Реголит, как живая и мертвая вода — польза и вред от лунной пыли
Планируя создание лунной базы в рамках программы Artemis, NASA стремится избежать опасностей, исходящих от лунной пыли, взлетающей от струи ракетного двигателя и повреждающей оборудование, и мелких частиц реголита, изнашивающих инструменты. Однако американское космическое агентство и частные компании, которые нацелились на Луну, не только хотят смягчить воздействие реголита, но и использовать его как исходный материал, питающий лунную экономику. Для уравновешивания этих противоречий разрабатывается сложная лунная инфраструктура, включая ракетные барьеры, антиреголитные скафандры и лазерные лучи.
Лунный порох и гелий-3
Когда, закончив выход на поверхность и вернувшись на корабль, пилот Apollo 17 Харрисон Шмитт снял шлем, он почуял тот же запах, о котором говорили те, кто ступал на Луну: «Все астронавты соглашались, что это был запах пороха, — рассказал он в интервью изданию Aviation Week, — Знаете, все мы когда-то были охотниками».
В декабре 1972-го и ранее астронавты программы Apollo чувствовали запах лунного реголита, серого мелкодисперсного порошка, состоящего из зазубренных микрочастиц, способных прилипать к любой поверхности, что нехарактерно для земной пыли.
«Я думаю, пыль — главное препятствие для нормальной работы на Луне, — говорил на техническом брифинге командир Apollo 17 Джин Сернан. — Мы можем преодолеть все другие физиологические, физические или механические проблемы, кроме пыли».
Однако Шмитт, опытный геолог, который тщательно исследовал состав лунной поверхности, утверждает, что с опасностями лунного грунта можно справиться. «Я считаю, что мы очень хорошо понимаем его свойства и, следовательно, можем защитить от негативного воздействия не только людей, но и технику», — отмечал он.
Шмитт, последний остающийся в живых член экипажа Apollo 17, на протяжении многих лет призывает начать добычу из лунного грунта гелия-3 - редкого на Земле изотопа, который используется в таких передовых технологиях, как квантовые вычисления и ядерный синтез. В 2020 году вместе с Робом Мейерсоном, бывшим президентом Blue Origin, бывший астронавт стал одним из основателей стартапа по разработке лунного грунта под названием Interlune.
Лунное садоводство и льдинки в пыли
Часто можно услышать о том, что в ходе создания постоянно обитаемых баз лед на Луне будет добываться для извлечения из него водорода и кислорода. Но глыб чистого льда там не замечено — есть только микрогранулы замерзшей воды, смешанные с каменной крошкой. Чистый лунный лед вряд ли будет найден в виде ледяных щитов, поскольку миллиарды лет постоянной бомбардировки микрометеоритов взрыхляют лунную почву. Этот процесс ученые называют «лунным садоводством».
Если колонисты смогут извлечь замороженные молекулы H2O из лунной пыли, растопить их и расщепить на водород и кислород, эти элементы можно будет использовать в качестве ракетного топлива для космических кораблей, перевозящих людей и грузы с Луны на Землю и обратно, а также в дальний космос, например, на Марс. Для жизнеобеспечения человека на Луне также важна сама вода.
Компания Lockheed Martin отмечает в «Белой книге», опубликованной в 2024 году, что топливо составляет значительную часть массы лунного космического корабля, и что запуск — самая высокая статья затрат в космической экономике. «Если заправляться топливом из лунной воды, то можно полностью отказаться от доставки топлива с Земли», — говорится в статье, представляющей лунную экономику 2040-х.
На основании данных дистанционного зондирования NASA постоянно находит доказательства наличия воды на Луне. В 2020 году агентство сообщило о подтверждении концентрации воды в кратере Клавий, эквивалентной 0,035% (35 тысячных долей процента) по объему.
Посадочный модуль IM-2 компании Intuitive Machines запускался недавно на южный полюс Луны именно для близкого знакомства с лунной водой. Аппарат, разработанный в рамках программы коммерческой доставки полезных грузов на Луну (Commercial Lunar Payload Services, CLPS ) имел на борту оборудование для эксперимента по добыче льда Polar Resources Ice Mining Experiment-1: бур для извлечения реголита и масс-спектрометр для поиска воды. Увы, из-за аварии при посадке IM-2 исследования не состоялись.
«У нас пока нет больших данных о распределении водяного льда на Луне, — заявила в июле 2024 года на конференции Ascend Американского института аэронавтики и астронавтики AIAA Кейт Уоттс, вице-президент Lockheed Martin по стратегии, — Но то, что есть, говорит о том, что его там много, думаю, более чем 1,3 триллиона фунтов (590 млн тонн)». Впрочем, это не так уж и много по земным меркам.
Специалисты NASA выбрали девять мест на южном полюсе спутника в рамках первой пилотируемой миссии с высадкой людей на Луне по программе Artemis III, запланированной на 2027 год. Выбранные места находятся близко к постоянно затенённым областям, которые, возможно, содержат лёд. Это позволит астронавтам собрать образцы реголита.
На южном полюсе Луны много кратеров с крутыми стенами и глубоким дном, которые постоянно находятся в тени, например, кратер Шеклтона. Из-за очень малого наклона оси Луны к плоскости эклиптики солнечные лучи падают на полюса под низким углом, поэтому не достигают дна кратеров. И там должно быть относительно много льда. Однако получение воды изо льда в затененных кратерах может быть сложной задачей.
Температура в этих темных ямах составляет около минус 223 градусов Цельсия. Этого достаточно не только для того, чтобы задерживать молекулы воды, попавшие на Луну из ледяных комет, но и для того, чтобы повредить бортовую электронику и аккумуляторные батареи посадочных модулей и луноходов. Даже зарядка их батарей с помощью силового кабеля может стать проблемой.
«Мы не хотим прокладывать горячие кабели, — сказал на той же конференции Ascend Роб Чемберс, директор Lockheed Martin по стратегии освоения космоса человеком, - Мы не хотим нагревать почву, чтобы испарилось большинство тех молекул, которые нам нужны».
Lockheed Martin предлагает концепцию подзарядки лунных экскаваторов, добывающих лед в постоянно затененных регионах, с помощью лазерного луча. Также компания считает, что ядерная энергетика важна для выработки электричества, необходимого для расщепления воды на водород и кислород для питания обитаемых лунных жилищ. При этом для поездок к отдаленным местам добычи льда потребуется проложить дороги с плотным покрытием, чтобы тяжелые луноходы не поднимали пыль или не вязли в грунте.
Сталь и электричество против летучей пыли
К счастью, не вся поверхность Луны покрыта пылью. «Верхняя часть [реголита] очень рыхлая и имеет низкую плотность. В течение длительных (по геологическим меркам) периодов она постоянно перемешивалась из-за ударов микрометеоритов, — говорит Шмитт. — Но под ней реголит сильно сжат».
Lockheed Martin ожидает, что к 2040-м годам на Луне будет много шахт, которые будут добывать сотни тонн воды в год. Обработка льда и электролизное разделение водорода и кислорода будут осуществляться в одном месте.
На Луне нет атмосферной или водной эрозии, поэтому все процессы изменения рельефа происходят только под воздействием ударов метеоритов и солнечной радиации. В результате образуется смесь мелкой пыли и более твердых обломков горных пород, которые можно использовать в качестве щебня или гравия для прокладывания дорог.
По словам Шмитта, двигатель лунного модуля Apollo 17 сдул пыль вокруг места посадки, из-за чего был возможен обзор из окон, в то время как в других лунных экспедициях сообщалось о проблемах с видимостью и радаром. Бывший астронавт и сенатор добавил, что «частицы [пыли] исчезли за горизонтом на высокой скорости».
Проблема плохого обзора из-за пыли, поднимаемой двигателями при посадке, может усугубиться с задействованием лунного посадочного аппарата Starship Human Landing System от SpaceX, где у корабля шесть мощных двигателей.
Из-за взаимодействия пыли с поверхностью шлейф долго не опадет, что является проблемой №1 для подписантов «Соглашения Артемиды», сообщала в июне 2024-го Пэм Мелрой, заместитель администратора NASA. «Мы получаем интересные научные данные, некоторые из которых мы знали по Apollo, что частицы остаются во взвешенном состоянии дольше, чем ожидалось, — сказала она. — Для изучения взаимодействия шлейфа с поверхностью посадочные модули оснащены специальными камерами».
Для минимизации воздействия пыли будущие места посадки на Луне должны иметь укрепленное покрытие и насыпи, чтобы облака лунной пыли и обломков камней при прилунении кораблей не повредили близлежащее оборудование или жилища.
Иными словами, на Луне предстоит построить защищенный от воздействия летучей пыли космодром или несколько.
Реголит также способен проникать в механические детали, такие как подшипники и уплотнения, истирая и заклинивая подвижные компоненты. "Пыль постепенно заклинивала быстроразъемные соединения для различных инструментов, которые у нас были [на «Аполлоне-17»]", — говорит Шмитт. Эту проблему, по его словам, должны решить стальные инструменты, которые в новых высадках на Луну будут использоваться вместо алюминиевых времен программы "Аполлон", поскольку сталь тверже лунной пыли и перетирает ее, добавляет он.
Пыль легко проникает в кабину экипажа. Шмитт рассказывал, что он и его коллеги по Apollo 17 пытались очистить скафандры от реголитной пыли перед тем, как войти в лунный модуль с поверхности. Однако все их усилия были тщетны: чем больше они старались, тем глубже пыль проникала в ткань.
«Скафандр — это основной источник пыли в кабине», — говорил Шмитт. Чтобы кабина оставалась чистой, он советовал заряжать скафандры отрицательным зарядом, чтобы ткань отталкивала реголит, который также имеет отрицательный электрический заряд.
Идею уже проверяют: прилунившийся 2 марта посадочный модуль Blue Ghost, разработанный компанией Firefly Aerospace, оснащен двумя экспериментальными инструментами, включая прототип электродинамического антипылевого экрана. Этот экран будет использоваться для проверки способности отталкивать лунную пыль от скафандров, шлемов, ботинок, а также от радиаторов, солнечных панелей и объективов камер.
Кроме того, Blue Ghost несёт полезную нагрузку Regolith Adherence Characterization. Это образцы 15 различных материалов, включая ткани, оптику, лакокрасочные покрытия, датчики и солнечные элементы. Цель эксперимента — изучить, как лунная пыль взаимодействует с каждым из этих материалов.
«Пыль — одна из самых серьёзных проблем, с которыми человечество столкнулось с момента начала программы Apollo, — заявила 14 января во время брифинга перед стартом Blue Ghost Никола Фокс, заместитель руководителя Управления научных миссий NASA, — Она влияла на работу оборудования и здоровье астронавтов, когда попадала на их одежду и вдыхалась ими во время пребывания в корабле. Метод борьбы с пылью станет настоящим прорывом».
По ее словам, реголит настолько липкий, что его частицы могут соединяться сами с собой причудливыми способами, которые обычно не встречаются в земных песках. Это означает, что пыль может липнуть, имея всего одну или две точки контакта, а не три или более, как это обычно бывает с земной пылью.
Лунная пыль и здоровье будущих колонистов
Свой доклад на конференции Ascend представила и Эмма Квик, инженер по моделированию и имитации химических реакций Космического центра имени Джонсона NASA. «На микроскопическом уровне при наблюдении с помощью электронного микроскопа имитаторы реголита создают сказочные замки, — сказала она. — Это замысловатые структуры, напоминающие кружева, которые образуются, когда частицы достаточно малы и падают достаточно медленно, так что межмолекулярные силы превышают их вес». Межмолекулярные силы весьма затрудняют очистку поверхностей от реголита.
Частицы реголита чрезвычайно малы — в среднем их размер составляет 60–80 микрометров — и обычно состоят из зазубренных фрагментов минералов и стекла с острыми краями. Эти микроструктуры серьезно угрожают здоровью людей на Луне.
«Чем меньше размер частиц, тем больше проблема. Чем меньше частицы, тем легче они попадают в легкие», — говорит Ким Приск, легочный физиолог и почетный профессор медицины Калифорнийского университета в Сан-Диего, принимавшая участие в программе Европейского космического агентства по исследованию лунной пыли. Человеческие легкие весьма подвержены воздействию атмосферных токсинов, говорит Приск, отмечая, что площадь поверхности легочных альвеол равна теннисному корту.
Шмитт и его коллеги ощущали нечто, что он назвал «лунной сенной лихорадкой». Состояние раздражения ноздрей и носовых пазух прошло через несколько часов. А вот у врача экипажа "Аполлона-17", который на Земле извлекал скафандры из командного отсека, наблюдалась гораздо более сильная аллергическая реакция на лунную пыль. С каждым новым контактом с пылью его состояние ухудшалось.
Исследования на крысах, которых подвергали воздействию лунного реголита и его имитаторов, показали, что он менее вреден, чем свежий раздробленный кремний, но хуже раздражающей земной пыли. Риск находится где-то посередине, говорит Приск.
Для изучения опасностей, связанных с реголитом, обычно используют его имитаторы или образцы, полученные в ходе полетов по программе Apollo. Однако, несмотря на все усилия учёных, эти образцы не всегда сохраняются в идеальном состоянии. Вопрос о том, насколько глубоко может проникнуть в лёгкие реальная нетронутая лунная пыль, и как она влияет на здоровье астронавтов после длительного воздействия, остаётся открытым, отмечает Приск.
«Это не нечто экстраординарное, но и не то, что можно игнорировать, — говорит Приск, отмечая, что экипажи Apollo успешно справлялись с относительно короткими воздействиями пыли. — Если мы говорим о шестимесячном пребывании на поверхности Луны, когда внекорабельная деятельность выполняется несколько раз в неделю, и каждый раз приходится сталкиваться с воздействием лунной пыли, то сколько усилий потребуется и какова будет стоимость экспедиции, чтобы смягчить эти воздействия»?
