Лунные рудокопы особенно ликовали на этой неделе, когда ученые заявили, что нашли убедительные доказательства существования водяного льда на поверхности Луны. Там гораздо больше льда, чем мы думали, и теперь мы точно знаем, где именно он лежит. Это может существенно упростить добычу воды в будущем.
Задолго до этого открытия ученые пытались найти любую воду, которая могла прятаться на поверхности Луны. Это ресурс, который будет невероятно ценным для будущих долгосрочных миссий на Луне, поскольку вода необходима для жизни здесь, на Земле. Ее можно перерабатывать в лунной среде обитания или использовать для питья или купания. Также с ее помощью можно было бы выращивать растения, необходимые для питания будущих лунных жителей.
Возможно, самое большое и непосредственное применение для лунной воды — это ракетное топливо. Основные компоненты воды — водород и кислород — два самых важных материала, из которых делают топливо для ракет. И если делать ракетное топливо из воды на Луне, можно было бы здорово сэкономить на проведении амбициозных миссий в космосе. На данный момент, ракеты, покидающие Землю, должны переносить все топливо, которое им нужно, с собой. Но с использованием лунного льда ракеты могли бы заправляться, находясь уже в космосе, и достигать более далеких мест за меньшие деньги.
Неужели вода лучше нефти?
«Идея заключается в том, чтобы создать своего рода цепочку поставок, запущенную за пределами Земли, для определенных продуктов — в частности, для воды в качестве составляющей топлива — чтобы было намного легче перемещаться в космосе с одного тела на другое», говорит Джули Бриссе, научный сотрудник Космического института Флориды.
Доставить что-то в космос — всегда дорого. Если вы хотите, чтобы ваш спутник вырвался за пределы земной гравитации, вам понадобится много топлива для вывода на орбиту. По сути, большая часть веса, который несет ракета при запуске, приходится на топливо. И чем глубже в космос вы уходите, тем больше вам нужно топлива. Больше энергии нужно, чтобы оторваться от притяжения планеты. Поэтому миссии в глубокий космос становятся все дороже, потому что ракета нужна большая и топлива нужно много.
Но что, если вместо того, чтобы брать топливо на Земле, вы могли бы заправлять бак топливом, которое уже имеется в космосе? Тогда миссии в глубокий космос стали бы такими же обыденными, как поездки из одного города в другой. «Просто представьте, что вам нужно было выехать из Денвера, а на пути не было никаких заправок, и вам пришлось бы везти с собой бензин аж до Нью-Йорка», говорит Джордж Сауэрс, профессор Колорадской школы шахт и бывший вице-президент United Launch Alliance. «Вы точно не повезете все это в машине. Придется брать прицеп». Вот почему идея лунных разработок так будоражит ум. Воду на Луне можно было бы добывать, разбивать на ракетное топливо и переносить либо на окололунную, либо на низкую околоземную орбиту. Ракетам не нужно быть больших размеров, чтобы возить все топливо с собой. Они просто могли бы стыковаться с заправочной станцией и заправляться для дальних поездок.
Перевозка топлива с Луны в другие места в космосе будет намного дешевле, чем транспортировка с Земли. На Луне одна шестая гравитации Земли, а значит и энергии нужно меньше, чтобы оторваться от поверхности. Не так давно Сауэрс провел анализ стоимости перевозки лунного топлива в разные места в космосе. Доставка лунной воды на низкую околоземную орбиту, например, дешевле, чем посылать ее с Земли, хотя наша планета ближе. «Если вы собираетесь использовать это топливо на низкой околоземной орбите, экономия будет 20-30 процентов, если использовать лунное топливо вместо земного», говорит Сауэрс.
Ученые фантазируют о том, чтобы превратить лунную воду в ракетное топливо, уже несколько десятилетий, с тех пор как появились свидетельства о пригодности лунных полюсов для разработки льда. В 1994 году совместное исследование NASA и американских военных под названием Clementine показало, что вода существует в кратерах на лунных полюсах. Эти места никогда не видят света Солнца и никогда не достигают температур выше -250 градусов по Фаренгейту. Несколько миссий на Луну с тех пор подтвердили, что вода может быть в этих местах. В 2009 году NASA уронило космический аппарат LCROSS в кратер на южном полюсе Луны, чтобы посмотреть, какие материалы выбросит удар. Было обнаружено, что в выбросе было 5% воды.
Однако опубликованное на этой неделе в PNAS исследование показывает, что некоторые области Луны могут быть утоплены в воде. Ученые из Гавайского университета и Университета Брауна проанализировали данные, собранные индийским аппаратом «Чандранаян-1», который отправился к Луне в 2008 году. Используя один из инструментов аппарата, они смогли обозначить области льда на Луне, измеряя отражательную способность воды. Также они просмотрели эти места в инфракрасном свете и определили, что вода приняла форму льда, а не жидкости или пара. Они не только подтвердили, что водный лед присутствует на поверхности Луны, но и что некоторые области на земле состоят на 20-30 процентов из льда. В зависимости от того, как глубоко уходит лед под поверхность, можно было бы наметить места добычи компонентов для ракетного топлива.
«Нам не нужно добывать все и сразу», говорит Фил Метцгер, планетарный физик из Университета Центральной Флориды. «Нам нужно несколько мест повышенной концентрации, чтобы иметь достаточное количество воды для обеспечения всех потребностей космического транспорта в течение следующих 30 лет».
Топливное депо на низкой околоземной орбите открывает новые возможности для проведения миссий в космосе. К примеру, можно было бы построить космический буксир — ракету, которая находится в космосе, заправляясь снова и снова, и отвозит спутники в нужный пункт назначения. Сейчас спутники, который выводятся на высокую орбиту, тратят от полугода до года на то, чтобы медленно подниматься выше при помощи бортовых двигателей. За это время они не могут выполнять свою работу и не приносят денег. Но с космическим буксиром спутники можно было бы развертывать на более низки орбитах при помощи небольших ракет, а затем использовать космический буксир для доставки спутников на нужную орбиту всего за несколько дней. Это сохранило бы операторам спутника деньги: им не пришлось бы запускать большую ракету, чтобы доставить свой груз в космос, и у них было бы больше времени, чтобы поработать со своим спутником.
Так что да, лунная вода как топливо это круто, но начать ее добычу будет нелегко. Во-первых, нужно провести обширную разведку. Благодаря исследованию PNAS, ученые по сути создали карту, показывающую, где искать самые сочные участки с водным льдом на лунных полюсах. Следующим шагом будет отправка посадочных модулей и луноходов для поиска лучших участков. Ученые пока не знают, в какой форме лед — в форме слякоти, смешанной с льдом, или в форме твердых блоков, смешавшихся с другим материалом поверхности. «Мы знаем, как спроектировать оборудование для его извлечения. Мы просто не знаем, какое оборудование использовать», говорит Метцгер.
Одна идея состоит в том, чтобы выкапывать лунную почву с помощью экскаватора, который отправляет материал в обработчик. Обработчик отделяет лед от почвы в процессе нагрева и разбивает воду на базовые составляющие при помощи электричества. Часть получаемого топлива затем используется для запуска остальной воды с Луны на транспортном средстве в топливное депо.
Конечно, все это будет дорого. «Все сводится к анализу затрат», говорит Метцгер. «Дешевле ли запускать ракетное топливо с Земли или же дешевле запустить оборудование в космос один раз, а затем поддерживать это оборудование и использовать его для постоянного создания ракетного топлива в космосе?». На основе анализа, проведенного Метцгером, Бриссе и Сауэрсом, они пришли к выводу, что для инвестирования в добычу на Луне потребуется десять лет до выхода в прибыль. Но поскольку лунная добыча дело рискованное, возможно, венчурные капиталисты не захотят активно участвовать в этом деле.
Именно поэтому команда предполагает, что NASA должно участвовать в частичном финансировании ранних разработок в области горного дела. Таким образом, коммерческие инвесторы с большей вероятностью будут сотрудничать с авторитетным агентством, которое сможет понести часть расходов.
NASA не будет оказывать услугу инвесторам: космическое агентство предположило, что каждый год может требоваться до 100 метрических тонн топлива, чтобы заправлять аппараты, покидающие лунную поверхность с базы. Если все это запускать с Земли, потребуется порядка 3,5 миллиардов долларов в год. Экономия за счет создания лунного топлива сделает миссии на Луну и Марс дешевле. «Миссии на Марс стали бы дешевле и все, что мы делаем за пределами Земли, тоже», говорит Сауэрс. Например, использование лунного топлива для дозаправки ракет снизило бы стоимость полета на Луну с Земли в три раза, считает Сауэрс. Это важно, учитывая, что NASA собирается провести миссию с участием людей на Луну снова.
«Я много лет говорил, что вода — это нефть космоса», говорит Сауэрс и добавляет: «Если в планах NASA создание постоянного человеческого поселения на Луне, первое, что нужно сделать NASA, это построить производственный объект для топлива».
