Из чего лучше всего строить посадочные площадки на Луне?
В ближайшем будущем NASA, Европейское космическое агентство (ЕCА), Китай и Роскосмос планируют полеты на Луну с экипажем. Это будет первое посещение людей естественного спутника Земли со времен миссии Аполлон. Но в отличие от «Лунной гонки», цель этих программ не в том, чтобы добраться туда первыми и оставить после себя лишь несколько экспериментов и посадочных аппаратов, а в том, чтобы установить устойчивое присутствие человека на лунной поверхности. Это означает создание на поверхности и на орбите среды обитания, которую смогут использовать сменяемые экипажи.
В то время как НАСА и другие космические агентства намерены максимально использовать местные ресурсы — процесс, известный как использование ресурсов на месте (ISRU), — создание лунных баз по-прежнему потребует доставки с Земли большого количества материалов и оборудования. В недавнем исследовании Филип Метцгер и Грег Отри рассмотрели стоимость и энергопотребление строительства посадочных площадок на лунной поверхности. Рассмотрев различные методы строительства, они пришли к выводу, что сочетание аддитивного производства и инфузии полимеров является наиболее эффективным и экономически выгодным способом.
В своем исследовании Метцгер и Отри рассмотрели различные методы строительства посадочных площадок на лунной поверхности. Каждый метод оценивался по трем основным факторам: необходимость доставки большого количества груза с Земли, уровень потребления энергии на лунной поверхности и время, которое потребуется для завершения строительства. Каждый из этих факторов (прямо или косвенно) вносит свой вклад в общую стоимость лунной деятельности.
По теме
Миссия «Аполлон»: Где сейчас находятся лунные камни?
Среди своих выводов Мецгер и Отри определили, что две переменные являются наиболее важными при оценке методов строительства в космосе: транспортные расходы и задержки, связанные с процессом строительства.
Кроме того, они обнаружили, что толщина площадок, тепловая среда (которая различается между внутренней и внешней площадкой) и частота запуска ракет также были важными факторами в установлении практических ограничений на время строительства. Короче говоря, экономическая эффективность каждого метода сводится к стоимости за килограмм запуска полезной нагрузки и скорости строительства. Они рассмотрели несколько вариантов, основанных на потребностях в энергии и на том, как они будут меняться в зависимости от тепловой среды.
В частности, были рассмотрены последние инновации в аддитивном производстве (3D-печать) и использование ресурсов на месте, которые уже много лет являются предметом исследований NASA и ЕSА. При адаптации к лунной поверхности методы включают нагрев реголита микроволнами для создания расплавленной керамики (также известной как «спекание»), которая затем распечатывается и затвердевает при контакте с безвоздушной лунной средой, или добавление к реголиту связующего вещества (например, цемента или полимера) для изготовления «лунного бетона».
Одни методы требуют огромного количества энергии, что требует тяжелых энергетических систем на Луне. Другие – требуют многих тонн связующего вещества, доставляемого с Земли за большие деньги. Третьи – очень, очень медленные процессы. Исследователи решили посмотреть, как эти различные факторы соотносятся друг с другом, если рассматривать их с экономической точки зрения.
Все было переведено в реальные затраты: стоимость транспортировки с Земли; стоимость энергии, доставленной на Луну; потеря экономической ценности – если строительство будет продолжаться слишком долго. Сложив все воедино, уже можно будет сделать выводы: какие методы строительства обеспечивают наилучшую ценность для лунных операций.
Так, было рассчитано, что микроволновое спекание обеспечивает наилучшее сочетание низкой массы и высокой скорости по сравнению с другими методами. Особенно это касалось строительства внешней, высокотемпературной зоны лунной посадочной площадки (там, где происходят взлеты и посадки ракет). Этот метод также является наиболее выгодным для строительства внутренней низкотемпературной зоны, если транспортные расходы очень высоки.
Базовый лагерь программы «Артемида» в представлении художника.
Изображение: NASA
Обнаружилось, что стоимость строительства посадочной площадки в рамках программы NASA Artemis («Артемида») примерно такая же, как стоимость космического корабля класса NASA Discovery (300 миллионов долларов). Это ничтожная стоимость по сравнению со многими другими элементами программы пилотируемых космических полетов. За эту стоимость программа создаст первый постоянный объект, построенный на другой планете, а также доставит на Луну роботов-строителей, для выполнения таких задач, как строительство среды обитания человека.
В дополнение к базовому лагерю «Артемида» ЕСА планирует создать постоянную базу, известную как Международная лунная деревня. Будучи духовным преемником Международной космической станции (МКС), эта база будет предназначена для размещения сменных экипажей, длительного пребывания и проведения научных операций на Луне. Не так давно представители китайской и российской космических программ собрались вместе, чтобы объявить об общем видении лунной базы — Международной лунной исследовательской станции (ILRS).
В преддверии грядущей эры исследования Луны, космические агентства продолжают исследовать технологии, которые позволят осуществлять рентабельное строительство на Луне. Например, производственный процесс использования ресурсов на месте, известный как система адаптивной модификации реголита. Этот процесс направлен на создание инфраструктуры на ранней стадии, которая облегчит транспортировку оборудования для для спекания или полимеризации.
Уже существует и концепция лунной посадки включающая в себя процесс, известный как бортовой метод напыления глинозема (FAST), при котором посадочный аппарат впрыскивает частицы алюминия в сопла своих двигателей для создания собственной посадочной площадки, что также смягчает проблему поднятия лунной пыли.
В этом и следующем десятилетии человечество вернется на Луну, на этот раз, чтобы остаться. Не только несколько космических агентств отправят астронавтов, но и коммерческие партнеры будут привлечены для предоставления услуг по транспортировке полезной нагрузки и экипажей. Лунные туристы и даже поселенцы могут в конечном итоге последовать за ними, что приведет к постоянному присутствию людей и первому поколению появившемуся на Луне.
Многонациональные усилия способствуют развитию инноваций в различных секторах экономики и позволяют найти применение им для жизни здесь, на Земле. В конце концов, если мы хотим, чтобы люди смогли преодолеть экологическую проблему, с которой мы сталкиваемся на Земле, и жить в космосе, нам необходимо быть изобретательными.