sowers прикидывает, что горнодобывающие фирмы могут получить прибыль за счет извлечения около 1000 тонн воды в год и электролиза ее на составные части кислорода и водорода для выработки энергии. Небольшая  гравитация Луны означает, что было бы намного дешевле запасаться топливом для дальних космических путешествий оттуда, чем  отправлять ракеты с  Земли. Например, космическая  миссия, которая будет заправляться на Луне, стоила бы в пятьдесят раз меньше по сравнению с ценой, которая стоила бы аналогичная миссия, отправленная  с Земли.

В августе ученые, использовавшие данные из индийского орбитального аппарата Чандраяна-1 обнаружили, что лед Луны лежит во многих  местах ее  поверхности, но только  в постоянно затененных кратерах, где температура всегда держится на уровне  минус  249 ° C.  Будущие лунные  машины нуждаются в тепле и энергии, чтобы добыть  воду и превратить ее в ракетное топливо. Поскольку атомные батареи на основе плутония, которые дают  тепло за счет  естественного распада  радиоактивных изотопов, слишком дороги для большинства частных фирм, лунные старатели, вероятно, должны будут использовать энергию  Солнца.
Они вдохновляются опытом  южной Норвегии, где гигантские зеркала, расположенные высоко на горе направлены на город Рюкан, и с 2013 года посылают солнечный свет на  центральную площадь города, который без этого сияния был бы серым и холодным всю зиму. Проекты надеются сделать что-то подобное на Луне, говорит Сеуэрс. Он говорит, что свет от высоких вершин может быть непосредственно направлен в кратеры, где он будет нагревать лед и превращать его в пар. Оттуда конденсированная вода будет транспортироваться на перерабатывающий завод и там разделяться  солнечным электричеством на водород и кислород. Затем эти сжиженные  газы могут храниться и либо использоваться в качестве ракетного топлива, либо использовать в топливных элементах  для выработки энергии для поселения.

В качестве альтернативного способа получения воды роверы могли бы выкапывать заполненную льдом почву и нагревать ее в печах для извлечения воды. Печи могут питаться беспроволочно, путем облучения мощными лазерами на фотогальванических элементах на ровере. Объект LUNA может проверить, как это будет работать в реальности, хотя и с дополнительными проблемами, такими как "лунная" пыль в атмосфере, которая рассеивает лазерные лучи. Ученые LUNA также займутся важными для обитания лунными кратерами, чтобы увидеть, насколько трудно будет перемещаться по этим глубоким темным склонам.
Жизнь на лунном  грунте
Если лед окажется недоступен, на Луне есть альтернативный источник воды: ее грунт, известный под названием реголит. Реголит содержит оксид кремния и оксиды металлов, которые состоят  в среднем  из 43% кислорода по массе, и он встречается повсюду на Луне. Кислород, выделенный из реголита, может обеспечить научно-экономически выгодные производственные  форпосты вдали от полюсов и, вдобавок,  там можно будет производить полезные побочные продукты, такие как редкие металлы.

Все же реголит не обещает  безграничного богатства. Освобождение кислорода от его химических связей более энергоемко, чем нагревание льда. Теоретически, реактор для получения воды  мог бы использовать гигантские зеркала для подачи солнечного света в большую печь, нагревая лунный грунт до температуры более 900 ° C, пока она не расплавится. При этой температуре водород может отрываться от  кислорода в лунном  минерале, а затем  они будут  связываться и превращаться в воду. Полевое испытание на Гавайях в 2010 году по моделируемому лунному реголиту показало, что этот процесс был осуществимым - хотя работа в условиях низкой гравитации и вакуума не тестировалась. «По сути, это проверенная технология, и она будет готова к реализации  через несколько лет», - говорит Мюллер.
Исследователи надеются еще больше улучшить процесс, чтобы готовить на месте  то, что нужно доставлять  с Земли. В Политехническом университете Милана в Италии группа, возглавляемая аэрокосмическим инженером Мишелем Лаванья, разрабатывает прототип, который работает при более низких температурах и получает метан и водород - из  единственного источника - лунного грунта. Пока еще для  одного "лунного" устройства может потребоваться десятилетие, чтобы создать достаточное количество воды, нужное для  выведения на орбиту посадочного модуля класса Аполлон. Но Лаванья говорит, что на Луне несколько реакторов могут работать параллельно.

Финансирование ЕКА составляет сегодня  около 600 000 евро (US $ 692 000), и ее команда работает над созданием опытного  лунного завода, который будет иметь размеры и вес, достаточно небольшие, чтобы  его можно было отправить с лунной  миссией.
Металлургическая фирма Metalysis в Ротереме, Великобритания, пытается извлечь  кислород из металлических руд, пропуская электричество через ванну из расплавленных солей, вместо того, чтобы полагаться на химическую реакцию. Техника, которую фирма впервые создала для производства высококачественных металлических сплавов для аэрокосмической промышленности, смогла также производить металл высокой чистоты для машин на Луне.

Поиск убежища
Если окажется, что вода не может быть получена  для коммерческих целей, то все равно лунный  форпост, основанный для научных экспериментах, будет развиваться, утверждает Маурер. «Без коммерческой перспективы для материализации идеи потребуется гораздо больше времени, - говорит он. «Мы можем оказаться в ситуации, подобной исследованиям в Антарктиде, - в основном, из-за чистого научного интереса».
Исследователи в восторге от экспериментов, которые может дать возвращение на Луну, говорит Робин Кануп, специалист по планетам  из Юго-западного научно-исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо. Изучение древних кратеров Луны могло бы показать, как сформировалась система Луна-Земля, когда ранняя Солнечная система находилась в состоянии становления, а астероиды дубасили по спутнику. Исследователи также хотели бы изучить водный цикл Луны и его сейсмологию - и установить радиотелескоп, экранированный от земных помех, который мог бы исследовать излучение ранней Вселенной.
В отличие от Антарктиды, однако, лунные жители должны быть защищены от заряженных частиц Солнца, космического излучения и крошечных метеоритов, которые несутся из космоса, потому что на Луне нет  защитной атмосферы и магнитного поля. Первые приюты будут доставлены с Земли, но их нужно будет покрыть метровыми слоями песка или реголита.

Есть и более простые решения: использовать для защиты жилых помещений утесы, каньоны, пещеры и лавовые трубки - туннели, порожденные древней вулканической деятельностью. В прошлом году ученые, анализирующие радиолокационные данные, полученные измерениями плотности грунта и орбиты  спутника японского космического агентства «СЭЛЭН» из миссии НАСА GRAIL, обнаружили туннель-кандидат, который, по-видимому, пролегает на километровой глубине под холмами Мариус на Луне. На Земле исследователи уже тестировали роверы в продвижении в лавовых трубах в Лансароте, на испанских Канарских островах, для подготовки к будущей лунной разведке.

В нескольких сотнях метров от LUNA, в лаборатории DLR в Кельне, Маттиас Сперл проверяет еще одну идею - выращивание искусственного камня из реголита. В лаборатории Sperl луч интенсивного света, сконцентрированный на кусочке реголита  размером с монету, соединяется с липкими частицами порошка при обжиге 1100 ° C. В этом процессе слои порошка и реголита превращаются в темно-серый зернистый кирпич, как при изготовлении  строительных блоков 3D-печати. На Луне солнечный свет может быть сконцентрирован, чтобы сделать то же самое, говорит Сперл, чей проект является частью RegoLight, сотрудничества между DLR, бельгийской аэрокосмической компанией SAS и архитектурными и инженерными фирмами финансированием  в  1 млн. евро. Пока исходные компоненты не соединяются вместе идеально, но кирпичи уже примерно на одну пятую столь же прочны, как бетон, и сравнимы с гипсом, говорит Сперл.

Архитектурные фирмы Bollinger Grohmann Schneider и Liquifer Systems Group  в Вене, показали в апреле, что, собирая кирпичи в арки и купола, можно создавать прочные структуры. Сперл говорит, что они достаточно прочны, чтобы выжить в  лунных "землетрясениях" и нести вес большего количества гравия, положенного сверху  для защиты от радиации и метеоритов. В настоящее время чтобы изготовить один кирпич требуется  около 5 часов,  но, возможно, скорость можно увеличить за счет солнечного света.

Ученые в других местах изучают создание приютов, обжигая реголит в микроволновых печах или связывая его вместе с материалами, принесенными с Земли, такими как полимеры.

Прессование крипичей из реголита - справа размер через 3 часа, слева - через 5 часов

Лунная диета
Ученые  также потратили много времени над проблемой о конечном ингредиенте, который необходим в самоподдерживающейся базе Луны о еде. В рамках замкнутой экосистемы растения будут перерабатывать органические отходы и превращать углекислый газ в кислород для  дыхания. В мае китайские государственные СМИ сообщили, что волонтеры завершили рекордное 370-дневное пребывание в такой экосистеме, имитирующую лунную  базу, известную как Lunar Palace 1, в которой они выращивали урожай и разводили  мучных червей для белка.
Космонавты на Международной космической станции (МКС) уже питаются салатом и другой зеленякой. Программа НАСА, запущенная в Космическом центре Кеннеди, известная как Вегги, помогла выбрать культуры, которые хорошо растут в ограниченном пространстве, и содержат  питательные вещества, которые больше всего деградируют при хранении - витамины С1, К и калий.

На Луне астронавты будут выращивать растения в воде под белыми и красными светодиодами, которые они могут настроить, чтобы изменять минеральный и витаминный состав растения. В следующем году тесты на МКС будут проверять, как изменяется состав томатов в зависимости от света. Дополнительные исследования потребуются для определения того, как лучше выращивать сельскохозяйственные культуры в смесях реголита. «Мы хотели бы знать, что нужно для того, чтобы создать живую почву из того, что по существу является космической пылью», - говорит Смит. Если растения могут расти в реголите, добавляет исследователь Вегги Мэтью Ромейн, « это означало бы разведение мелких фруктовых деревьев, а не только зеленых листьев».

«Если люди смогут оставаться на лунной базе только на короткое время из-за опасностей, и если они не смогут выращивать продукты на местной почве, программа рухнет», - говорит Мюллер.

Еще один барьер может быть юридическим: Договор о космическом пространстве 1967 года, подписанный всеми основными государствами космическими державами, гласит, что ни одна страна не может «присвоить» какую-либо часть небесного тела. Большинство стран сегодня признают, что это не исключает возможности добычи полезных элементов в космосе, говорит Димитра Стефуди, специалист по космическому праву в Лейденском университете в Нидерландах. С 2015 года две страны, Соединенные Штаты и Люксембург, приняли национальные законы, разрешающие космическую добычу с тем, чтобы, поощрить зарождающиеся компании. (Россия и Бельгия входят в число стран, которые утверждают, что космическая добыча нуждается в новых международных рамках.). Однако в договоре 1967 года также говорится, что космическая деятельность должна вестись на благо всех стран и человечества, поэтому фирмам все равно необходимо найти способы обмена ноу-хау и  возможными выгодами сбора ресурсов на Луне, говорит Стефуди.
В конечном счете, говорит Мюллер, создание лагеря-базы на Луне будет достижением, обеспеченным  не столько технологией, сколько политической волей и экономикой. «Если мы сможем решить эти проблемы, я абсолютно верю, что произойдет постоянное заселение Луны».

How to build a Moon base

Researchers are ramping up plans for living on the Moon.

Elizabeth Gibney

NATURE 24 October 2018

https://www.nature.com/articles/d41586-018-07107-4

Перевод В. Лебедев