Когда и зачем потребуется нам лунное производство? Начнем с наиболее простых примеров. В настоящее время привычной и даже обыденной стала длительная деятельность космонавтов на низких околоземных орбитах. Но в ближайшем будущем начнется длительная работа экипажей орбитальных станций, расположенных на высоких орбитах. Выйдя за пределы радиационных поясов Земли, жители «эфирных поселений» окажутся беззащитными перед солнечным и космическим излучением. Короткие экскурсии на Луну не требовали особых средств противорадиационной защиты - суммарная доля полученной радиации была мала. Но когда вахта на высокой орбите будет длиться многие месяцы, потребуется создание более надежных, следовательно, и более массивных защитных экранов.
Подобному экрану для космической станции нового поколения потребуется от 80 до 90 т дополнительного материала. Чтобы доставить этот груз с Земли, придется произвести несколько запусков грузовых ракет. При этом следует учесть, что речь идет не о каком-то продукте сложного технологического процесса, а о массе самого простого, примитивного вещества, поглощающего радиацию, - вроде песка или цемента. Можно ли считать подобные транспортные операции рациональными?
Если сравнить стартовый вес космических систем и массу выводимых ими на орбиты объектов, можно убедиться, что по объективным причинам КПД у них несравненно хуже, чем у паровоза, - ведь основные усилия уходят не на перемещение груза, а на то, чтобы разорвать путы земного притяжения. Поэтому полезная нагрузка в космических системах, стартующих с Земли, занимает очень малую долю общего начального веса.
Для ракеты-носителя «Восток» доля полезного веса составляла примерно 1,7%. Более совершенная ракета «Союз» выводит на орбиту груз, составляющий около 2,3% от стартовой массы. Полезная нагрузка транспортных космических кораблей многоразового использования «Спейс Шаттл» не превышает 1,5%.
А вот с поверхности Луны старты космических ракет оказываются гораздо эффективнее. Сила тяжести на Луне составляет всего лишь 1/6 земной. Вывод груза на высокую околоземную орбиту потребует в 20-30 раз меньших усилий, чем та же операция с Земли. Например, если бы с Луны стартовала ракета-носитель «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.
Если к этому добавить, что лунный грунт обладает всеми необходимыми свойствами противорадиационного защитного материала, экономические и технологические выгоды использования лунного вещества для экранирования космической станции на высоких орбитах становятся очевидными.
Но подобные старты с Луны станут возможны лишь после того, как там появится собственная ракетно-космическая индустрия.
Среди перспективных направлений развития космической техники часто называют создание на высоких орбитах гигантских солнечных энергетических установок. Параболические зеркала площадью в сотни квадратных километров смогут отражать на Землю значительное количество солнечной энергии. Возможно, что вокруг Земли будет вращаться целая система искусственных солнц, преобразовывая в экологически безупречно чистую энергию излучение нашего светила.
И опять расчеты показывают, что без использования лунных ресурсов, без лунной индустрии подобные проекты осуществить не удастся. Самым рациональным было бы отдельные элементы конструкций производить непосредственно на Луне, а затем с помощью небольших ракет доставлять на монтажную орбиту.
Процесс транспортировки грузов и создание самого лунного индустриального комплекса, а также его эксплуатация существенно упростятся, если и здесь широко использовать местные лунные ресурсы. Анализ показывает, что во всех четырех направлениях, в которых придется действовать создателям лунной базы - транспорт, системы жизнеобеспечения и энергообеспечения» строительство, - можно эффективно использовать местные ресурсы.
При создании лунной базы самая первая задача заключается в разработке транспортных ракетно-космических систем, пригодных для доставки значительных грузов на лунную поверхность с наименьшими затратами. Согласно одному из технических проектов первая очередь лунной базы потребует доставки на Луну 125 т полезного груза. Комплекс включает три жилых модуля. установку для получения газов (прежде всего кислорода) из местных материалов, установку для экскавации и транспортировки лунного вещества в промышленных целях и, конечно, энергетическую установку ядерного типа.
Рис.3. Полярная подповерхностная база снабжаемая энергией солнечного света от гелиостата
[ JPEG 700x505]
Наиболее мощная из существующих сегодня в мире ракет-носителей - советская ракетно-космическая система «Энергия» - способна доставить на Луну несколько десятков тонн полезного груза за один рейс. Следовательно, с помощью небольшого числа таких запусков можно обеспечить все необходимые транспортные операции между Землей и Луной на начальном этапе строительства лунной базы.
В начале работ на Луне энергетика будет обеспечиваться установкой, доставленной с Земли. Но затем необходимо обратиться к самому естественному источнику энергии - солнечному излучению.
На Земле солнечная энергетика наталкивается на многие ограничения: атмосфера, облачность, сезонные изменения погодных условий и т. д. Но на Луне подобных трудностей нет. Солнечные установки могут работать с наибольшим эффектом в течение всего двухнедельного по продолжительности дня. А в полярных областях принципиально возможны варианты конструкций беспрерывно работающих гелиоэлектростанций.
Как известно, большие надежды на решение энергетической проблемы в будущем возлагаются на управляемые термоядерные реакции. В основе этих процессов лежит реакция синтеза ядер, обладающая эффективным выделением энергии при малых эксплуатационных затратах и практическим отсутствием радиоактивных отходов.
Одна из таких реакций заключается в слиянии ядер дейтерия и изотопа гелий-3. На Земле данный изотоп встречается крайне редко. Специалисты оценивают его доступные запасы чрезвычайно малой величиной - около 500 кг.
На Луне же в течение четырех миллиардов лет лунный грунт, как губка, «впитывал» гелий-3, приносимый солнечным ветром. Теоретические оценки и результаты анализа образцов лунного грунта показывают, что в первых пяти метрах раздробленного слоя реголита накопилось порядка миллиона тонн гелия-3. Такого количества ядерного топлива хватило бы на обеспечение электроэнергией не только лунной базы, но и всего человечества на протяжении 5 тысяч лет.
Согласно экономическим оценкам отдача от утилизации лунных запасов гелия-3 многократно окупит все затраты по созданию лунной базы.
Солнце насытило лунный поверхностный слой и другим весьма ценным продуктом, водородом, который можно использовать как компонент ракетного топлива или для получения воды. Считается, что в каждом килограмме верхнего рыхлого вещества Луны содержится около 50 г водорода.
Другой возможный продукт промышленной переработки реголита - кислород. Этот элемент имеется на Луне в достаточных количествах, поскольку лунное вещество находится в окисленном состоянии.
Отвердевшие породы коры и мантии Луны состоят из распространенных и на Земле силикатов. Темные пятна морей - это породы, близкие по составу к земным базальтам. Светлые области материков в основном состоят из пород, весьма схожих с земными анортозитами. Это камни серого цвета с высоким содержанием алюминия. Геологи нередко находят их в разломах земной коры. Основные лунные минералы - пироксен, плагиклаз, ильменит и оливин также хорошо знакомы на Земле, поскольку содержатся практически в любом речном песке.
Разумеется, у лунных пород есть свои отличия. Если окислы кремния, магния, кальция и алюминия входят в лунные минералы в тех же пропорциях, что и на Земле, то окислов железа и титана относительно больше. В лунных морских базальтах, например, содержание окислов железа превышает 25%. В земных базальтах, как правило, в два раза меньше. Доля окислов титана доходит иногда до 13%. На Земле всего лишь 2%.
Бомбардировка Луны метеоритами в течение сотен миллионов лет привела к тому, что ее поверхностный слой на глубину до 10 метров находится в раздробленном состоянии. Это облегчает добычу и транспортировку лунного грунта к месту переработки. Отпадает необходимость в применении специальной техники для горнорудных разработок.
Самые общие подсчеты показывают, что в лунном карьере размером 100х100 м и глубиной 10 м (объем рыхлого вещества в естественном залегании) содержится значительное количество различных материалов.
Не останавливаясь пока на вопросах технологии извлечения из лунного грунта определенных материалов, можно сказать, что такой карьер обеспечит получение около 40 тыс. т кремния, пригодного, например, для изготовления ячеек солнечных батарей. Этого количества охватит для кремниевых фотоэлектрических преобразователей общей площадью примерно 12 км2. При современной эффективности типовых солнечных батарей такая телиоэлектростанция по мощности будет равна, например, Ново-Воронежской АЭС или в 3 раза превысит мощность Днепрогэса.
Лунный карьер может дать 9 тыс. т титана для изготовления несущих конструкций высокой прочности и долговечности. Для производства электроарматуры или других элементов космических сооружений на Луне и в окружающем космосе в карьере «найдется» от 15 до 30 тыс. т алюминия и от 5 до 25 тыс. т железа. К этим материалам добавится еще некоторое количество маг-ния, кальция, хрома и других химических элементов. Наконец, из того же объема лунного реголита можно экстрагировать от 80 до 90 тыс. т кислорода. Добываемый кислород можно использовать в системе жизнеобеспечения самой лунной базы, в различных технологических процессах и в качестве одного из компонентов ракетного топлива.
Сам же лунный грунт в целом может послужить отличным материалом для получения лучших марок бетона.
Не располагая сегодня достаточно полной информацией о природе и всех ресурсах нашего спутника, мы видим лишь верхушку айсберга, по которой можно составить только самые приблизительные представления о возможностях использования этих ресурсов.
Нам предстоит научиться добывать лунные богатства. Пока еще нет полностью разработанных и практически апробированных технологий для извлечения продуктов, находящихся в лунном веществе в связанном состоянии. Такие специфические технологии предстоят создать.
Предполагается, что в процессе завершающей фазы изучения Луны новым поколением автоматических аппаратов (примерно в 1997 г.) на окололунную орбиту будет выведен спутник с телескопом на борту для окончательного выбора места первой очереди лунной базы. Спутник может иметь круговую орбиту высотой около 4 тыс. км с периодом обращения вокруг Луны 10,8 ч. Основная программа - исследования дистанционными, астрофизическими методами с помощью космического телескопа химического состава и структурных особенностей поверхностных пород с оценкой их стратиграфии и возможного генезиса.
К 2000 г. можно предположить завершение выбора места будущей лунной базы. Транспортная система нового поколения доставит на лунную поверхность первый экипаж из четырех астронавтов для предварительной разведки непосредственно на поверхности. С 2002 г. можно планировать начало детальных исследований лунных пород на месте с участием астронавтов-геологов, с тем, чтобы в 2005 г. организовать промышленное производство кислорода из лунных материалов.
Технология получения кислорода уже опробована в наземных лабораторных условиях на аналогах лунных пород и непосредственно из лунного грунта, доставленного на Землю предыдущими экспедициями. Оказалось, что наиболее целесообразно использовать для этого лунные базальты с повышенным содержанием ильменита. При нагревании обогащаемых ильменитами пород до 700-1000° под давлением от 1 до 10 атм происходит выделение кислорода, а побочным продуктом этой реакции становится восстановленное железо. Если же в качестве восстановителя использовать водород, то в результате реакции получится вода.
Рис.4. Схема комплексной установки для получения воды и других элементов из лунного грунта термическим путем
[ JPEG 700x346]
Рис.5. Схема промышленной лунной установки для непрерывного производства кислорода обработкой ильменита в присутствии водорода
[ JPEG 700x581]
Опыты показали, что выход кислорода составляет до 10% от исходной массы обрабатываемого вещества.
Фирма «Карботек» (г. Хьюстон, США) по контракту с НАСА разработала проект крупной установки на лунной поверхности для производства кислорода в количествах, позволяющих использовать его в качестве ракетного топлива в двигателях водородно-кислородного типа. В качестве исходного материала предполагается использовать породы, обогащенные ильменитом. В установке происходит процесс экстракции при температурах от 700 до 1200° и давлении 10 атм. Проект рассчитан на 400 т полезной нагрузки для транспортировки на лунную поверхность, из которых 45 т приходится на энергетическую установку мощностью 5 МВт для поддержания процесса экстракции. Такой «кислородный завод» на лунной поверхности должен давать 1000 т кислорода в год.
Если треть добываемого кислорода использовать в качестве компонента ракетного топлива, то потребуется еще около 40 т водорода в год. Ученые из Вашингтонского университета рассчитали возможность получения такого количества водорода из поверхностной тонкой фракции лунного грунта и предложили проект соответствующего комплекса.
При типичном содержании водорода в верхнем рыхлом слое грунта (в результате насыщения частицами солнечного ветра), равном 50 микрограммам на грамм природного реголита, необходимо перерабатывать 6700 т тонкой фракции в день, если основываться на солнечной энергетике, и ограничить продолжительность активной работы установки 120 сутками в год. Остальное время приходится на ночь, утренние и вечерние часы, когда отдача от гелиоустановки не будет максимальной.
Каким образом можно перерабатывать несколько тысяч тонн грунта в день? Предлагается «передвигать» весь комплекс со скоростью 6 км/ч при глубине обработки грунта до 1 м. Принцип работы установки заключается в нагревании массы исходного материала (от солнечного коллектора) до 700° при давлении до 10 атм. При этом из лунного вещества выделятся и другие газы. Наиболее эффективная технология - сжигание полученной из реголита смеси газов в лунном кислороде с последующим отделением воды. Предполагается, что наиболее целесообразно хранить и транспортировать полученный продукт в жидком виде с последующим применением электролиза для разделения кислорода и водорода непосредственно перед использованием.
В Висконсинском университете разработан проект другого завода-автомата передвижного типа для получения упомянутого выше изотопа гелия-3. В передней части добывающего агрегата размещается вращающее колесо с ковшами типа роторного экскаватора, которое черпает рыхлый грунт и загружает его в бункер, где происходит обработка. В основном модуле этого завода около 800 т грунта с помощью микроволновой техники всего за полчаса нагревается до 650°. Из выделяющейся газовой смеси отбирается гелий-3. По предварительным оценкам продуктивность этого комплекса может достигать 20 кг уникального газа в год.
Одновременно с гелием-3 из нагретого грунта выделяется водород и некоторые другие газы, необходимые для технологических и экологических систем лунной базы.
«Отжатый» грунт возвращается назад на поверхность, а завод продолжает свое движение к новому участку.
В более отдаленной перспективе, по-видимому, станет возможной промышленная переработка лунных пород для извлечения алюминия из анортита или железа и титана из ильменита. Например, предложена схема углеродной обработки расплавленных лунных минералов, в которой каждая ступень основана на известных и широко используемых в земной металлургии процессах. Сюда входит обработка железосодержащих минералов углеродом или углеводородом, кислородное производство стали при восстановлении углерода из окиси углерода, электролиз получаемой воды и коксование углеводорода. Особенностью этой схемы является использование в качестве реагента отходов деятельности лунной базы вместо материала, специально доставляемого с Земли.
Приведенные примеры далеко не исчерпывают все имеющиеся уже сейчас идеи и разработки.
Нетрудно заметить, что основным технологическим процессом во многих случаях является нагревание поверхностных пород до высоких температур. Хотя предполагаются и другие варианты (например, электролиз расплавленных минералов), вероятно, простой нагрев исходного вещества на первом этапе лунной индустрии станет наиболее экономичной и надежной технологией. При этом следует учитывать, что есть доступный источник тепловой энергии - солнечное излучение. На экваторе Луны в середине лунного дня поверхность нагревается до температуры 130-150°. Поэтому использование сравнительно несложных солнечных коллекторов обеспечит в большинстве случаев выполнение заданных технологических процессов.
По мнению большинства специалистов-технологов, природные условия Луны будут способствовать организации на ее поверхности высокопродуктивных технологических процессов. Пониженная гравитация и лунный вакуум облегчат процесс фракционной перегонки. Малая сила тяжести соответственно уменьшит затраты энергии, необходимые для подъема грузов и конструкций.
Глубокий вакуум в естественных условиях предохранит металлы от коррозии даже при высоких рабочих температурах, упростит производство и хранение особо чистых металлов и сплавов.
Обилие на поверхности Луны тонкой пыли может вызвать серьезные проблемы для работы механизмов и оборудования, а также в отношении комфорта и здоровья обслуживающего персонала. Но с другой стороны, лунная пыль явится превосходным сырьем для использования в производстве и материалом для строительных работ. Глубокий вакуум будет способствовать упрощению технологии прессования из лунного сыпучего грунта строительных блоков и сборке из них сооружений различного назначения. Вне зависимости от конкретной конструкции помещений базы блоки из реголита послужат надежной защитой. Как уже установлено, лунный грунт хорошо предохраняет от облучения потоками частиц солнечной и космической радиации.
Рис.6. Модули космических аппаратов после использования по прямому назначению закопанные в лунный реголит могут превратиться в жилые и лабораторные помещения лунной базы
[ JPEG 700x527]
Инженеры-проектировщики лунных сооружений предлагают следующие способы радиационной защиты. Заранее подготовленную опалубку можно заполнить реголитом и уплотнить его любым из механических приспособлений. Можно отдельно изготовленные панели заполнять реголитом уже в процессе сборки самих сооружений. Наиболее простая технология - размещение готовых модулей лунной базы в естественных углублениях (например, небольших кратерах) и засыпка сверху реголитом. Слой реголита в 2-3 м даже без уплотнения значительно снижает радиационную опасность внутри жилого отсека.
Обобщенный анализ специалистов, основанный на современном уровне представлений о природе Луны ч технологических возможностях ее утилизации, приводит к следующему перечню полуфабрикатов и конечных продуктов, производство которых предприятиями лунного индустриального комплекса реально в первые десятилетия следующего века:
- металлические листы и стержни из алюминия, магния, титана, железа и сплавов; панели, балки, проволока; металлический порошок из чистых металлов и сплавов; анодированные металлические изделия и полуфабрикаты: конструктивные узлы из металла и других материалов для сооружения лунных построек и орбитальной космической станции;
- стекло и стекловолокно, керамические изделия и теплоизоляция; различные покрытия, включая отражающие поверхности, из натрия с очень высокой отражающей способностью; теплозащитные и радиационные экраны различного назначения;
- тонкопленочные материалы; кремниевые пластины; фотоэлементы для солнечных батарей;
- контейнеры для хранения и транспортировки ракетного топлива; межпланетные космические аппараты.
Произведенные из лунного сырья материалы, полуфабрикаты и изделия могут найти применение непосредственно на лунной поверхности, на окололунной орбите, на геостационарных и низких околоземных орбитах и, наконец, на Земле.
Широкие возможности использования продукции лунного производства за пределами Луны заставляют особо задуматься над экономичными транспортными средствами. Преимущества ракетных запусков с Луны были указаны выше. Специалистами Института космических исследований Принстонского университета была предложена альтернативная идея - принципиально отказаться от ракетных стартов с Луны для вывода технических грузов в окололунное пространство в пользу электромагнитных ускорителей.
В проекте транспортировки лунных пород предлагается воспользоваться электромагнитными ускорителями в форме трубы, внутрь которой помещается разгоняемый контейнер с грузом. Двигаясь на «магнитной подушке», контейнер при определенной длине ускорителя может достигать высоких скоростей. Расчеты и опыты с действующими моделями показали, что построенный в Институте ускоритель при длине 160 м (последняя модель) может разгонять контейнер диаметром около 40 см до скорости 2,44 нм/с, т.е. второй космической скорости для Луны. Реализация проекта открывает принципиально новые возможности в области лунных транспортных средств.
При всей высокой степени автоматизации «лунных заводов» работа лунной базы предполагает длительное проживание на. Луне сменных или постоянных команд операторов, что требует развития специфических систем жизнеобеспечения. Многие элементы таких систем уже длительное время действуют на современных космических кораблях и орбитальных станциях и легко будут приспособлены для лунных условий.
Как показали специальные исследования, лунный грунт при включении в него удобрений и влаги может с успехом служить в качестве субстрата для разведения высших растений. Разработан проект экологического комплекса для обеспечения жизнедеятельности персонала лунной базы на основе растительной схемы.
На общей площади из расчета 82 м2 на одного человека выращивается зеленая масса, требующая 190 кг воды и 2354 г двуокиси углерода в сутки. Эта искусственная плантация может обеспечить 615 г сухого веса пищи и 917 г сухого веса несъедобной массы в день на человека с побочным выходом 1712 г кислорода, который может поступать в общую систему жизнеобеспечения лунной базы.
Следует добавить, что широкое производство стекла из лунных материалов будет способствовать созданию на лунной базе помещений, обладающих воздушно-водяной атмосферой и обеспечивающих противорадиационную защиту при полном использовании солнечного света и тепла. Действующие в таких помещениях биокомплексы обеспечат жизнедеятельность первых лунных поселенцев.
