«Техника-молодежи» 1987 г №5, обл, с.22-26
| ПИСЬМО В XXI ВЕК: | ОКЕАН БУРЬ, ПРОСПЕКТ МИРА |
В прошлом году Советское правительство выступило с широкомасштабной программой международного сотрудничества по освоению космического пространства в мирных целях. В письме Председателя Совета Министров СССР Н. И. Рыжкова Генеральному секретарю ООН X. Пересу де Куэльяру изложен план совместных практических действий различных государств до 2000 года, закладывающий основы для перехода уже в первых десятилетиях XXI века к практическому освоению и использованию Луны, в том числе в качестве базы для осуществления полетов к другим планетам».
| ЧТО НАМ СТОИТ ДОМ ПОСТРОИТЬ? | Владислав Шевченко доктор физико- математических наук |
Нет, это уже не фантастика, потому что человечество, стоило ему по-настоящему захотеть, могло добиться этой цели давно. Еще в 60-х годах, после первых успешных космических полетов, Международная астронавтическая федерация обсуждала планы создания обитаемой научной станции на Луне. В то время появилась надежда, что ведущие мировые державы объединят усилия в мирном исследовании космоса.
Мы хорошо помним американскую программу «Аполлон». Первые шаги астронавта Армстронга по лунной поверхности... Но эта же экспедиция доказала, что крупномасштабные исследования и освоение Луны (а тем более планет Солнечной системы) не под силу одному государству. Тогда — и мы это тоже хорошо помним — последний из «Аполлонов» состыковался на околоземной орбите с «Союзом».
Оценки специалистов показывают, что долговременная обитаемая база на Луне с просторными и удобными жилыми помещениями, хозяйственными постройками, вспомогательными промышленными установками для производства кислорода, воды, строительных материалов, с экипажем в 10-12 человек, обойдется в несколько раз дешевле, чем проект «звездных войн».
Для чего же нам нужна Луна? Прежде всего для обживания околоземного пространства.
Длительная работа в космосе экипажей орбитальных станций, расположенных на высоких орбитах, потребует создания более надежных, а следовательно, и более массивных противорадиационных защитных экранов. Такому экрану для станции нового поколения потребуется 80-90 т «лишнего» вещества. Чтобы доставить этот груз с Земли, придется произвести несколько запусков грузовых ракет. Рационально ли это?
Если сравнить стартовый вес космических кораблей и массу выводимых ими на орбиты объектов, можно убедиться, что КПД у них несравненно хуже, чем у паровоза.
Для ракеты-носителя «Восток» доля полезного веса примерно 1,7%. Более совершенный «Союз» выводит на орбиту груз, составляющий 2,3% от стартовой массы. Полезная нагрузка транспортных космических кораблей многоразового использования «Спейс-шаттл» 1,5%.
Гораздо эффективнее старты космических ракет с поверхности Луны. Там нет атмосферы. Сила тяжести составляет всего 1/6 земной. Вывод груза на высокую околоземную орбиту потребует в 20-30 раз меньших усилий, чем на ту же операцию с Земли. Если бы с Луны стартовала ракета-носитель корабля «Союз», то в результате одного такого запуска на орбитальную станцию можно было бы доставить до 200 т грузов (что составляет примерно половину собственного веса носителя). Но подобные старты станут возможны лишь после того, как на Луне появится собственная ракетно-космическая индустрия.
Среди перспективных направлений развития космической техники — создание на высоких орбитах гигантских рефлекторов. Параболические зеркала площадью в сотни квадратных километров смогут отражать и переправлять на Землю значительное количество солнечной энергии. Может быть, у Земли появится целая система вращающихся вокруг нее солнц.
И опять расчеты показывают, что без использования лунных ресурсов, без лунной индустрии честолюбивые замыслы создания рукотворных светил не осуществить. Отдельные элементы конструкций необходимо производить непосредственно на Луне, а затем с помощью беспилотных ракет доставлять на монтажную орбиту.
Но из каких материалов делать эти конструкции? Есть ли на нашей бледноликой космической соседке полезные ископаемые?
Область в западной части Океана Бурь. На карте обозначены места, где предполагаются крупные залежи ильменита. |
  На снимке (вверху) видны радиальные структуры вокруг лунного цирка. Если геолог совершит путешествие вдоль одного из таких «лучей», он увидит «в разрезе» внутреннее строение Луны. Один из множества метеоритных лунных кратеров. В них можно закапывать жилые модули лунной базы, тем самым защищая их от солнечной радиации. |
Как небесное тело Луна весьма заурядна. Это мертвый каменный шар диаметром 3476 км. Возможно, в глубине его теплится полурасплавленное ядро. Отвердевшие породы коры и мантии — распространенные на Земле силикаты.
Темные пятна лунных морей — это породы, близкие по составу к земным базальтам. Светлые области «материков» в основном состоят из пород, весьма похожих на земные анортозиты (камни серого цвета с высоким содержанием алюминия. Геологи нередко их находят в разломах земной коры). Основные минералы на Луне — пироксен, плагиоклаз, ильменит и оливин. Они нам знакомы, ибо содержатся практически в любом речном песке.
Разумеется, есть у лунных пород и свои отличия. Если окислы кремния, магния, кальция и алюминия входят в них в тех же пропорциях, что и в земных аналогах, то окислов железа и титана не в пример больше. В лунных морских базальтах, например, содержание окислов железа превышает 25% (в земных базальтах в два раза меньше). Доля окислов титана доходит иногда до 13% (против 2% на Земле). Так что сырьевая база будущей лунной металлургии весьма обширна и богата.
Да и добывать сырье не составит особого труда. За миллиарды лет метеоритные потоки разрыхлили грунт на глубину до 10 м. Таким образом, нет необходимости привозить на Луну сложную горнорудную технику.
Представим себе открытый лунный карьер глубиной 10 м и площадью 100 Х 100 м. Сколько полезных продуктов можно извлечь?
Около 40 тыс. т кремния, которого хватит на изготовление 12,5 кв. км солнечных батарей. Их суммарная мощность раза в три превысит мощность Днепрогэса.
Для производства арматуры солнечной электростанции мы получим из руды, содержавшейся в карьере, от 15 до 30 тыс. т алюминия и от 5 до 25 тыс. т чистого железа. В том же объеме лунного грунта содержится около 9 тыс. т титана, из которого можно изготовить несущие конструкции высокой прочности.
К этим основным материалам добавим еще изрядные количества магния, кальция, хрома и других химических элементов.
Наконец, мы сможем добывать из руды важнейший продукт — кислород. Карьер даст нам 80-90 тыс. т животворного газа, который можно использовать в системе жизнеобеспечения станции, в качестве компонента ракетного топлива, а также для ведения различных технологических процессов.
Впрочем, еще только предстоит найти простые и достаточно надежные, применимые к лунным условиям технологии извлечения этих материалов. Ведь все «богатства» Луны содержатся в связанном состоянии.
Пожалуй, наиболее перспективным может оказаться нагревание. В лунной лаборатории космического центра НАСА в Хьюстоне успешно функционирует экспериментальная печь, где минерал ильменит, нагретый до температуры около 1000°С, выделяет до 10% кислорода от своего веса.
Немного усложнив процесс, можно получить воду. Нужно только сжигать в освободившемся кислороде водород, которого в лунных породах запасено достаточно благодаря солнечному ветру. Побочным продуктом описанной окислительно-восстановительной реакции с использованием ильменита окажется чистое железо!
Таковы, если кратко, уже известные на сегодняшний день сырьевые ресурсы Луны. Как видим, здесь весьма подходящее место для размещения тяжелой промышленности. Но едва ли не большее значение имеет Луна для науки. На ее поверхности лежат, дожидаясь исследователей, ответы на многие фундаментальные вопросы, связанные с происхождением Земли и всей Солнечной системы.
Итак, поверхность Луны можно сравнить с дощечками для письма, на которых миллиарды лет оставили таинственные знаки. Эти знаки уцелели потому, что находятся практически в безвоздушном пространстве. Их не искажала, не переписывала заново неуемная, с точки зрения геологов, биосфера. Очень здорово, что Луна — это мертвый шар. На ней практически без изменений сохранились породы, имеющие возраст 4,0-4,5 миллиарда лет. Это не намного меньше возраста Солнца и планет. Детально изучив геологическое (простите, селенологическое) строение Луны, мы сможем представить, какою Земля была в молодые годы.
И здесь сыграет роль не только принцип подобия (древняя Земля — современная Луна). В законсервированной «лунотеке» вполне могут оказаться и «дощечки» с Земли. В ту пору, когда наша планета переживала катаклизмы, когда ее поверхность была изъедена оспинами-кратерами, выбросы расплавленных пород могли преодолевать земное притяжение и в конце концов, после продолжительного космического полета, попадать на Луну.
Ну а история Солнца? Она тоже должна быть отражена в каменной летописи. Каким бы ни был слабым солнечный ветер, он оставляет ощутимые следы на поверхности Луны. Ее покров испещрен микроскопическими порами — треками, оставленными потоками заряженных частиц, по числу которых (соответственно, имея набор образцов пород разного возраста) можно узнать, как изменялась солнечная активность за последние 3-4 млрд. лет.
Думается, никого больше не нужно убеждать в том, что Луну осваивать стоит. Тем более что международный проект, коль скоро он будет разработан и осуществлен, послужит и укреплению доверия, сотрудничества между народами — звездному миру без звездных войн.
Давайте пофантазируем, попробуем представить, как будет возникать поселение на Луне.
С чего начать? Разумеется, с выбора места для базы. Она может располагаться, например, на западной окраине Океана Бурь, вблизи экватора Луны.
В этом случае, во-первых, будут минимальными энергетические затраты при выводе космических кораблей с Луны на селеноцентрическую или гелиоцентрическую орбиту. Во-вторых, на равнинной морской поверхности будут относительно безопасными взлет и посадка автоматических и пилотируемых аппаратов. Наконец, именно в морских районах наиболее вероятны места скопления ильменитовых базальтов, из которых, как мы уже говорили, можно извлекать кислород.
«Запеленговать» месторождения ильменита можно прямо с Земли, при помощи обычного телескопа. Это наиболее темные участки поверхности Луны с характерным спектром.
Окончательный выбор места для создания лунной базы будет сделан после анализа информации, которую передадут искусственные спутники Луны, имеющие на борту высокоточную аналитическую аппаратуру.
В район высадки отправится десант самоходных автоматических аппаратов, прямых потомков хорошо знакомых нам «Луноходов». Они будут методически, квадрат за квадратом обследовать местность, составляя карту рельефа, отбирая образцы пород для последующего химического анализа.
Затем на очереди — доставка на Луну временных жилых модулей. Ими могут стать отслужившие свой век космические корабли и даже переоборудованные баки из-под топлива. Словом, те же, только в герметическом исполнении «вагончики» — удел всех первопроходцев и первопоселенцев, (см. 1-ю страницу обложки).
Для защиты от радиационного и теплового солнечного излучения «вагончики» необходимо присыпать слоем грунта толщиной от 2 до 5 м. Как это легче сделать? Нужно подыскать метеоритную воронку небольшого диаметра (их на Луне очень много), опустить в нее модуль и закопать его с помощью мощного бульдозера-лунохода словно клубень в лунке.
Промышленные автоматы для переработки грунта также будут привезены на Луну еще до прибытия персонала базы. К тому времени, когда на посадочную площадку опустятся пилотируемые корабли с первой сменой монтажников и наладчиков, на Луне уже будут накоплены достаточные запасы кислорода и воды.
Питание поселенцам обеспечат лунные оранжереи. В них под куполами из толстого свинцового стекла, поглощающего радиацию, будут произрастать сельскохозяйственные культуры.
 Проекты освоения Луны широко обсуждаются в мире. Так, один из ведущих разработчиков долгосрочных планов НАСА Джеско Путткамер считает, что наступает время, когда все силы необходимо сосредоточить на обживании или, как он выразился, колонизации Луны. Ему возражает Харрисон Шмитт, который побывал на Луне в 1972 году, и, очевидно, в значительной степени потерял к ней интерес. Он ратует за отправление в начале будущего века экспедиции на Марс и предлагает использовать естественный спутник Земли лишь в качестве полигона для подготовки к этому знаменательному событию. Шмитта поддерживает известный астроном Карл Саган. Он высказывает опасение, что «колонизация» Луны задержит полет на Марс, который с познавательной точки зрения считает намного важнее. У НАСА еще нет собственной лунной программы, равно и официальной оценки тех или иных «доморощенных» проектов. Тем не менее разработка планов освоения Луны и ближних планет всячески поощряется. О возможном сроке появления базы на Луне высказываются очень осторожно. Но чаще других называют цифру — 2007 год. Стоимость различных проектов находится в пределах от 35 до 90 млрд. долларов. Если разделить эти суммы на время финансирования, то среднегодовые затраты будут сопоставимы с теми, которые уходили на осуществление такого крупного проекта НАСА, как «Шаттл». Впрочем, трезвомыслящие люди не обольщаются относительно скромными (или, во всяком случае, не чрезмерно высокими) цифрами. Как известно, космический челнок (Спейс-Шаттл) пользуется особым вниманием и покровительством Пентагона. А что дозволено Юпитеру... При острой конкуренции со стороны программы «звездных войн» мирной Луне может не достаться даже 2-3 миллионов в год на техническую документацию. Группа западноберлинских ученых, потеряв надежду на заокеанских коллег, разработала оригинальный проект освоения Луны. Он предусматривает транспортировку на поверхность нашей космической соседки огромных, 60-метровой высоты, многоугольных пирамид, каждая из которых — это жилой блок и одновременно космический корабль. Несколько пирамидок образуют целое поселение. Его жители займутся добычей и переработкой полезных ископаемых. «Космические индейцы», как их окрестили журналисты (вероятно, потому, что пирамидки похожи на вигвамы), посвятят свою жизнь благороднейшей задаче — спасению человечества от надвигающегося энергетического кризиса. Они построят из лунных материалов гигантские космические электростанции, которые будут преобразовывать солнечное излучение — оптическое — в микроволновое и с помощью лазерного луча передавать приемным устройствам на Земле. |
Уже доказано, что земные растения могут успешно развиваться на лунном грунте. Более того, многие из них растут (разумеется, при наличии воды и удобрений) интенсивнее, чем в привычных условиях.
Если «теплицы» будут достаточно большими, их продукции хватит и на животных. Тогда космонавты смогут разнообразить вегетарианскую диету свежим мясом, например крольчатиной. На каждую пару зверьков понадобится всего 2 м2 плантации.
А как быть с электрической энергией? Лунные жители будут получать ее с помощью солнечных батарей, но не исключено применение и других устройств, например работающих по принципу термопары. Днем разница температур освещенных и затемненных участков поверхности Луны достигает 300°!
Если привезти на Луну небольшой ядерный реактор, поселенцы будут обеспечены электрической энергией не только днем, но и лунной ночью, которая, как известно, продолжается 2 недели.
Ночью, когда светит полная Земля, фонари на Луне не нужны. Освещенность там примерно такая, какая бывает на Земле в безоблачных сумерках сразу после захода Солнца.
Это существенно облегчит интенсивные строительные работы, которые первое время, судя по всему, будут проводиться на Луне и днем и ночью. Взамен времянок из местных материалов будут выстроены капитальные сооружения, удобные и безопасные для обитателей.
Конечно, можно все десантные корабли направлять на Луну непосредственно с Земли. Однако удобнее иметь перевалочную базу в космосе, куда смогут причаливать как земные грузовики, так и юркие лунные катера. Прообразом такой базы служит орбитальная станция «Мир», обладающая 6 стыковочными узлами.
Если перевести космическую станцию на окололунную орбиту, она станет координационным центром всей операции по освоению этого небесного тела. Отсюда на первых этапах, предшествующих строительству лунной базы, будет осуществляться управление луноходами, здесь будут проводиться анализы пород, доставленных из различных районов Луны автоматическими аппаратами, ставиться биологические и другие эксперименты.
Но и потом, после окончания строительства, штаб не утратит своего значения. Он превратится в космический причал Луны. Можно предполагать, что отсюда в неблизком будущем устремятся к планетам Солнечной системы корабли, целиком построенные на Луне. Из чего строить базу на Луне?
В строительно-технологической лаборатории Ассоциации портландцемента (США) под руководством инженера Т. Лина ведется работа по составлению рецептов бетона, основными компонентами которого являются лунная пыль и камни.
Лин считает, что железобетон — идеальный строительный материал для сооружений в космосе. Он достаточно крепок, чтобы противостоять ударам микрометеоритов, хорошо поглощает радиацию и обладает весьма низкой теплопроводностью. Для придания железобетонным корпусам герметичности Лин предлагает покрывать их изнутри слоем эпоксидной смолы.
«Бетонокосмические» исследования начались в 1969 году, после того как НАСА выделила лаборатории 40 г грунта из доставленного астронавтами с поверхности Луны.
Анализ показал, что лунные породы подходят для создания лучших марок бетона. Так, важнейшая составная часть портландцемента — оксид кальция. Лунная порода анортозит содержит до 20% этого вещества. Годятся для производства бетона и силикаты, окислы алюминия, которые в избытке встречаются на Луне.
Лунный бетон обещает быть суше земного. До ¾ его объема могут составлять наполнители. Но даже самому экономичному, самому сухому бетону нужна вода. Как мы уже знаем (см. статью «Обитаемая база на Луне»), воду можно получить из лунного грунта, а побочным продуктом (при нагревании минерала ильменита — FeTiO3 до высоких температур) является восстановленное железо, из которого можно изготовлять арматуру.
Таким образом, все составные части железобетона можно добыть на Луне.
Температурные испытания лунобетона показали, что он не снижает физико-механических свойств в диапазоне от -120°С до +130°С. А при низких температурах его прочность даже возрастает.
Проект лунной станции иэ бетона.
Уже сегодня они находят применение на Земле. В частности, и в таком, казалось бы, прозаическом деле, как производство бетона.
Качество затвердевшего цементного камня тем хуже, чем больше в нем оказывается пор. В их появлении в первую очередь повинна избыточная влага. Когда вода, не вступившая в химическую связь с цементом, испаряется, в бетоне, как в хорошем сыре, образуются пустоты.
 Схема вакуумной установки для производства бетона. На рисунке: 1 — бункеры шлюзы для ввода исходных компонентов; 2 — смеситель; 3 — бетоноукладчик с вибронасадками; 4 — форма, находящаяся во входной шлюзовой камере; 5 — форма, в которую укладывается бетонная смесь; 6 — вибропригруз, 7 — форма в выходной шлюзовой камере; 8 — вакуумная часть установки. |
В конце концов в раствор можно добавлять поменьше воды, а для придания ему необходимой вязкости использовать поверхностно-активные вещества — пластификаторы. Однако, кроме воды, у бетона есть и другой враг — воздух. При перемешивании раствор неизбежно «газируется». Пластификаторы еще больше вовлекают воздух. Объем газовой фазы в — мелкозернистых (песчаных) бетонах может доходить до 10% и более.
Получается порочный круг. Как быть? Как избавиться от коварных пузырьков, которые значительно снижают прочность бетона?
На кафедре технологии вяжущих веществ МИСИ имени В. И. Куйбышева разработана технология производства бетона, по которой он формуется в... вакууме. Вернее, при пониженном давлении — порядка 0,1 атм. Теперь пузырьки воздуха, попадающие в бетонное тесто, «слабо накачаны», и когда еще не затвердевшая форма вынимается из барокамеры, вдесятеро большее атмосферное давление заставляет их схлопываться до микроскопических размеров. Бетон становится практически монолитным, быстрее затвердевает.
В институте уже работает опытная установка.
Если когда-либо на Луне появится бетонный завод, на нем проще всего будет освоить именно «вакуумную» технологию. Только вести процесс будут, разумеется, иначе. Вместо барокамеры с насосом для откачки воздуха — изолированное от внешней среды помещение, где создается низкое, 0,1 атм и меньше, давление. (К сожалению, в полном вакууме, так сказать в естественных лунных условиях, формовать бетон нельзя. Вода там не может находиться в жидком состоянии. Она либо замерзает, либо обращается в пар.)
Закончив формовку бетонного изделия, один из рабочих откроет вентиль газового баллона, и помещение заполнится воздухом. А может быть, для экономии дефицитного газа готовые детали будут просто переносить в жилые помещения, где поддерживается высокое давление? Бережливость — прежде всего.
Чем отличается научный прогноз от фантастического вымысла? Детальной продуманностью, тщательным учетом всех факторов и возможных последствий. И прежде всею (если речь идет о каком-либо проекте) — высокой вероятностью осуществления.
Мы познакомили вас с некоторыми конкретными предложениями специалистов по освоению Луны. Однако затронутая тема столь обширна и многообразна, что все продумать и предусмотреть ученые, конечно же, не смогли.
Быть может, у наших читателей появятся собственные идеи и предложения, которые дополнят разработки ученых?
Но предупреждаем: здесь нужна не только неисчерпаемая фантазия, но и глубокие знания по существу предмета.
Присылайте нам заметки, где будет рассказываться (и аргументированно доказываться справедливость того или иного утверждения) о возможных вариантах строительства лунной базы, технологических процессах и уже созданных промышленных установках, которые в силу тех или иных причин целесообразно использовать на Луне, а также рациональных системах жизнеобеспечения космонавтов и т. п.
Может быть, подумать и о новых «незаезженных» сюжетах научно-фантастических произведений, связанных с лунной тематикой?