Освоение космоса – сложный, но неизбежный этап эволюции человечества

Сценарий освоения человеком космоса, расселения за пределами Земли, представляется сверхзадачей для современной цивилизации, и понадобится не одно десятилетие только для выработки правильной стратегии, учитывая, что космос – самая агрессивная из всех сред, где когда-то побывал человек. Однако освоение космоса и его ресурсов является неизбежной ступенью человеческой эволюции, а различные природные, техногенные, антропогенные и иные катаклизмы будут лишь ускорять процесс его освоения, тем самым повышая шансы на выживание человеческого вида в долгосрочной перспективе [ 1 ].

С тех пор как в начале 70-х годов прошлого столетия экипаж «Аполлона-17» осуществил последнюю посадку на Луну, каких-либо серьёзных шагов по освоению космоса человеком сделано не было, за исключением постоянного присутствия на орбитальных станциях. Самые оптимистичные проекты начала XX века по-прежнему кажутся далёкой перспективой, а темпы освоения космоса оказались гораздо скромнее, чем предполагали учёные, философы и мечтатели. Из всех существующих проектов на сегодняшний день можно упомянуть лишь весьма амбициозные планы Илона Маска и его корпорации SpaceX по колонизации Марса [ 2 ] и общий концептуальный проект-программу Игоря Ашурбейли, возглавляющего Космическое государство Асгардия [ 3 ].

Реализация первого проекта в обозримом будущем невозможна по причине отсутствия технологий безопасной доставки астронавтов на большие расстояния и их полноценного существования на Марсе, а второй мегапроект подразумевает создание государства с чистого листа. На этом пути потребуется решить большое количество проблем философского, социального, юридического, технического и технологического характера, однако не исключено, что в случае успеха освоение космоса пойдёт уже совсем иными темпами.

Несколько иначе обстоят дела с промышленным освоением ресурсов космоса, преимущественно Луны, околоземного космического пространства (ОКП), а также астероидов и комет [ 4 ]. Эти ресурсы являются природными и подразумевают не только источники вещества – минералов или минералообразующих элементов, но и источники энергии. Кроме того, к ресурсной базе космоса в полной мере относится и само пространство, например геостационарные орбиты или иные участки ОКП и планет, на которых наиболее выгодно располагать КА, обсерватории, привязные платформы или лифтовые (тросовые) системы [ 5 ].

Третья и шагающая вслед за ней четвёртая промышленные революции требуют всё большего количества энергоресурсов, обеспечить которые не в силах даже атомные электростанции, не говоря уже о возможностях возобновляемых источников энергии. С учётом динамики индустриального потребления редкоземельные металлы, такие как вольфрам, кобальт и никель, иссякнут ещё до конца этого столетия [ 6 ]. Поскольку потребности человечества в ресурсах постоянно растут, а борьба за них на всех этапах эволюции человечества являлась причиной большинства конфликтов, вполне вероятно, что эта борьба в самом скором времени распространится и на космическое пространство [ 7 ].

Весьма жёсткую позицию занимают США, не стесняясь провозглашать свой приоритет в разработке полезных ископаемых на Луне. «Соглашения Артемиды», в теории декларируемые США для предотвращения конфликтов [ 8 ], говорят лишь о серьёзных намерениях возвратиться на Луну. Так или иначе, они подразумевают навязывание правил игры в космосе с возможным дальнейшим применением мер воздействия к тем странам, которые будут их нарушать. То есть экономическое и политическое влияние будут иметь место ещё и в космосе.

Активно противится этим соглашениям Китай, пытаясь создать свою коалицию, поскольку Китайское национальное космическое управление (China Aerospace Science and Technology Corporation – CNSA) имеет свои далеко идущие планы по созданию «Экономической зоны Земля – Луна» [ 9 ]. Хотя оно и не спешит их полностью раскрывать – официальный сайт CNSA недавно объявил о создании Международной лунной исследовательской станции [ 10 ], где под словом «международной» следует понимать «китайско-российской» с явной привязкой к планам Роскосмоса. Таким образом, назревает очередной виток космической гонки, но только не в сфере научного и технического приоритета, а в сфере очень жёсткой борьбы за ресурсную базу.

В сложившейся ситуации такой пока ещё крупной космической державе, как Россия, придётся приложить немало усилий, чтобы удержать лидерство в космосе, особенно в том случае, если Международная космическая станция перестанет эксплуатироваться. И поддерживать статус космической державы можно будет только при условии наличия адекватной стратегии освоения космоса, а именно активного освоения Луны, которое может идти как в направлении добычи полезных ископаемых, так и в направлении научных исследований (например, строительство телескопов) или, что ещё лучше, в обоих направлениях. Однако в любом случае потребуется строительство лунных баз, поскольку голословные планы, не подкреплённые активными действиями, очень быстро приведут к тому, что самые выгодные участки Луны будут заняты теми, кто в состоянии их освоить.

Скептические прогнозы, говорящие о том, что в ближайшие 20-25 лет Россия не будет способна самостоятельно создать свою базу на Луне, ничем не обоснованы. Строительство обитаемой лунной станции не требует каких-либо прорывных технологий: современные технические решения и средства доставки, имеющиеся в России, уже позволяют начать освоение Луны в полном объёме. Тем не менее строительство лунной станции значительно ускорится, если оно станет совместной национальной многолетней программой, например, стран БРИКС.

Безусловно, разработка и строительство лунной базы, даже с учётом опыта создания орбитальных станций, будут представлять собой крайне сложную задачу и будут сопряжены с большими трудностями. Потребуется учесть огромное количество условий и факторов, таких как медико-биологические и антропогенные, навигационные и селенодезические, астрономические и физические, геологические и минералогические, а также логистические, биоэтические и ещё целый ряд других.

Навигационная система на Луне

Первоочередная задача, которую необходимо решить ещё до начала строительства и даже посадки первых КА со строительной техникой и элементами конструкций, – это разработка навигационной системы, в основе которой лежит создание каркаса селенодезической системы координат (ССК) [ 11 ]. Сейчас этот каркас основывается исключительно на наземных наблюдениях, проводимых в оптическом диапазоне. Многочисленные ряды наблюдений позволили установить положение оси вращения Луны и выбрать нулевой меридиан, однако при таких наблюдениях земная атмосфера накладывает очень жёсткие ограничения на точность получаемых измерений. Поскольку на Луне нет идеальных «точечных» объектов, точность определения положений самых мелких деталей лунной поверхности не превышает 2 км, при этом улучшить эту точность наземными наблюдениями уже не удастся.

На Земле системы спутникового глобального позиционирования функционируют достаточно давно и позволяют определять местоположение объекта в режиме реального времени с точностью менее 5 метров [ 12 ]. Но достигнутая к настоящему времени точность измерения координат объектов на Луне недопустимо мала для активных работ на её поверхности, в том числе для посадки спускаемых аппаратов, и, особенно, для перемещения луноходов. Поэтому крайне необходимо обеспечить точность позиционирования объектов на Луне не хуже 10 м хотя бы в областях, представляющих наибольший интерес.

Принципы глобальной навигации, применяемые для определения координат на Земле, не годятся для Луны, поскольку в этом случае количество орбитальных спутников будет сопоставимо с количеством спускаемых и самоходных аппаратов, используемых для строительства лунных баз. Для этого требуется разработать лунную навигационную систему на иных принципах, которые позволят, во-первых, обойтись минимальным числом навигационных спутников и, во-вторых, постепенно наращивать всю систему позиционирования от локальной области до всей поверхности Луны, увеличивая при этом оперативность и точность измерений.

Один из вариантов, предложенных для создания таких систем, в частности ССК, сводится к установке и использованию на поверхности Луны многоволновых световых маяков, допускающих их наблюдение из космоса, а также спутников для их наблюдения, которые помимо прочего должны решать задачу самоопределения своего пространственного положения относительно звёзд и самой Луны [ 13 ]. Такая система позволит не только достичь требуемой точности позиционирования аппаратов на поверхности Луны, но и постоянно улучшать её при условии наращивания количества маяков в зонах стратегических интересов, а группировка спутников, требуемых для метрологических навигационных измерений, будет состоять всего из двух КА.

Космодром на Луне

Вторая по важности задача, которую необходимо решить ещё до начала строительства самой базы, – это развёртывание космодрома. Однако космодром сам по себе как комплекс сооружений, предназначенных для отправки, приёма и обслуживания КА, на первоначальном этапе строительства имеет больше утилитарную роль. Гораздо более важно обеспыливание прилегающих к базе территорий, которое будет достигнуто при его строительстве.

В отсутствии атмосферы лунная пыль достаточно легко приобретает электрический заряд, что способствует её налипанию на поверхности КА, оборудование и скафандры [ 14 ]. Кроме того, вследствие перемалывания метеоритами коренной породы в осколочное вещество эта пыль на протяжении миллионов лет не подвергалась эрозии, сохраняя свои абразивные свойства. Имея субмикронные размеры и малую массу, такая пыль легко сцепляется даже с самыми гладкими поверхностями. Поскольку мягкая посадка КА на Луне будет осуществляться посредством реактивных двигателей по нормали к поверхности при почти нулевых боковых скоростях, а само торможение наиболее эффективно непосредственно перед посадкой, то реактивные струи тормозных двигателей будут поднимать большое количество лунной пыли.

Снижения этого эффекта можно добиться только посредством создания обеспыленных площадок, по которым космонавты смогут перемещаться от КА к объектам лунной инфраструктуры [ 15 ]. Для их оборудования можно использовать технологию 3D-печати, применяемую для строительства жилых и технических сооружений на Луне, а в качестве способа нагрева печатающей головки – сферические зеркала-концентраторы, которые будут фокусировать солнечный свет. Температура в фокусе такого зеркала превысит 1500 °C, что заведомо выше температуры плавления реголита. Таким образом, с помощью концентраторов солнечной энергии, себестоимость которых будет невысока, можно создавать прочный, но не очень массивный монолитный слой с гладкой структурой, практически не содержащий пылинок.

В случае если ССК к началу строительства космодрома будет создана, а точность посадки будет достигать 10-15 м, то размер такой обеспыленной площадки не будет превышать площадь 10 000 м². В целом размер космодрома будет в существенной степени определяться грузопотоком и точностью навигации на момент начала его строительства. В перспективе, при дальнейшем усовершенствовании ССК, можно начать комплексное проектирование обитаемых станций, в которых жилые модули будут связаны целиком обеспыленными переходами непосредственно с КА.

Принципы строительства лунных баз

Возведение любого сооружения на Луне будет связано с огромными финансовыми, техническими и энергетическими затратами, поэтому использование присутствующих там природных материалов будет обязательным условием всех проектов капитального строительства. Имеющиеся на Луне практически в неограниченных количествах реголит и коренная лунная порода (базальт) являются вполне пригодным материалом для строительства на любой точке поверхности. Благодаря своим высоким прочностным характеристикам и газонепроницаемости при условии их проплава, а также низкой лунной гравитации эти породы позволят строить сооружения высотой в несколько сотен этажей.

Модульные проекты, например долговременная база на Луне под названием «Звезда» (впоследствии названая «Барминград»), разрабатываемая под руководством конструктора В. П. Бармина в КБ общего машиностроения, ныне АО «ЦЭНКИ», создавались около полувека назад в соответствии с текущими целями и задачами и, в первую очередь, исходя из имеющихся технологий того времени [ 16 ]. Однако даже с учётом применения современных технологий такие проекты практически нереализуемы. Обусловлено это не только сверхвысокой стоимостью разработки модулей, средств доставки, но и отсутствием всё той же ССК: если точность определения положений небольших объектов на Луне не превышает 2 км, то текущая точность приземления КА на её поверхность имеет форму эллипса с размерами 15 ´ 30 км. При доставке нескольких модулей лунной базы все они будут рассеяны в этом эллипсе [ 11, 13, 17 ]. Учитывая неоднородность рельефа лунной поверхности, возникнет надобность по доставке разбросанных на этой площадке модулей в точку сборки, что в свою очередь потребует обеспечения базы средствами механизированной техники – подъёмными кранами, грейдерами, экскаваторами и т. д. Как следствие, произойдёт лавинообразное увеличение стоимости и без того дорогого проекта. Хотя этот замысел так и не был реализован, были сформулированы основные положения для строительства будущих лунных баз.

В масштабном российском проекте последних лет «Луна-7» компании «Лин Индастриал» [ 18 ] предлагается применять уже имеющиеся отечественные наработки, но с небольшим отличием – готовые модули не засыпаются реголитом, а накрываются платформой, засыпаемой в свою очередь грунтом. В проекте много внимания уделено средствам доставки модулей, но никак не развитию инфраструктуры на территории развёртывания базы.

Кроме искусственно создаваемых сооружений предлагалось использовать, например, естественные полости Луны, однако от этой идеи пришлось отказаться практически сразу ввиду сложности поиска таких полостей, высокой трудоёмкости и длительности реализации проектов [ 19 ]. Хотя вопрос о возможности использования лавовых трубок всё ещё обсуждается, этот вариант не представляется целесообразным ещё и по причине невозможности обеспечения безопасности, а также невозможности создания логистических связей в таких сложных и в целом неудобных пространственных структурах.

Важной особенностью строительства обитаемых баз должно быть следование принципу come and settle – «прилетай и заселяйся», в основе которого лежит замысел роботизированного строительства практически всех модулей базы, а также наладки систем жизнеобеспечения, при котором космонавты прибывают в уже готовые и полностью рабочие модули.

Космическими агентствами многих стран предложены различные проекты строительства поселений на Луне, и практически все они основываются на технологиях 3D-печати (аддитивных технологиях). Возводимые посредством этих технологий сооружения могут быть построены как целиком из чистого реголита, так и с использованием различных добавок, например периклаза (MgO), являющегося составной частью различных огнеупорных материалов – огнеупоров, что позволит компенсировать резкие температурные перепады на поверхности Луны и обеспечить защиту от небольших метеоритов.

Если использование имеющегося на Луне сырья позволит возводить большинство сооружений, то строительную технику так или иначе необходимо будет доставлять с Земли. В этом отношении применение мобильных солнечных 3D-принтеров, использующих в качестве источника питания солнечную энергию, является наиболее оптимальным решением.

В России разработки таких принтеров ведутся, но не настолько активно, чтобы начать строительство уже сейчас. Так, Самарский государственный технический университет (ФГБОУ ВО «СамГТУ») предложил концепцию проекта под названием «Селенолит» [ 20 ]. Предполагается, что материалом для 3D-печати искусственных блоков послужит лунный реголит, а в составе 3D-принтера будут два роботизированных модуля – гелиолитограф и манипулятор. Гелиолитограф должен фокусировать солнечный свет с помощью четырёх зеркал, в результате чего реголит будет спекаться в твёрдые каменные блоки заданной формы, а манипулятор будет собирать строительный материал из лунной пыли и перемещать готовые блоки.

Идея в целом интересная, однако данное решение не является рациональным, поскольку экстремальные условия на Луне (отсутствие атмосферы) в обязательном порядке потребуют строительства монолитных и, следовательно, газонепроницаемых конструкций. Строительство сооружений из блоков, даже сцементированных расплавленным веществом, не позволит обеспечить абсолютную газонепроницаемость, а использование надувных конструкций для поддержания внутреннего давления в помещениях потребует усиления стеновых конструкций, чтобы избежать их деформаций из-за перепада давления, но это приведёт к удорожанию проекта. Такие сооружения можно использовать для строительства ангаров и других построек хозяйственного назначения.

Тем не менее уже имеется немалое количество концептов лунных баз, включая российские, в которых применяются всевозможные виды готовых, насыпных, надувных и комбинированных конструкций, а в качестве технологий предлагается целый ряд решений, начиная от выборочного лазерного спекания и заканчивая высокотемпературным синтезом [ 21 ]. В данной статье мы не будем рассматривать имеющееся многообразие различных проектов, остановимся только на текущем проекте под названием PLUS (Permanent LUnar Station), разрабатываемом коллаборацией российских учёных, инженеров и архитекторов. В проекте участвуют представители ИНАСАН, МАрхИ, Московского и Самарского политехов, НПО имени С. А. Лавочкина и ИПКОН РАН. Их цель – создание проекта лунной базы, которую можно в короткие сроки построить на Луне с использованием уже имеющихся технологий.

Эта задача не из лёгких, поскольку необходимо, опираясь на земные требования комфорта, создать решения, которые в недалёкой перспективе можно изменять без ущерба для поселенцев, то есть легко трансформировать для создания более благоприятной, функциональной и комфортной среды обитания. Таким образом, необходимо выполнение одного из наиболее важных условий – база должна иметь возможность реплицироваться в зависимости от текущих требований (последовательно наращиваться по мере роста числа обитателей или требований к объёму научных и производственных помещений), а всё необходимое дооснащение новых модулей должно быть легко осуществлено силами команды. При этом само строительство – подготовка оснований и грунтов, возведение стеновых конструкций, перекрытий и куполов – должно происходить средствами роботизированной техники. Это второе по важности условие. База должна включать в себя все необходимые для жизнедеятельности и научно-исследовательской работы модули: жилые, научные, медицинские, производственные, складские, утилизационные, кают-компании и пр. (рис. 1).

Поскольку на Луне отсутствуют процессы, приводящие к разрушению построек, как на Земле, а основная опасность – это метеоритные удары, то построенное на Луне будет сохраняться многие столетия. И несмотря на то, что спустя время представление о красоте, пропорциях и комфорте может сильно измениться, построенные модули должны соответствовать всем текущим требованиям по эргономике, комфорту и функционалу с расчётом на недалёкое будущее.

В отличие от земных условий, на Луне будет неограниченная возможность подземного строительства, но только при условии полной утилизации извлечённого из проходок грунта. Создание терриконов из отвалов будет недопустимо, а с помощью строительных 3D-принтеров все отходы можно будет использовать для строительства. Но это будет уже следующий этап строительства. На данном, «нулевом» этапе планируется создание базы, рассчитанной на постоянное проживание в комфортных (насколько это реально для экстремальной среды) условиях 6-8 человек с возможным запасом расширения до 12-16 человек.

Эскизный проект базы PLUS представляет собой сочленённые шестигранные модули, расположенные согласно их предназначению таким образом, чтобы обеспечить наиболее удобное перемещение сотрудников от жилых зон к рабочим, а также с учётом дальнейшего переоборудования базы из двухсекционной в трёхсекционную (рис. 1 и 2). При этом возведение дополнительных модулей будет возможно при нахождении экипажа в уже имеющихся модулях, для этого при строительстве стеновых сооружений в местах возможного сочленения с новыми модулями необходимо установить гермодвери.

Рис. 2. План-схема трёхсекционной постоянной лунной станции (Permanent LUnar Station)

Форма и размер модулей выбраны исходя из следующих требований:

• среднеевропейский стандарт жилой площади на одного человека;
• антропогенные факторы, характерные для Луны с её низкой гравитацией;
• прочностные характеристики монолитных конструкций из переплавленного базальта;
• требования к радиационной защите помещений;
• необходимость получения максимального внутреннего объёма при минимальном размере стеновых элементов;
• скорость возведения модулей 3D-принтерами;
• эффективность состыковки модулей между собой.

Размеры модулей в процессе составления проектной документации могут незначительно изменяться, основываясь на новых данных о веществе коренной породы Луны, эргономических требованиях или появлении стойких к радиации материалов. Следует отметить, что возведение конструкций на небесных телах, равно как и на Земле, должно базироваться на СНиПах и ГОСТах, которые для таких объектов ещё не разработаны. Их составление также внесёт соответствующие коррективы. В случае если объём одного модуля окажется мал для предназначенных задач, возможно частичное использование смежных модулей, например кают-компании или оранжереи (рис. 2).

Дальнейшее расширение базы может происходить не только методом возведения новых модулей, но и методом надстройки верхних этажей. Их количество может быть достаточно большим, учитывая низкую силу тяжести на Луне, что в свою очередь будет ещё и эффективной защитой от радиации.

Радиационная защита базы PLUS сводится к боковой и верхней. Первая достигается широкими стенами толщиной до 1 м, усиливается спекаемыми реголитовыми блоками, которые устанавливаются на наружные поверхности стен с помощью замковых соединений «ласточкин хвост». Они легко демонтируются в случае, если к данной стене необходимо пристроить внешний модуль. Вторая формируется с помощью парапета, служащего ограничителем для засыпки верхнего перекрытия измельчённым до определённой фракции базальтом, поверх которого можно также уложить спечённые реголитовые блоки в виде купола [ 22 ]. Если над первым этажом базы будут возводиться второй, третий и далее этажи, парапет будет служить основанием для стен следующих этажей. Базальтовый щебень легко удаляется, а купольная конструкция ввиду наличия запатентованных замковых соединений у блоков легко демонтируется.

Рис. 3. План-схема жилых модулей, санитарного модуля (вверху) и кают-компании (внизу). Рисунок В. А. Савиновой, МАрхИ

Рис. 4. План-схема оранжерейного модуля. Рисунок В. А. Савиновой, МАрхИ