Космические аппараты исследуют Луну

ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗУЧЕНИЯ И ОСВОЕНИЯ ЛУНЫ

Прошедшие двадцать лет бурного развития селенологии, вызванного применением космических средств, дали в руки ученых огромный экспериментальный материал. Многое в строении Луны сегодня известно. Многое еще предстоит узнать, развить и уточнить, многое- переосмыслить, используя уже имеющийся массив научной информации. Процесс познания — непрерывен. Необходимо идти вперед, добывать новые факты, обобщать их, двигаться дальше по бесконечной дороге раскрытия тайн Вселенной.

Каким же представляется дальнейший путь изучения Луны? По каким направлениям пойдет ее освоение?

Не претендуя на исчерпывающую полноту освещения, попытаемся сделать несколько общих предположений и рассмотреть некоторые частные стороны этой сложной картины.

Луна как объект приложения средств космонавтики представляет интерес с нескольких точек зрения.

Во-первых, будут продолжены эксперименты по изучению природы Луны, получению более полной и детальной информации о се строении. На Луне еще много «белых пятен», и это касается прежде всего приполярных районов и обратной, не видимой с Земли, стороны. Эти районы нуждаются в геологическом и геохимическом исследованиях. Очень немного известно о тепловых потоках из недр Луны и их вариациях в различных районах. Структура лунных недр, исследованная сейсмическими методами, известна недостаточно точно, существуют различные точки зрения на наличие, размеры и физическое состояние лунного ядра. Эти данные необходимы для исследования общих закономерностей, свойственных строению крупных небесных тел Солнечной системы, включая и Землю.

Исключительно интересным в настоящее время представляется изучение глубинной структуры лунного реголита в характерных районах Луны и особенно на поверхности не видимого с Земли полушария. Буровые керны, полученные до глубин в несколько десятков или даже сотен метров, являются наиболее информативным видом лунных образцов, так как содержат фрагменты местных и привнесенных пород, как первичных, так и переработанных метеоритной бомбардировкой. Последовательность и характер расположения отдельных слоев позволяют установить историю их отложения, степень переработки экзогенными факторами, степень перемешанности, время пребывания на поверхности, интенсивность бомбардировки микрометеоритами, степень облучения солнечными и галактическими космическими лучами.

Вторым интересным аспектом освоения Луны является возможность использования ее поверхности для размещения различного научного оборудования с целью проведения широкого круга астрономических и астрофизических экспериментов. Отсутствие у Луны атмосферы создает практически идеальные условия для наблюдения и изучения планет Солнечной системы, звезд, туманностей и иных галактик. При этих условиях разрешение телескопа с диаметром зеркала 1 м будет эквивалентно разрешению наземного инструмента, имеющего зеркало диаметром 6 м. Кроме того, отсутствие атмосферы дает возможность проводить исследования используя практически весь диапазон электромагнитного спектра, что позволит в будущем резко расширить наши знания как о собственной Солнечной системе, так и на новом уровне подойти к разрешению загадок, таящихся в таких экзотических астрономических объектах, как пульсары, квазары, нейтронные звезды и черные дыры, изучать грандиозные процессы, происходящие в недрах галактик.

Для радиоастрономических наблюдений Луна представляет не меньше преимуществ, чем для оптических. Современный радиотелескоп — это прежде всего антенна, большие размеры которой и определяют все рабочие характеристики радиотелескопа. На Земле из-за огромного веса металлоконструкций антенны и требований к прецизионности механизмов ее поворота уже достигнут практический предел чувствительности и разрешающей способности этих сооружений. Пониженная в шесть раз сила тяжести на Луне во многом снимает эту проблему. Кроме того, в земных условиях работа радиоастрономов затрудняется обилием радиопомех из-за электрических разрядов в атмосфере и множества, радиопередающих и электротехнических устройств, создающих интенсивный фон радиопомех. Расположение радиотелескопа на обратной стороне Луны кардинально решает и этот вопрос.

Еще одна заманчивая перспектива радиоастрономии связана с возможностью использования двух радиотелескопов: одного — на Земле, другого — на Луне в качестве радиоинтерферометра — системы, позволяющей резко повысить разрешающую способность. Использование этого приема в земных условиях позволило получить радиоизображение крупных деталей поверхности Венеры, недоступных для дистанционных оптических наблюдений из-за ее мощного облачного слоя. В земных условиях использование принципа радио интерферометрии ограничено диаметром земного шара. Установка радиотелескопа на Луне позволит увеличить базу — расстояние между двумя радиотелескопами — до 384000 км и резко повысить разрешающую способность всей системы.

Несмотря на то что теория относительности давно общепризнана, вопрос о экспериментальном подтверждении и уточнении числовых коэффициентов, лежащих, в ее основании, не перестал быть актуальным. Одним из аспектов такого уточнения является регистрация величины отклонения световых лучей от удаленных звезд под действием гравитационного поля Солнца. В земных условиях подобные измерения возможны только во время полных солнечных затмений, и их точность ограничена явлениями рассеяния и рефракции света в атмосфере. При помощи лунного телескопа, снабженного экраном, закрывающим светящийся диск Солнца, такие измерения можно проводить в любое время.

Расширить перечень исследований, которые удобно выполнять с поверхности Луны, можно и далее. Однако прежде чем покончить с этим вопросом и перейти к другой теме, следует подчеркнуть, что очень перспективным является изучение с Луны нашей родной планеты — Земли. Преимущества исследований земной поверхности с далеких расстояний, что позволяет воспринимать ее в обобщенном виде, стали очевидны после получения первых глобальных фотографий Земли с помощью космических аппаратов. Хорошо известно, как много информации нам могут дать глобальные изображения о геологическом строении, обшей картине циркуляции атмосферы, ледовом покрове, загрязнении атмосферы и океана Земли в целом.

При следующем шаге в изменении масштаба наблюдений — при наблюдениях поверхности Земли с Луны следует ожидать новых открытий. Организация на Луне обсерваторий для постоянного наблюдения за Землёй позволяет проводить систематический оперативный анализ метеорологической обстановки на земном шаре в целом, эффективно изучать процессы, протекающие в атмосфере и их связь с солнечной активностью. При регистрации теплового излучения с длинами волн 3,6-14,7 мкм можно практически мгновенно получать картину распределения температур в верхних слоях тропосферы на полушарии в целом, а при регистрации излучения в диапазоне 9,4–9,8 мкм — температуру озонового слоя земной атмосферы.

Активное зондирование атмосферы Земли при радио- и световой локации на различных длинах волн позволит получать полную картину распределения зон дождей и снегопадов, их размеры и интенсивность, вести ледовую разведку сразу в масштабах полушария. Цветозональная съемка, уже показавшая свою эффективность при работе экипажей на борту орбитальных станций, и при наблюдениях с Луны будет полезна различным специалистам для изучения и рационального использования земных ресурсов и охраны среды.

Решение новых, перспективных задач изучения и освоения Луны неразрывно связано с развитием всей космонавтики и во многом определяется совершенствованием космической техники. Накопленный научный и технический потенциал является надежным фундаментом развертывания всего необходимого комплекса работ в этом направлении. Автоматические станции различного назначения, искусственные спутники Луны, автоматические устройства для отбора образцов грунта и доставки его на Землю, самоходные передвижные лаборатории, внесшие большой вклад в успехи селенологии, будут верно служить науке и дальше. Постоянное их совершенствование, расширение диапазонов действия, увеличение автономности, ресурса работы и надежности позволят им и впредь играть значительную роль в исследовании Луны.

В качестве одного из возможных вариантов использования автоматических устройств при будущих исследованиях Луны можно представить систему, включающую в себя самоходные аппараты, подобные уже знакомым нам «Луноходам», а также станции типа «Луна-16». Передвижные самоходные аппараты, перемещаясь по большой территории, смогут проводить научные измерения и отбор образцов грунта, а устройства типа станции «Луна-16» — обеспечивать доставку материалов, экспериментов и лунный грунт на Землю.

Эксперименты и исследования на Луне можно осуществлять с помощью различных методов. Например, можно создать в различных районах Луны научно-исследовательские полигоны, снабженные автоматической аппаратурой. В частности, очень перспективными районами для организации там полигонов являются полярные области Луны. В настоящее время они наименее изучены по сравнению с другими районами, что значительно повышает интерес к ним со стороны ученых. Однако, помимо этого, они интересны и по ряду других причин. Так. постоянное освещение Солнцем полярных районов очень важно как для энергоснабжения научно-технических комплексов, так и для проведения некоторых селенофизических экспериментов. В частности, отсутствие значительных перепадов температуры, вызываемых сменой дня и ночи в данных районах, очень удобно для измерения тепловых потоков из лунных недр. Немаловажно и то, что наблюдение различных небесных объектов из приполярных районов позволяет неограниченное время держать их в поле зрения инструментов наблюдения.

Следует отметить, оборудование исследовательских полигонов на Луне должно обладать возможностью длительно работать по сложной и гибкой программе, надежно и эффективно функционировать в экстремальных условиях космического пространства, при воздействии резких перепадов температур, микрометеоритной бомбардировки, облучения солнечным ветром и космическими лучами.

Аппаратура такого полигона может регистрировать сейсмические колебания Луны, тепловой поток из ее недр, состав газов, выделяющихся из недр Луны, состав и энергию солнечного ветра, массу, энергию и направление перемещения микрометеоритных и пылевых частиц, состав и энергию галактических космических лучей. Доставку различных научных приборов на полигон можно осуществлять автоматически. Такой комплекс мог бы функционировать без участия человека. Возможен вариант, когда полигон периодически посещается специалистами, которые проводят ремонт к замену оборудования, забирают и доставляют на Землю информационный материал.

Создание научно-исследовательских полигонов технически можно осуществить уже в недалеком будущем. Современное состояние космонавтики и научного приборостроения позволяет на это надеяться. В несколько более далекой перспективе хочется представить себе возможное объединение такого полигона с обитаемой базой, на которой работает коллектив ученых-исследователей. Создание обитаемых научных баз на Луне, вообще говоря — дело отдаленного будущего, но уже сейчас специалисты думают над различными вариантами их конструкции и оборудования.

По одному из предложенных проектов жилое помещение такой базы представляет собой полусферическую или цилиндрическую оболочку из многослойного эластичного материала, армированного стальными нитями. Оболочка удерживает свою форму под действием внутреннего давления. Помещение базы немного заглубляется под поверхность и защищается от температурных перепадов и микрометеоритной бомбардировки слоем грунта (для защиты от метеоритов размером 1–2 см достаточно слоя 15–20 см).

Первоначально на базе могут вести работу 2–3 человека, в дальнейшем персонал может увеличиться. Продолжительность пребывания на базе достигнет нескольких месяцев. Для эффективной работы космонавтов они должны располагать транспортными средствами различного назначения: от одноместных или двухместных луноходов грузоподъемностью 300–400 кг с ресурсом хода 30–40 км до тяжелых транспортных устройств с дальностью хода до 500 км, обеспечивающих возможность проведения научных работ в течение 15 суток.

Весьма перспективным для исследования Луны является совместное использование стационарной лунной базы и орбитального комплекса. В этом случае представляется возможным доставить посадочный отсек с космонавтами на любой участок поверхности Луны, расположенный в плоскости орбиты обитаемого спутника. Характерной особенностью такого проекта является то, что экипаж, находясь на орбитальной станции, может долгое время ждать космонавтов, совершивших посадку на Луну.

В течение достаточно длительного времени требования к эксплуатации ракетно-транспортной системы между Луной и Землей будут оставаться сложными. По-видимому, наиболее энергетически выгодным способом транспортировки грузов между окололунной и околоземной орбитальными станциями станет применение электрических реактивных двигателей с питанием солнечной энергией и сравнительно небольшой тягой, обеспечивающей полет Земля-Луна за 30–90 суток. Доставка грузов и людей с Земли на околоземную орбиту будет осуществляться кораблями многократного действия, работающими на химическом топливе. Для перелетов Луна- окололунная орбитальная станция и обратно может оказаться рациональным строительство на поверхности Луны электромагнитной катапульты (с питанием солнечной энергией), используемой как для запуска аппаратов на окололунную орбиту, так и для их мягкой посадки на поверхность.

Есть и еще одно направление освоения Луны, о котором, может быть, стоит поговорить отдельно. Речь идет о получении конструкционных материалов и разработке полезных ископаемых для использования их при создании научных баз, а в несколько более отдаленном будущем — при организации технологических производств на лунной поверхности, строительстве спутниковых солнечных электростанций.

Рис. 11. Один из вариантов траектории транспортировки лунного грунта к космическому перерабатывающему предприятию

В настоящее время в печати достаточно широко обсуждается вопрос о целесообразности создания на околоземных орбитах крупных энергетических спутников, оснащенных оборудованием для преобразования солнечной энергии в электрическую с последующей передачей ее на Землю (в виде энергии микроволнового излучения). Решение этой технической проблемы возможно очень надолго освободит человечество от энергетического кризиса и облегчит охрану среды обитания людей от загрязнения. Эти на первый взгляд далекие от лунной тематики проекты оказались неожиданно введены в круг проблем, связанных с освоением Луны.

Дело в том, что рассматриваемые энергетические комплексы удобно расположить в окрестностях Луны, в так называемых «треугольных точках либрации». Искусственный спутник Земли, находящийся вблизи одной из этих точек, имеет чрезвычайно устойчивое орбитальное движение. Кроме того, доставка с Луны конструкционных материалов, составляющих основную массу спутника, или сырья для их производства требует в 20 раз меньших затрат энергии, чем доставка их с Земли. Итоговая оценка приводит к заключению, что строительство подобных систем может быть рентабельным только при условии доставки сырья с поверхности Луны.

На рис. 11 показана схема одного из вариантов транспортировки грузов с Луны на энергетический спутник. Специальный механизм, работающий на электроэнергии, разгоняет контейнеры с грузом до скорости 2,33-2,34 км/с, достаточной для выхода из сферы притяжения Луны. Затем контейнеры совершают полет по баллистической траектории и попадают в улавливающее устройство, представляющее собой конус диаметром у основания 100 м. Конус-«улавливатель» должен иметь бортовую двигательную установку для поддержания нужного положения на орбите, а также для транспортировки контейнеров с грузом к спутнику.

Если рассматривать лунный грунт как сырье для переработки, то легко можно убедиться, что наиболее просто выделить из него металлическое железо. Частицы, которые можно отделить с помощью слабых магнитных полей, составляют 0,15-0,2 % от общего веса грунта. Они содержат около 5 % никеля и 0,2 % кобальта. Для полного выделения железа, алюминия, кремния, магния и, возможно, титана, хрома, марганца, а также кислорода, который образуется в качестве побочного продукта, необходимо использовать обычный металлургический процесс.

Одна из возможных схем такого процесса представлена на рис. 12. Начинается все с измельчения грунта до максимального размера частиц 200 мкм (для этого могут использоваться вибрационные мельницы). Далее он газовым потоком направляется в печь обжига, причем по пути к печи в грунт добавляется ферросилиций, измельченный до частиц размером 50 мкм. Ферросилиций необходим для восстановления железа, но, кроме того, сам является промежуточным продуктом на других, следующих, стадиях металлургического процесса.

При температуре 1300 °C кремний диффундирует из частиц ферросилиция и при этом будет восстанавливаться железо. Продуктом этого процесса является силикатный расплав со взвешенными в нем частицами железа. После охлаждения и измельчения этой смеси железо извлекается с помощью магнитной сепарации, а низкожелезистый силикат поступает в главный реактор.

Рис. 12. Один из вариантов технологической схемы получения конструкционных металлов из лунного грунта. Среди технологических устройств в нее входят: печь для отгонки алюминия от расплава температурой 2300 °C (II, печь для отгонки кальция, магния, алюминия, кремния и окиси углерода (III), реактор восстановления металлов углеродом (IV). Используются следующие процессы: выделение железа (2), сплавление железа и кремния при температуре 1500 °C (3), отгонка магния при температуре 1200 °C (4), конденсация и фильтрование (5), электролиз воды (6), разделение твердых и газообразных продуктов электролиза (7), диффузия железа из силикатов (I). Необходима также печь-центрифуга для разделения железа и шлаков (1)

В главном реакторе, а его можно представить в виде печи, вращающейся вокруг продольной оси (для гравитационного разделения образовавшегося сплава металлов, шлака и газов), происходит термическое восстановление металлов. После добавления в силикат, поступивший в реактор, углерода и при нагреве смеси до 2300 °C происходят химические реакции восстановительного типа, протекающие с выделением тепла.

На этом этапе металлургического процесса образовавшийся сплав кремния с алюминием отделяется от шлака и газообразных продуктов, поступает в дистиллятор, где алюминий и кремний разделяются. Окись углерода, пары кальция, магния и частично алюминия и кремния подвергаются дальнейшему разделению. Окись углерода, например, может соединиться с водородом и образовать воду, метан и некоторые другие углеводороды. Эта реакция давно используется в промышленности и хорошо изучена. В качестве катализатора может применяться окись железа. Метан, а также водород сушатся в конденсаторе для отделения воды. Вода электролизом разлагается на кислород и водород. Кислород выделяется в готовый продукт, а водород возвращается в реактор.

Рассмотренный в качестве примера металлургический процесс вполне пригоден для условий Луны с точки зрения энергопотребления, необходимого для данного оборудования, и практической его отработанности. Для своей реализации он требует минимума веществ, доставляемых с Земли, и дает хороший выход продукции на единицу массы оборудования. Веществами «нелунного» происхождения в технологическом цикле будут только углерод и водород, которые практически не расходуются, а используются в замкнутом цикле.

Кроме получения из лунного грунта металлов и других химических веществ, можно представить и иные возможности по переработке этого грунта в конструкционные материалы, такие, как стекло. Сырьем для производства стекла может служить плагиоклаз материкового реголита, представляющий собой почти чистый CaAl2Si2O8 с 0,5 % NaO2 и составляющим доли процента FeO. По сравнению с земным стекло из лунного грунта должно быть прочнее и выдерживать более длительные механические нагрузки без разрушения, так как из-за отсутствия воды в породах Луны, поверхность стекла должна иметь меньше дефектов, снижающих его прочность.

Используя лунный грунт, можно осуществлять и такой процесс, как базальтовое литье, широко применяемое при изготовлении пустотелого кирпича, строительных блоков, труб диаметром 3-10 см и длиной 1–1,5 м, отличающихся высокой стойкостью к кислотам и щелочам. Прочность продуктов этого литья из лунных пород может достигать при сжатии 10000-12000 кг/кв. см, а при растяжении -500- 1100 кг/кв. см.

Для изготовления конструкционных элементов с низкой теплопроводностью, а также фильтров могут использоваться спеченные материалы. По совокупности характеристик наиболее благоприятные условия для спекания частиц лунного грунта — нагрев их до температур 800–900 °C с выдержкой в печи от нескольких секунд до десятков минут и последующее быстрое охлаждение со скоростью 0,1–5 °C/мин.

Приблизительные расчеты показывают, что в некоторых случаях переработку лунного вещества в конструкционные материалы рентабельнее проводить в космическом пространстве, а не на Луне. При организации технологического цикла на поверхности Луны не всегда можно обеспечить непрерывное, освещение солнечными лучами устройств, преобразующих свет в электричество, в то время как в космическом пространстве это не представляет собой сложную проблему. Если учесть, что на транспортировку груза с лунной поверхности в космос требуется энергии в 5 раз меньше, чем на его переработку, то окончательная энергетическая стоимость производства в космическом пространстве получается в 8 раз меньшей, чем на Луне.

Вполне вероятно, что энергетические спутники будущего, о которых говорилось выше, более правильно себе представлять как некоторые промышленно-энергетические комплексы с большими производственными возможностями.

Итак, с самых древнейших времен истории человечества Луна всегда была объектом восхищения и пристального интереса. Однако в разные периоды развития нашей цивилизации Луна по разному воздействовала на чувства и разум людей. Романтический период восприятия Луны сменился в свое время рационалистическим. Вслед за поэтами к ней обратили свои пытливые взоры ученые, а затем пришла пора и людей практического ума.

Огромную роль в вовлечении Луны в сферу практических интересов сыграли впечатляющие успехи космонавтики, совершившие переворот в наших представлениях о месте человечества в космическом пространстве и приблизившие к нам необъятные просторы Вселенной. Эффективная работа советских космических аппаратов в космосе во многом определила эти успехи.

«Седьмой континент» Земли, как иногда называют Луну, все больше привлекает к себе внимание инженеров и экономистов, прикидывающих различные варианты использования ее природных ресурсов. И пусть разработка лунных недр и создание научных баз не являются первоочередной задачей сегодняшнего дня. Все равно когда-нибудь человечество объединенными усилиями развернет работы по освоению ближайшего к нам небесного тела. И тогда люди с благодарностью вспомнят и первые космические аппараты, проложившие путь к практическому освоению естественного спутника нашей родной планеты.