По обновленным планам, в 2025 году NASA совместно с коммерческими компаниями и международными партнерами, включая ESA, JAXA и CSA, планирует высадить на Луну первую женщину и мужчину в рамках программы Artemis. Этот шаг для агентства, в отличие от разовых миссий «Аполлона» в XX веке, — начало устойчивого присутствия человека на Луне. Китай и Россия в рамках инициативы ILRS стремятся к тому же — как ожидается, первые космонавты на спутнике Земли появятся после 2030 года. Обе программы видят конечной целью создание лунной базы, которая может стать отправной точкой для дальних полетов в космос.
Новая гонка за Луну
В 2020 году NASA представила многоэтапный план Artemis, названный в честь Артемиды — богини охоты, плодородия и Луны. Программа стартует с участием роботов (первый запуск намечен на февраль 2022 года). Сначала две миссии доставят на Луну научные грузы, включая луноход Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER). В 2025 году начнется этап с участием людей. Четыре человека прилетят на корабле Orion к космической станции на орбите Луны Gateway (аналог МКС, главным подрядчиком по доставке грузов которой будет SpaceX Илона Маска).
После этого люди, наконец, высадятся на поверхность спутника и пробудут там неделю. Они разобьют базовый лагерь, а к 2028 году на Луне появится небольшая станция Lunar Surface Asset — первая база с постоянным экипажем.
Основной конкурент NASA в лунной гонке — Россия и Китай с совместной программой IRLS (Международная лунная исследовательская станция). Дорожную карту «Роскосмос» и Китайское национальное космическое управление представили летом 2021 года на форуме GLEX.
В рамках IRLS запланировано 14 миссий. В 2021 году начался этап разведки, к 2025 году ученые выберут место для лунной базы, строительство которой пройдет с 2026 по 2035 гг., с 2036 года начнется полноценная работа с участием людей. Поддерживать базу, как и у NASA, будет орбитальная станция в окололунном пространстве, через которую будет происходить сообщение между Землей и ее естественным спутником.
Строительство первых баз
Планы NASA по освоению планеты на данный момент связаны с районом в окрестностях кратера Шеклтона на Южном полюсе Луны диаметром 20,9 км и глубиной 4,2 км. Исследования начнет луноход VIPER. Он будет искать ресурсы, которые понадобятся для колонии, в первую очередь воду. Когда ученые получат данные от лунохода, они смогут скорректировать свои планы.
Перед созданием полноценной базы Lunar Surface Asset NASA планирует организовать малый лагерь Artemis Base Camp, который будет состоять только из трех частей.
- Двухместного негерметичного вездехода (Lunar Terrain Vehicle). Астронавты смогут перемещаться в нем на небольшие расстояния (до 20 км) в новых скафандрах Exploration Extravehicular Mobility Unit.
- Высокотехнологичного фургона, который называют «мобильной обитаемой платформой» (Habitable Mobility Platform). Он будет герметичным, с системами жизнеобеспечения. Люди смогут проводить в нем до 45 дней. Предназначен для дальних поездок за пределы лагеря.
- Неподвижной платформы (Foundation Surface Habitat), которая сможет разместить до четырех астронавтов для жизни на Луне по несколько месяцев.
С каждой новой миссией базовый лагерь будет разрастаться. Конечный вид не определен — он зависит от технологий и результатов исследований. Инициатива Lunar Surface Asset предполагает раскопки и производство энергии, а значит размещение техники, солнечных батарей и реакторов.
В лагере и его окрестностях будет много исследовательских роботов-помощников, похожих на миниатюрный хоппер Micro-Nova, который разрабатывает Университет Аризоны, и специальной техники по типу робота-экскаватора RASSOR, умеющего копать в условиях, близких к невесомости. Российско-китайская программа тоже делает ставку на рои мини-роботов (группы машин, объединенные одной задачей), прыгающих роботов, планетоходы.
Со временем в базовом лагере может появиться управляемый грузовик, который будет доставлять грузы по всей Луне. Европейское космическое агентство (ESA) разрабатывает многофункциональный грузовой модуль, который сможет спускать с орбиты до 1,5 тонны груза (этап исследования закончится в 2022 году). В планах — установка радиотелескопа на «заднем дворе», пишет NASA, имея в виду обратную сторону Луны. Им будут управлять удаленно.
Есть и другие идеи, как развивать инфраструктуру на Луне — они касаются вопросов логистики. Так, в октябре 2021 года группа ученых из Международного космического университета предложила использовать многоразовый корабль SpaceX Lunar Starship, разработанный компанией Илона Маска, и его систему приземления HLS в качестве фундамента лунной базы. Преимущество проекта в том, что он позволит астронавтам относительно быстро (за 180 дней) развернуть полноценный жилой модуль объемом 2500 м³ (в 2,5 раза больше МКС).
Британские архитекторы Foster + Partners обратились к 3D-печати, которую тестировали на МКС в 2014 году: космонавтам отправили по e-mail проект торцевого ключа, который они напечатали на принтере. На Луне материалом для печати может стать реголит, грунт с поверхности спутника. Технологии уже позволяют печатать объекты в невесомости, также есть лазеры, которые можно установить на луноходы и создавать из расплавленного реголита универсальные элементы для будущих конструкций.
Не исключено, что к 2050 году появятся не только базы на поверхности, но и подземные станции. В 2010 году на Лунной конференции в Пекине группа ученых представила план многомодульной станции с научным центром и теплицей для выращивания овощей и зерновых. Слой реголита над модулями будет защищать людей от солнечной радиации. План может быть проще в реализации, если строить станцию в уже существующих на Луне пещерах и лавовых трубах, которые возникли там в результате древней вулканической активности.
Одну такую пещеру в 2017 году обнаружил японский аппарат SELENE, она образовалась 3,5 млрд лет назад, имеет высоту 100 м и глубину 50 км. Европейское космическое агентство планирует в будущем исследовать другие перспективные пещеры с помощью шарообразного зонда и роя роботов.
Газета Wall Street Journal также предрекает строительство дорог («базовой технологии человечества»), но это скорее всего случится лишь через десятки лет.
Добыча ресурсов
Запуск 1 кг материалов на низкую околоземную орбиту стоит в среднем $10 тыс. NASA оценила затраты на программу Artemis до 2025 года в $93 млрд, один запуск ракеты Orion с Земли обойдется в $4,1 млрд. Поэтому для устойчивого развития на Луне базы должны быть близки к самоокупаемости.
Так, в рамках существующих программ обсуждают концепцию «in situ resource utilisation» (ISRU) — добычи ресурсов на месте. Первое, что понадобится на Луне и что, несомненно, там есть, — это вода, энергия и строительные материалы.
Вода
При колонизации Луны вода станет ключевым ресурсом: ее можно использовать для питья, орошения в теплицах, а также расщеплять на водород и кислород и применять в качестве топлива и для жизнеобеспечения.
Кратер Шеклтона на Южном полюсе Луны выбрали для размещения станции не случайно. Ученые считают, что в нем есть вода в виде льда. Гипотезу косвенно подтвердили данные индийского орбитального аппарата Chandrayaan-1, который обнаружил лед в 40 кратерах диаметром 2–15 км, и данные Chandrayaan-2. Последний нашел лед, смешанный с грунтом, в кратерах Пири на Северном полюсе и Кабео недалеко от Южного полюса.
Экипажу из четырех человек нужно незначительное количество воды — несколько десятков тонн в год, считает Джордж Сауэрс, ученый-аэронавт из Колорадской горной школы. На полюсах Луны, по последним данным, может храниться более 600 млн тонн воды.
Правда, эту воду сначала необходимо добыть. В кратерах температура опускается до –250 °C, поэтому потребуется много энергии, чтобы растопить лед. Упростить процесс могут гигантские зеркала, расположенные по периметру кратера — они направят солнечный свет на дно, после чего астронавтам нужно будет собрать либо водяной пар, либо мягкий грунт, смешанный со льдом. Конденсированная вода будет отправляться на перерабатывающий завод и расщепляться на водород и кислород. Также лед можно будет транспортировать в лагерь и плавить в резервуарах.
Энергия
В своей программе NASA отводит большую роль Солнцу. На Южном полюсе, возможно, есть пики вечного света, которые обеспечат непрерывную работу солнечных батарей. Однако такие точки, скорее всего, немногочисленны, поэтому ученые думают о том, как спроектировать системы Artemis с учетом чрезвычайно холодных лунных ночей (−170 °C). Они наступают раз в синодический месяц (время от одного новолуния до другого) и длятся, как и лунный день, 14 земных суток (но в определенных точках на полюсах могут длиться меньше — пять суток).
NASA совместно с министерством энергетики США рассматривает еще один постоянный источник энергии. Ученые разработали компактный наземный энергоблок на основе урана с мощностью 10 кВт — этого достаточно для питания нескольких домохозяйств на Земле, пишет агентство. Небольшая электростанция сможет питать элементы лагеря в течение 10 лет и обеспечит большую гибкость при планировании миссий.
Реголит
Если лед для производства топлива все же окажется недоступным, для получения воды и других ресурсов можно будет использовать поверхностный слой сыпучего лунного грунта — реголит. Он содержит кремнезем и оксиды металлов, на 43% состоит из кислорода; по данным NASA, на 5% — из воды, еще на 5% — из летучих веществ, в том числе метана, аммиака, водорода, углекислого и угарного газов. Реголит рассматривают как потенциальный строительный материал для 3D-принтеров, которые первые колонисты могут привезти с собой.
В перспективе реголит может стать источником других ресурсов, например, гелия-3 (3He), который попадает на спутник с солнечным ветром и копится миллиарды лет. Его можно использовать как топливо в термоядерных реакторах. На Земле он встречается редко и стоит $16,6 млн за кг. В лунном реголите, по грубым оценкам, его около 1,1 млн тонн — хватит, чтобы обеспечивать нашу планету электричеством 10 тыс. лет. Уже есть планы доставить на Землю 300 кг изотопа к 2028 году.
Тому, как выделить из реголита металлы, воду, кислород посвящено много исследований. Но помимо потенциальной пользы он несет и очевидный вред. Реголит, который по структуре схож с песком, при малой гравитации (1,62 м/с² на Луне против 9,8 м/с² на Земле) легко отрывается от поверхности от любых воздействий и несет опасность для оборудования и космонавтов. Учитывая, что люди планируют регулярно совершать посадки на Луну в одних и тех же местах, ученые ищут способ расчистить район лагеря. Одним из решений может стать глубокое спекание реголита с другими материалами и создание на его основе посадочных платформ. Ту же технологию можно будет в дальнейшем использовать при строительстве дорог.
Сельское хозяйство
В условиях ограниченных ресурсов эффективнее всего создавать закрытые экосистемы, в которых растения будут перерабатывать органические отходы и превращать углекислый газ в кислород. Такую систему под названием «Лунный дворец» уже испытывают китайские ученые. В 2018 году они завершили эксперимент, в ходе которого две группы студентов 370 дней выращивали зерновые культуры (включая пшеницу), овощи, клубнику и мучных червей как источник белка и питались по 4-дневной диете на 2900 калорий. Краткий итог: экосистема в состоянии поддерживать комфортную жизнь экипажа в замкнутой среде длительное время.
На МКС уже едят выращенный в космосе салат и другую зелень. У NASA есть программа Veggie и похожие направления, которые изучают, как отсутствие гравитации влияет на рост и генетику растений. Долгосрочная задача — понять, как выращивать сельскохозяйственные культуры в реголите. Если это удастся, на Луне могут появиться небольшие фруктовые деревья.
Что после колонизации?
Базовыми целями колонизации станут изучение лунной топографии, геоморфологии, химии, геологии и возможность наблюдения за космосом. Многие технологии, которые испытывают применительно к лунным программам, найдут применение и на нашей планете: в энергетике, строительстве, транспорте, добыче ресурсов.
После того, как на Луне появятся города со своей экосистемой, отдаленно напоминающие те, что были показаны в фильме «К звездам» (Ad Astra), человечество, скорее всего, будет готово к следующему шагу. Одна из идей программы Artemis заключается в том, чтобы превратить Луну в полигон для испытания технологий и смоделировать предстоящий полет на Марс. Затем лунные базы станут отправной точкой для миссий на Красную планету — ведь это обойдется в разы дешевле, чем запуск с Земли.