Земля – космос – Луна

НАУЧНОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ОСВОЕНИЯ ЛУНЫ
ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Естественно, что в объеме одного раздела невозможно исчерпывающим образом осветить все стороны изучения и эксплуатации нашего природного спутника. Мы ограничимся основными научными исследованиями, которые могут быть выполнены на Луне, а также некоторыми практическими задачами ее освоения.

Вследствие относительной близости к Земле, наличия факторов космического воздействия, небольшой силы тяжести на поверхности, вакуума, возможности сравнительно легко получать большой диапазон температур – наш древний спутник может явиться весьма полезной внеземной лабораторией и научной станцией.

Дело не только в том, что мы приобретаем еще одну опорную научно-исследовательскую базу, аналогичную организованной, например в Антарктиде, а в том, что мы на Луне получаем новые условия для наблюдений и научных экспериментов. Это связано как с отсутствием атмосферы, существенно затрудняющей изучение внеземных объектов и постановку некоторых экспериментов, так и с возможностью непосредственного исследования и использования соседнего с нами крупного небесного тела. Насколько это важно, видно из того, что наземными средствами невозможно исследовать не только обратную сторону Луны и ее недра, но и поверхностные ее сгои; спектральный анализ, открытый свыше 100 лет тому назад, позволил определить химический состав самосветящихся объектов (типа звезд), атмосфер планет, межзвездного газа, но до применения космической техники даже состав лунного грунта оставался неизвестным.

Эффективность использования Луны может быть повышена, если в будущем в ее освоение, помимо автоматов, включится и человек.

Поэтому не удивительно, что уже в настоящее время разрабатываются и создаются проекты постоянных обитаемых лунных баз.

Прежде чем перейти к изложению основного содержания раздела, рассмотрим несколько вопросов, определяющих успешность жизнедеятельности человека на Луне. Главным образом это – наличие энергетических и сырьевых ресурсов, возможность создания необходимых помещений в специфических лунных условиях с учетом отсутствия атмосферы.

Последнее обстоятельство потребует строгой герметизации жилых помещений, оранжерей и других сооружений, в которых необходимо наличие газовой среды. Часть работы в условиях вакуума персоналу лунных баз придется выполнять в специальных скафандрах.

Обеспечение деятельности человека на Луне – особенно в условиях суровой двухнедельной ночи – определяет повышенные энергетические потребности, удовлетворение которых привозными средствами значительно бы сузило круг задач, решаемых на Луне. Каковы же лунные энергетические возможности в сравнении с земными?

Исторически так получилось, что на Земле основным источником энергии служит органическое топливо: сначала дрова, потом каменный уголь, торф, природный горючий газ и нефть; применение гидравлической и атомной энергии, хотя и возрастает, однако имеет относительно скромные размеры. Тепло земных недр и солнечный лучистый поток в качестве энергетических источников используются в незначительных количествах по следующим причинам. За сотни миллионов лет природа приготовила нам громадные запасы дешевого и доступного топлива, образовавшегося из растительных останков. Повсеместная утилизация тепла недр Земли нерентабельна в связи с тем, что повышение температуры с углублением на один километр составляет лишь 30° С; использование горячей воды и пара из подземных источников для сооружения геотермических станций оказывается целесообразным только в сейсмически активных районах, где эти источники близки к поверхности.

Применение солнечной энергии осложняется рядом обстоятельств: около 40 процентов солнечной радиации отражается в мировое пространство (в основном облаками и снежно-ледовым покровом Земли); примерно 30 процентов расходуется на испарение воды и подъем ее паров в атмосферу. Подходящий к поверхности солнечный поток очень неравномерен: ослабляется облачностью, изменяется в течение дня, времени года и т. д. (хотя и дает жизнь всему живому на Земле).

На Луне пока что твердо можно рассчитывать лишь на солнечную энергию, так как ее утилизация – при отсутствии атмосферы – может быть весьма эффективной.

Солнце является мощным и долговечным природным термоядерным реактором, и его использование в космосе для энергетических целей безусловно рационально.

Лучистый поток от Солнца непрерывно приносит к Луне (так же, как и к Земле) 1 400 ватт энергии на квадратный метр площади, перпендикулярной солнечным лучам, т. е. около 15 тысяч миллиардов киловатт энергии на освещенную лунную поверхность, что в 3000 раз превышает суммарную мощность всех эксплуатируемых человеком источников энергии.

Основной формой использования солнечной энергии на Луне будет, очевидно, преобразование ее в электрическую; естественно, что лунным днем солнечная энергия будет широко применяться для освещения и обогрева помещений и в различных производственных целях.

Современные кремниевые фотоэлементы, используемые для создания солнечных батарей (СБ) в качестве генераторов электроэнергии космических аппаратов, имеют КПД в пределах 10 – 13 процентов; минимальный вес СБ на 1 киловатт получаемой энергии составляет примерно 10 килограммов.

В настоящее время на базе кремниевых элементов спроектированы энергетические установки, имеющие площадь панелей СБ около 400 квадратных метров и обеспечивающие получение мощности 50 киловатт.

Физики надеются, что в ближайшее время КПД солнечных батарей можно будет довести до 25 процентов, используя лишь световую часть солнечной радиации. Читателю предоставляется возможность подумать над тем, как разумнее использовать хотя бы часть из остальных 75 процентов энергии солнечного потока, в основном излучаемых (в форме тепла) панелями солнечных батарей в пространство, – тем более, что дополнительный отвод тепла от панелей СБ снижает температуру и тем самым увеличивает их КПД.

На Луне найдет широкое применение, очевидно, еще одна форма энергоснабжения, используемая также и лунной ночью. Речь идет о получении электроэнергии с помощью полупроводниковых элементов, работающих на разности температур. На глубине одного-двух метров в лунном грунте постоянно сохраняется температура около минус 30° С; ее отличие от температуры поверхности составляет 100 – 150°, так как лунной ночью поверхность охлаждается до минус 130 – 170°, а лунным днем нагревается до плюс 100 – 130° С (исключая районы полюсов).

Наконец, при обнаружении на Луне необходимых видов сырья могут быть использованы и другие формы источников энергии: топливные, атомные и пр.

Таким образом, энергоснабжение всех лунных сооружений и установок, а также создание необходимого им теплового и светового режимов не вызывает каких-либо принципиальных инженерных Трудностей.

Не исключено, что в недрах лунных пород будут обнаружены естественные запасы топлива; на наш взгляд, их не следует использовать на Луне по прямому назначению в заметных масштабах. Гораздо рациональнее употреблять лунное топливо для дозаправки космических кораблей дальнего назначения, а также в качестве сырья химического производства на Луне (тем более, что при отсутствии атмосферы для сжигания топлива приходится тратить искусственно получаемый кислород).

Рис. 5. Одна из возможных схем лунного поселения

Специальные требования по световому режиму будут предъявлять лунные оранжереи; для их обеспечения (так же, как и для других целей) в период лунной ночи придется иметь значительные резервы энергии, запасенной днем.

Оранжереи, являющиеся поставщиком продуктов питания для персонала лунного поселения, должны примыкать к жилым помещениям, чтобы успешнее выполнять и второе свое назначение: преобразование выдыхаемого человеком углекислого газа в кислород; одна из возможных схем лунного поселения представлена на рис. 5.

Сооружение лунных баз, безусловно, потребует значительных усилий. На первых порах часть помещений и оборудование будут доставлены с Земли; однако дальнейшее строительство и обеспечение функционирования должны производиться с использованием местных ресурсов энергии и сырья.

Очевидно, что для строительно-монтажных работ на Пуне понадобятся специальные машины с большой степенью автоматизации, рассчитанные применительно к лунным условиям.

Как показали измерения автоматических станций «Луна-10», «Луна-12», «Луна-17» и «Сервейер», а также исследования образцов лунного грунта, доставленного на Землю космическими кораблями «Аполлон» и космическими автоматами «Луна-16» и «Луна-20», в лунном грунте содержатся все вещества, необходимые для широкой деятельности человека на Луне, – в первую очередь, это кислород и металлы. Весьма вероятно наличие большого количества воды в недрах Луны – что следует из анализа некоторых астрономических наблюдений, выполненного советскими учеными Г. Н. Каттерфельдом и П. М. Фроловым.

Технология выплавки металлов, выделения воды, получения кислорода и других элементов из лунных пород /же сейчас обстоятельно обсуждается в научно-технической литературе, отрабатывается экспериментально и находит положительное решение для условий их получения на Луне.

Проводятся, например, опыты по получению воды и кислорода восстановлением расплавленных силикатов метаном; рассматриваются химические процессы и соответствующие энергетические затраты для выделения воды из различных пород и разложения ее на кислород и водород в солнечных печах. Как известно, земные вулканические породы содержат от 1 до 8 процентов воды, а наличие вулканических образований на Луне теперь уже не вызывает никаких сомнений.

Однако, к сожалению, в образцах грунта – привезенного с Луны кораблями «Аполлон» и станциями «Луна-16» и «Луна-20» – вода не обнаружена (за исключением небольшого ее количества в двух образцах); есть основания полагать, что этот факт имеет место лишь для поверхностных слоев лунных пород.

Обнадеживающие данные в этом отношении получены детекторами ионов, установленными на Луне экипажами кораблей «Аполлон-12» и «Аполлон-14». 7 марта 1971 года детекторы зарегистрировали всплеск, который объясняется учеными выбросом п'аров воды из «лунного гейзера».

Рис. 6. Схема установки Звицкого для производства на Луне воды, кислорода, азота, продуктов питания и для других целей

Выброс паров воды совпал по времени с сейсмическими колебаниями, причем не было обнаружено ионов (например, ионов сернистого ангидрида), характерных для явлений вулканизма, что указывает, по-видимому, на факт истечения паров воды из трещин.

В связи с этим американский ученый доктор Джон Фримен, возглавляющий специальную исследовательскую группу, высказал предположение о возможности существования на Луне запасов воды и нефти.

Достаточно полно рассматриваемый вопрос решается в проекте американского физика Ф. Звицкого, предложившего комплексную установку для получения на Луне воды, кислорода и выращивания продуктивных растений. Общая схема установки показана на рис. 6 (зеркала автоматически следят за положением Солнца). Из карбоната кальция и лунных пород, содержащих воду, при температуре около 3000° С выпаривается вода и освобождается углекислый газ. Перегретый водяной пар (до его конденсации в воду) может быть направлен в турбину для выработки электроэнергии, углекислый газ поступает в теплицу с продуктивными растениями, из которой кислород, создаваемый растениями, подается, например, в жилые помещения.

В солнечном коллекторе с температурой порядка 4000° С из карбоната кальция можно выделить кислород, углерод и окись углерода. По расчетам Звицкого, солнечный коллектор площадью около 1 квадратного метра может обеспечить получение примерно 300 литров кислорода в час, а коллектор диаметром 5 метров – до 25 литров воды в сутки.