Предложен принцип освоения Луны путём доставки на её поверхность небольших объектов, которые, используя ресурсы окружающей среды, без привязки к поставкам с Земли, трансформируются в полноценные рабочие базы, способные самостоятельно функционировать и корректировать свою деятельность как в зависимости от окружающих условий, так и от изменения целей и задач миссии с Земли.

Введение

С момента первого прилунения рукотворного объекта (14.09.1959) цели земного присутствия на Луне менялись от идеологических (политических) до коммерческих. В настоящее время большинство таких целей – научные исследования. В соответствии с целями ставятся и задачи. В зависимости от задач сильно различаются выбор места проведения миссии на лунной поверхности и доставляемое оборудование.

Идеи создания на Луне горнодобывающих предприятий, обсерваторий, солнечных электростанций, заводов по производству ракетного топлива, космодромов и мощных волновых ретрансляторов, а также туристических путешествий были описаны теоретиками космонавтики уже более ста лет назад [ 1 ]. Но, несмотря на понимание значимости освоения Луны для человеческой цивилизации, на данный момент не существует экономически приемлемой программы развёртывания на ней полномасштабной хозяйственной деятельности.

Цель настоящей статьи – сформулировать и предложить энергоэффективный, а потому и экономически привлекательный путь освоения Луны, основанный на внедрении природоподобных технологий.

1. Обзор существующих подходов

Существует много различных проектов по развёртыванию лунных баз, разработанных в рамках космических программ разных стран (отечественных [ 2 ], американских [ 3 ], китайских [ 4 ]). У всех суть сводится к монтажу (людьми или роботами) единого комплекса из отдельных частей. Для этого части нужно доставить с Земли. Чтобы соединить части между собой, а перед этим перевезти от места посадки до места сборки, предлагается использовать грузовые луноходы. Во всех предложениях общим базовым принципом остаётся монтаж базы из отдельно доставляемых на Луну частей и постоянное обеспечение с Земли партиями изделий и деталей.

Различаются варианты размещения базы относительно поверхности Луны: полностью над поверхностью, полностью закопанные, частично вкопанные, засыпанные сверху реголитом.

За последнее десятилетие появились предложения по использованию непосредственно на Луне технологии 3D-печати [ 5 ].

Если присмотреться, в том числе к самому слову, то «СПОРА» – способ рациональной ассимиляции – это оптимальный подход к освоению Луны. Доставляемый на лунную поверхность объект должен развиваться, как споры растения или гриба.

2. Оценка существующих подходов

При существующем уровне технологий доставка с Луны на Землю любых материальных объектов экономически не окупается. Поэтому, как отмечено выше, на начальном этапе освоения Луны оправданными выглядят, например, научные миссии. Целью таких миссий является получение информации, для чего на месте должны быть произведены некоторые действия.

В случае пилотируемых миссий следует закладывать как массу необходимого для проведения количественных измерений оборудования, так и массу, связанную с экипажем. Последнее включает в себя непосредственно самих космонавтов, их скафандры, систему жизнеобеспечения и расходные вещества. Причём чем продолжительнее пилотируемая миссия, тем больше масса расходных веществ (продуктов питания и медикаментов).

На начальном этапе освоения Луны актуальны самые простые измерения и эксперименты, которые можно провести в автоматическом режиме. В этом случае доставлять грузы, связанные с экипажем, не требуется.

Для развёртывания минимально функционального опорного пункта на Луне в рамках существующих предложений требуются ощутимые затраты. Прежде всего, из-за доставки на лунную поверхность больших грузов: как непосредственно материалов, из которых планируется создавать базу, так и космонавтов, осуществляющих работы по её созданию. Получается, что для развёртывания полноценной лунной базы в рамках существующих подходов требуются либо запуски сверхтяжёлых ракет, либо много запусков ракет меньшей грузоподъёмности.

Рационализацией ситуации было бы решение задач по развёртыванию полноценной лунной базы при минимальном целенаправленном наборе задач. То есть запускать с Земли необходимо только то, что нецелесообразно производить на Луне: в первую очередь сложные приборы, блоки управления [ 6 ]. В идеале – обойтись одним стартом ракеты с Земли. Однако до настоящего времени найти информацию о таком проекте в открытых источниках автору не удалось.

3. Предложение

Идеал – осуществить создание лунной станции (начиная с первого прилунения на нетронутом месте до развёртывания полноценной базы) с одного запуска. Насколько это реально?

Кто осваивает новые места наиболее рационально в плане энергетических затрат и использования материальных ресурсов? Живая природа. О необходимости «подсмотреть», как природа создаёт свои объекты, с тем чтобы воспроизвести эти процессы в виде технологий сначала в лаборатории, а затем и в промышленности, говорилось в [ 7 ]. Из одного маленького зёрнышка вырастает целое растение, при этом увеличение в размерах и массе происходит на порядки.

Особенно заметно такое увеличение для некоторых растений и грибов – тех, кто размножается спорами. Если присмотреться (в том числе к самому слову), то спора – способ рациональной ассимиляции – это оптимальный подход к освоению Луны. Доставляемый на лунную поверхность объект должен развиваться, как споры растения или гриба. Для простоты в дальнейшем такой объект будем называть «спорой» (СПОРА также – станция проведения опытно-разведывательной апробации).

Суть предлагаемого подхода заключается в следующем. На Луну, в заранее намеченное в соответствии с целью миссии место, доставляется компактный объект. Этот объект представляет собой запрограммированный стандартный модуль с типовым набором оборудования на борту. Это оборудование должно позволить провести диагностику окружающей среды, чтобы выбрать оптимальный вариант дальнейших действий и осуществить их.

Для защиты от солнечного и галактического воздействия блок с радиационно уязвимыми элементами (микросхемами) сразу после прилунения может быть пенетрирован в толщу лунного грунта. Принципиально отметить, что второй этап развёртывания базы должен быть логическим продолжением первого, но он полностью зависит как от задач в рамках намеченной цели, так и от конкретных условий, в которых находится объект (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема развёртывания базы «СПОРА»

Следует провести замеры значений заданных параметров и по их результатам выбрать из заранее подготовленного набора вариантов последующих действий самый оптимальный.

Для дальнейшего развития потребуется специализированное оборудование. Но какое именно оборудование, для общего случая заранее предугадать невозможно. Именно в этом месте в рамках существующих подходов и возникает необходимость привлечения новых ресурсов с Земли (новые старты, дополнительные расходы). Отличие предлагаемого подхода заключается в том, что необходимые пути и средства для решения возникающих задач объект изыскивает самостоятельно. В частности, изготовление необходимого оборудования осуществляется на месте из доступных материалов.

На первом этапе – сборка из запчастей, входящих в стандартную комплектацию «споры» и находящихся непосредственно на её борту. К таким запчастям относятся расходные материалы, панели солнечных батарей, соединительные кабели, приборы, позволяющие проводить широкий спектр физических и химических измерений, различные датчики, линзы, ответственные детали инструментов, требующие особой прочности (сверла, долота, циркулярные диски и т. д.) и т. п.

На последующих этапах изготовление необходимых частей базы дополняется непосредственным производством деталей из предварительно обработанного реголита. Предварительная обработка реголита зависит от назначения создаваемого изделия. Так, для производства строительных конструкций реголит может спекаться в нужной форме с помощью сфокусированного солнечного света. Таким же способом можно изготавливать крупные монолитные сооружения. Для изготовления более сложных деталей, например фрагментов силовых элементов манипуляторов или иных устройств, может применяться метод 3D-печати (рис. 2).

Рис. 2. Вариант лунной базы «СПОРА» для сооружения инженерных конструкций:

1 – исходный модуль; 2 – загребание окружающей среды (реголита); 3 – транспортировка реголита; 4 – измельчение реголита в гранулометрически заданный порошок; 5 – 3D-печать необходимых изделий; 6 – монтаж объектов в соответствии с задачами миссии; 7 – продолжение исследований.

На первом этапе частицы реголита будут скрепляться специальной субстанцией, входящей в стандартный набор комплектации «споры». После развёртывания солнечных батарей и выхода на определённый уровень обеспечения энергией частицы реголита предполагается спекать между собой. В качестве источника нагрева рассматриваются сфокусированный солнечный свет (когда он доступен), сверхвысокочастотное и лазерное излучение. В этом случае предварительная подготовка реголита заключается в измельчении его до размеров, подходящих для выбранной технологии. Соответствующие разработки в отечественной практике имеются [ 8 ].

Основными задачами на первом этапе будут исследование окружающей среды (обстановки) и энергообеспечение. Наряду с этим нужна постоянная диагностика самого объекта (исправности, а также местоположения, ориентации и состояния движения или покоя относительно лунной поверхности и элементов её рельефа). В целях экономии энергии, особенно до развёртывания дополнительных энергоисточников, такую диагностику рационально проводить не непрерывно, а по мере изменений, происходящих с самим объектом или в окружающей среде.

В целях экономии энергии диагностику исправности лунной станции, а также её местоположения, ориентации и состояния движения или покоя относительно лунной поверхности рационально проводить не непрерывно, а по мере изменений, происходящих с самим объектом или в окружающей среде.

Исследование окружающей среды подразумевает сбор данных как для самодиагностики, так и для определения оптимальных действий по решению задач в соответствии с целями миссии.

Потребности в энергии будут меняться по мере развития «споры». На первом этапе источники энергии должны находиться в самом объекте, поскольку это обеспечит автономную работу вне зависимости от места прилунения. Такими источниками могут являться химические аккумуляторы или ядерный реактор.

За время их работы объект развернёт солнечные батареи. Принципиально отметить, что получение энергии должно наращиваться по мере необходимости. Самый простой (но не единственный) способ – увеличение площади солнечных батарей, например развёртывание новых фотоэлементов.

Такой подход полностью соответствует принципу природоподобия: вначале развитие растения происходит за счёт ресурсов, запасённых в диаспóре, а потом рост осуществляется включением в себя вещества окружающей среды за счёт фотосинтеза, причём площадь кроны растения соответствует его потребностям в энергии. При необходимости длительной (несколько лунных суток подряд) или постоянной работы в затенённых зонах в качестве постоянного источника энергии может выступить ядерный реактор.

Согласно специальным исследованиям, использование ядерной энергетической установки в таких условиях является фактически безальтернативным. В отличие от солнечных батарей реактор компактен и позволяет получать как электрическую, так и тепловую энергию [ 9 ]. Это может быть актуально, например, при промышленной добыче воды в «холодных ловушках». На определённом уровне развития лунного присутствия ядерная энергетика появится как технологический элемент многих производственных процессов. В Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» в рамках исследования, частью которого является настоящая работа, ведётся проработка вариантов развития энергетики для лунных баз с использованием ядерных реакторов.

В [ 10 ] на основании простого расчёта показано, что в нынешних условиях для создания стотонной лунной станции потребуется около 40 запусков ракеты типа «Протон». А в предлагаемом настоящей работой варианте ставится задача по созданию лунной станции при существенном сокращении запусков, в пределе «один старт – одна база». При этом только за счёт снижения числа запусков предлагаемый вариант может стать экономически выгоднее на порядок.

Безусловно, изготовить на месте всё, что может понадобиться для создания универсальной лунной базы, тем более на первом этапе, едва ли возможно. В первую очередь это сложные научные приборы и специальные устройства, их придётся доставлять с Земли. Но, во-первых, потребность в том или ином оборудовании, которое нельзя изготовить на месте, зависит от целей миссии и может быть учтена при комплектации «спор» до запуска. А во-вторых, в зависимости от складывающихся условий то, что остро необходимо, можно отправить с Земли, но в любом случае запусков при этом будет гораздо меньше, чем при существующем подходе.

Принципиально отметить, что получение энергии должно наращиваться по мере необходимости. Самый простой способ – увеличение площади солнечных батарей, например развёртывание новых фотоэлементов. Такой подход полностью соответствует принципу природоподобия: вначале развитие растения происходит за счёт ресурсов, запасённых в диаспóре, а потом рост осуществляется включением в себя вещества окружающей среды за счёт фотосинтеза.

Заключение

Таким образом, предложен природоподобный принцип освоения Луны, при котором доставленный на лунную поверхность объект в автоматизированном режиме может трансформироваться в функционально завершённую секцию базы (в предельном случае – полноценную базу), как автономно работающую, так и готовую к приёму экипажа. В настоящее время в НИЦ КИ ставится задача разработки технологии, идея которой описана в данной статье. На следующих этапах работы планируется провести количественные оценки величин и подбор необходимого оборудования.

Работа выполнена при поддержке
НИЦ «Курчатовский институт»
(приказ № 1840 от 19.08.2019).

Литература

1. Желнина Т. Н. Планы освоения Луны в трудах пионеров космонавтики (до середины 1930-х гг.) // Земля и Вселенная. 2013. № 3. С. 66-79.

2. Легостаев В. П., Лопота В. А. и др. Луна – шаг к технологиям освоения Солнечной системы. М.: РКК «Энергия», 2011. 584 с.

3. NASA Artemis [Электронный ресурс]. URL: https://www.nasa.gov/specials/artemis/ (Дата обращения: 14.08.2021).

4. China’s lunar and deep space exploration [Электронный ресурс]. URL: http://www.clep.org.cn/n5982315/index.html (Дата обращения: 14.08.2021).

5. Багров А. В., Нестерин И. М., Пичхадзе К. М., Сысоев В. К. и др. Анализ методов строительства конструкций лунных станций // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2014. № 4. С. 75-80.

6. Чеберко И. Академик Галимов: «Нужно налаживать производство на Луне» // Известия. 2016. 29 ноября.

7. Ковальчук М. В., Нарайкин О. С., Яцишина Е. Б. Природоподобные технологии: новые возможности и новые вызовы // Вестник Российской академии наук. 2019. Т. 89. № 5. С. 455-465.

8. Бобин В. А., Бобина А. В. Гироскопические горные машины для освоения полезных ископаемых Луны и строительства на ней постоянных поселений // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 2. С. 26-31.

9. Никитин В. П., Оглоблин Б. Г., Соколов Е. Н., Климов А. В. и др. Космическая ядерная энергетическая установка «Енисей» // Атомная энергия. 2000. Т. 88. № 2. С. 95-108.

10. Савиных В. П., Васильев В. П., Капранов Ю. С., Краснорылов И. И. и др. К вопросу о создании лунной базы // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъёмка. 2014. № 2. С. 3-10.

Reference

1. Zhelnina T. N. Plany osvoeniya Luny v trudakh pionerov kosmonavtiki (do serediny 1930-kh gg.). Zemlya i Vselennaya, 2013, no. 3, pp. 66-79.

2. Legostaev V. P., Lopota V. A. et al. Luna – shag k tekhnologiyam osvoeniya Solnechnoy sistemy. Moscow, RKK "Energiya", 2011. 584 p.

3. NASA Artemis. Available at: https://www.nasa.gov/specials/artemis/ (Retrieval date: 14.08.2021).

4. China’s lunar and deep space exploration. Available at: http://www.clep.org.cn/n5982315/index.html (Retrieval date: 14.08.2021).

5. Bagrov A. V., Nesterin I. M., Pichkhadze K. M., Sysoev V. K. et al. Analiz metodov stroitel'stva konstruktsiy lunnykh stantsiy. Vestnik NPO im. S. A. Lavochkina, 2014, no. 4, pp. 75-80.

6. Cheberko I. Akademik Galimov: "Nuzhno nalazhivat' proizvodstvo na Lune". Izvestiya, 2016, November 29.

7. Koval'chuk M. V., Naraykin O. S., Yatsishina E. B. Prirodopodobnye tekhnologii: novye vozmozhnosti i novye vyzovy. Vestnik Rossiyskoy akademii nauk, 2019, vol. 89, no. 5, pp. 455-465.

8. Bobin V. A., Bobina A. V. Giroskopicheskie gornye mashiny dlya osvoeniya poleznykh iskopaemykh Luny i stroitel'stva na ney postoyannykh poseleniy. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2019, no. 2, pp. 26-31.

9. Nikitin V. P., Ogloblin B. G., Sokolov E. N., Klimov A. V. et al. Kosmicheskaya yadernaya energeticheskaya ustanovka "Enisey". Atomnaya energiya, 2000, vol. 88, no. 2, pp. 95-108.

10. Savinykh V. P., Vasil'ev V. P., Kapranov Yu. S., Krasnorylov I. I. et al. K voprosu o sozdanii lunnoy bazy. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Geodeziya i aerofotos"emka, 2014, no. 2, pp. 3-10.

© Борисенко Д. И., 2021

История статьи:

Поступила в редакцию: 14.06.2021

Принята к публикации: 15.07.2021

Модератор: Гесс Л. А.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования: Борисенко Д. И. Природоподобный способ освоения Луны // Воздушно-космическая сфера. 2021. № 3. С. 42-49.