Путешествия к Луне

А теперь от романтики первых лунных экспедиций мы вернемся на Землю. Многие специалисты по наукам о Земле, в частности ученые, изучающие влияние цивилизации на нашу естественную среду обитания, нередко высказывают опасения по поводу чрезмерной нагрузки на природу Земли. А нельзя ли ее снизить, используя ресурсы Луны?

7.1. Укрощение или ухудшение природы?

Многовековая борьба человека с природой на Земле, по — видимому, вступила в завершающую фазу. В начале XXI в. отрицательное влияние антропогенных факторов на нашу среду обитания сопоставимо с воздействием природных катастроф. Например, индустриальное загрязнение Мирового океана нефтью уже в 10 раз превышает естественное. Концентрация свинца промышленного происхождения в 15 раз превышает естественное содержание этого элемента в окружающей среде. Немалую угрозу представляет и тепловое загрязнение планеты.

Сейчас почти все человечество озабочено развитием глобального потепления на планете. Причины его очевидны: общая эффективность современной мировой экономики находится на низком уровне. По различным оценкам, в среднем около 98 % исходных материалов в процессе обработки превращается в отходы. До сих пор главными энергоносителями для получения около 90 % энергии в мире являются натуральные углеродные топлива (дерево, уголь, нефть, газ). Эта система не только интенсивно истощает природные запасы Земли. Существенной особенностью современных технологий является то, что побочные продукты подобного способа производства энергии образуют от 60 до 80 % всех загрязнений земной среды. При этом ежегодно теряется до 20 % репродуцированного в естественных условиях кислорода и, соответственно, в атмосфере увеличивается концентрация углекислого газа, что ведет к развитию глобального «парникового эффекта». Выделение в атмосферу техногенного метана — газа, играющего существенную роль в формировании парникового эффекта, — уже сейчас сопоставимо с его естественным выделением из недр Земли.

Мы знаем, что наиболее выраженную форму «парникового эффекта» можно наблюдать на Венере, где содержание углекислого газа в атмосфере к настоящему времени достигает 96 %. Постепенно нагреваясь, поверхность Венеры, как известно, оказалась раскаленной примерно до +460 °C. По этому пути движется и Земля.

Конечно, как показали новейшие исследования, средняя температура у поверхности земного шара за последние 100 лет поднялась всего лишь на один с небольшим градус. Однако, начавшись, этот процесс будет нарастать все с большей скоростью. А изменение средней температуры земной среды на несколько градусов может оказаться уже катастрофическим. Результаты исследований по проекту «Гея» под руководством академика Η. Н. Моисеева показали, что изменение средней мировой температуры на 4–5 градусов приведет к катастрофическому глобальному изменению климатических условий на Земле.

Все эти процессы постепенно ухудшают земную среду. Однако корень бед кроется в другом — уже в не столь отдаленном будущем наша среда обитания может быть разрушена полностью из‑за высокого уровня искусственно производимой в мире энергии.

7.2. Земле грозит перегрев?

На верхнюю границу плотных слоев земной атмосферы поступает ¹/_{200 000 000} часть солнечного излучения, что эквивалентно мощности 1,8×10¹⁷ Вт. В среднем земная поверхность и облачные образования отражают 35 % падающей радиации, соответственно около 65 % солнечной энергии рассеивается земной поверхностью и атмосферой. Около 15 % приходящей радиации поглощается нижней атмосферой. Оставшиеся 50 % энергии достигают земной поверхности и формируют тепловой режим среды нашего обитания. В абсолютных единицах эта величина составляет 9×10¹⁶ Вт, или 90 000 ТВт (тераватт). Такой поток энергии поддерживает все естественные процессы в земной среде и обеспечивает ее глобальную климатическую стабильность. Очевидно, что значительные поступления в земную среду дополнительной энергии могут привести к катастрофическим явлениям в природе с последующим полным разрушением существующего естественного равновесия.

В начальный период прогнозирования техногенной угрозы (1970–1980–е гг.) считалось, что опасный энергетический предел развития современной цивилизации характеризуется уровнем производства энергии, составляющим примерно 1 % от притока солнечной энергии, то есть около 900 ТВт. Более поздние исследования истории климата и природы его глобальных изменений показали, что катастрофические явления в масштабах всего земного шара наступают при долговременном изменении величины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, всего на 0,1 %. Исходя из этой оценки, можно определить предел производства энергии внутри земной среды величиной около 90 ТВт. В 2000 г. всемирное производство энергии имело мощность около 13 ТВт и росло примерно на 2 % в год. Большая часть этой энергии в конце концов преобразуется в тепло. Но, как было сказано выше, сам процесс производства энергии с помощью современных технологий вызывает нежелательные изменения в земной атмосфере, которые ведут к появлению и развитию парникового эффекта.

Некоторые ранние признаки разрушительных процессов, таких как глобальные изменения климата или необычно частые климатические катастрофы в различных регионах Земли, мы можем наблюдать уже сейчас.

7.3. Где же выход?

Выход из описанной ситуации давно известен: активное освоение космического пространства, интенсивная индустриализация космоса и использование внеземных материальных и энергетических ресурсов. Ближайшие к Земле небесные тела — Луна и сближающиеся с нашей планетой астероиды — обладают всеми ресурсами, необходимыми для дальнейшего устойчивого развития нашей цивилизации.

Как ни странно, ближайшее к нам планетное тело, Луна, сегодня изучена хуже по сравнению, например, с гораздо более удаленным Марсом. Долгое время бытовало довольно близорукое представление о том, что после посещения Луны человеком это тело уже не представляет интереса в качестве объекта интенсивных космических исследований. До сих пор те, кто определяет политику в освоении космоса, не смотрели на естественный спутник Земли как на часть инфраструктуры нашей цивилизации, необходимую для ее выживания. Пока еще не начаты развернутые и целенаправленные исследования возможных природных ресурсов Луны, поэтому наши знания о лунных ресурсах все еще носят фрагментарный характер.

Наиболее мощным источником космической энергии для нас служит Солнце. Солнечная энергетическая система на лунной поверхности может собирать эту энергию и передавать на Землю с помощью высокочастотных излучателей (СВЧ — системы). Такая система могла бы обеспечить промышленно значимый энергетический выход уже к 2050 г.

Другим известным в настоящее время энергетическим ресурсом Луны является гелий-3, присутствующий в поверхностном слое лунного грунта. Этот изотоп (³Не) можно использовать в наземных реакторах, работающих на принципе термоядерного синтеза, в реакции «дейтерий + гелий-3» (D + ³Не→⁴Не + р + 18,4 МэВ). По оценкам, 1 т гелия-3 может обеспечивать в течение месяца получение 0,1 ТВт энергии, так что все энергетические потребности нашей цивилизации при их нынешнем уровне могут быть покрыты за счет ежемесячной добычи всего 130 т гелия-3. Основными преимуществами этого способа производства энергии будут значительное снижение выделения газов, способствующих возникновению парникового эффекта (СО₂ и др.), практически полное отсутствие радиоактивных отходов и резкое уменьшение потребностей в добыче и сжигании угля, нефти и газа.

Но гелий-3 в естественном состоянии практически отсутствует на Земле: полное количество этого ценного изотопа на нашей планете составляет не более 1 т. Его основным источником в околоземном пространстве является так называемый «солнечный ветер» — поток заряженных частиц, испускаемый нашим светилом. До поверхности Земли, защищенной радиационными поясами, эти частицы не доходят. На Луне же, которая не обладает магнитным полем, аналогичным земному, отсутствует и подобная защита. В течение миллиардов лет рыхлый поверхностный слой Луны насыщался гелием-3. По оценкам, основанным на анализе образцов лунного грунта, запасы гелия-3 на Луне составляют около 10 млн т, во всяком случае, никак не менее 0,5 млн т. Эти запасы, использованные как ядерное топливо, могли бы обеспечить энергетические потребности человечества в течение нескольких тысяч лет. Инженеры уже создали эскизные проекты автоматических агрегатов для добычи гелия-3 на Луне. Каждая такая машина способна перерабатывать сотни тонн лунного грунта в час. Если внутри рабочей камеры за счет солнечных нагревателей поднять температуру до 800 °C, то из обрабатываемого лунного вещества будет извлечено примерно 90 % газа.

Создание промышленного комплекса на Луне потребует использования значительного количества конструкционных материалов. Несложные подсчеты убеждают, что доставка необходимых составляющих с Земли оказывается весьма нерентабельной. Реальная схема построения лунных комплексов должна предусматривать использование лунных материалов. Без учета технологических проблем самая общая оценка показывает, что лунный карьер размерами 100×100 м² и глубиной всего 10 м может обеспечить получение 40 тыс. т кремния, от 80 до 90 тыс. т кислорода, от 15 до 30 тыс. т алюминия, от 5 до 25 тыс. т железа, 9 тыс. т титана.

Располагая подобными материальными ресурсами, Луна обладает еще одним достоинством — своим положением на околоземной орбите. Создание крупных орбитальных станций около Земли неизбежно потребует существенных затрат. Например, для доставки с Земли на геостационарную орбиту полезного груза общей массой в 1 млн т потребуется израсходовать около 300 млн т топлива и примерно 2,5 млн т конструкционных материалов. При этом в земную атмосферу поступит около 40 млн т загрязняющих веществ. С другой стороны, в случае доставки такого же по массе полезного груза с Луны потребуется всего лишь 90 млн т топлива. Принципиально существует и другая возможность — вынести все энергоемкое и вредоносное производство на Луну, а на Землю доставлять лишь готовый продукт.

7.4. Доживем ли?

Итак, пока мы не приступили к выполнению программы индустриализации космоса, наше будущее зависит от количества энергии, которую мы во всё большем количестве производим на Земле.

Когда же может наступить критический момент? Когда земная среда не сможет естественным путем противостоять антропогенной нагрузке, действующей на нее со стороны нашей цивилизации? Если избрать наиболее щадящий вариант, при котором мировое потепление будет происходить медленно, с нынешней скоростью по линейному закону, то легко убедиться, что критическое повышение средней мировой температуры на 5 °C относительно современного уровня будет достигнуто к 2060–2070 гг. А если эта тенденция сохранится и далее, то к концу XXI в. общее потепление превысит 10–15 °C, что приведет к настоящей экологической катастрофе на Земле.

Более аккуратные оценки, сделанные с учетом вероятных тенденций производства энергии внутри земной среды обитания, ставят несколько более отдаленные критические сроки, но тоже не выходящие далеко за пределы нынешнего века. Даже при существующем сегодня уровне потребления энергии на душу населения, учитывая только прогнозируемый рост населения Земли, к 2050 г. производство энергии должно удвоиться и составить около 30 ТВт. При таких темпах роста дополнительно вырабатываемой энергии упомянутый выше критической уровень в 90 ТВт будет превышен уже к 2150 г.

Если же предположить, что все развивающиеся сегодня страны пожелают достичь уровня высокоразвитых стран и хотя бы частично преуспеют в этом (что вполне вероятно), то уже к 2050 г. человечеству потребуется увеличить добычу сырья и потребление энергии в несколько раз. В этом случае критический уровень производства энергии внутри земной среды может быть перекрыт уже к 2060–2070 гг. Как видим, эта оценка близка к предсказанному выше моменту наступления критической фазы парникового эффекта.

Итак, существует довольно реальная угроза, что к концу XXI в., в лучшем случае к середине следующего столетия, земная среда и природные ресурсы нашей планеты не смогут выдержать техногенную нагрузку. Это неизбежно приведет к постепенной (или даже к стремительной) деградации человечества.

7.5. Последний рубеж человечества или первый шаг во Вселенную

Ясно, что процессы, разрушающие наше среду обитания на Земле, начнутся заметно раньше упомянутых выше критических сроков. В связи с этим следует подчеркнуть, что мы уже вплотную приблизились к критическому рубежу принятия кардинальных решений о начале программы промышленного освоения космоса, в первую очередь освоения ближайшего космического тела, Луны.

Вообще говоря, не исключено, что «точка поворота» уже пройдена и время для принятия решений упущено. Прогнозируемая экологическая катастрофа так близка, что для создания и отработки необходимых технологий и развертывания космических систем у нас уже нет времени. Однако накопленные за годы военного противостояния ракетно — ядерные средства, высокие технологии и производственная база настолько велики, что дают нам некоторый шанс. Чтобы воспользоваться им, мы должны уже сейчас приступить к экспериментальной проверке возможностей и целесообразности грандиозной космической деятельности, о какой мечтали основоположники космонавтики.

Рис. 7.1. Элементы лунного производственного комплекса, проектируемого в НПО им. С. А. Лавочкина.

Речь идет о последовательности шагов, направленных на создание к середине XXI в. способной к дальнейшему наращиванию мощной космической энерго — индустриальной системы. Внутри этой концепции следует рассматривать Луну как преимущественно энергетическую базу в ближнем космосе, а астероиды — как источник материальных ресурсов. По-видимому, этапы создания космической индустриальной системы с обратным отсчетом времени от будущей критической даты можно представить следующим образом.

Если развитие событий пойдет по наиболее благоприятному для землян сценарию и необратимое разрушение земной среды начнется лишь в первой половине следующего века, то практические результаты работы развернутой космической индустрии должны появиться не позднее 2040–2050 гг. С учетом того, что реализация крупных космических проектов в современных условиях может занять не менее 20–30 лет, детальную разработку и начальный этап реализации глобального проекта космической индустрии необходимо завершить к 2020–2040 гг. Следовательно, все предварительное проектирование и подготовку рабочего варианта долгосрочной программы надо выполнить за ближайшие 5-10 лет! В НПО им. С. А. Лавочкина уже создают первоначальный проект лунного комплекса (рис. 7.1), в который входят транспортная система, луноход для сбора лунного вещества и налунный производственный комплекс.

Рис. 7.2. Лунный туризм — перспектива недалекого будущего. Не придется ли защищать от туристов природу Луны? Рисунок NASA.

Разумеется, рассматривая Луну как промышленную базу, не следует забывать, что это небольшое небесное тело является уникальным космическим музеем, хранящим следы событий от зарождения Солнечной системы и до наших дней. Уничтожение природных ландшафтов Луны было бы трагедией для науки. А такая вероятность тоже существует (рис. 7.2).

7.6. «Возьмемся за руки, друзья…»

Очевидно, что проекты, непосредственно связанные с политическими, военными, экономическими вопросами, с проблемами безопасности и межгосударственного сотрудничества, могут быть только международными, они должны разрабатываться и реализовываться под полным и постоянным контролем всего мирового сообщества.

Соответственно, все работы, начиная с самых ранних стадий исследований и экспериментов, должны выполняться в условиях полной открытости и финансироваться мировым сообществом, в основном из средств, выделяемых на устойчивое развитие. В этой связи целесообразно рассмотреть с участием специалистов ведущих стран рациональное применение подлежащей уничтожению части ракетно — ядерного потенциала России и США (а затем Франции, Англии, Китая и др.) для ускоренной индустриализации космоса, чтобы в сжатые сроки обеспечить программы устойчивого развития и защиты Земли.

При положительных результатах начальной стадии международной кооперации можно было бы приступить к разработке соответствующих международных программ и проектов, рассматривая упомянутый потенциал в качестве средств и технологий двойного применения и как материальный вклад ведущих космических держав (оцениваемый в 100–200 млрд долларов) в обеспечение устойчивого развития и сохранения природной среды всей планеты.