На uCrazy 9 лет 8 месяцев
Какой должна быть лунная колония
Самые холодные места на Земле и рядом не стоят близко к температуре лунной ночи - и создать базу, которая будет способна оградить поселенцев от такой температуры, очень нелегко. В течение многих десятилетий мысли о колонизации Луны волновали ученых и дальновидных людей. На экранах телевизоров и мониторов появлялись самые разные концепции лунных колоний.
Возможно, лунная колония будет следующим логичным шагом для человечества. Это наш ближайший сосед по звездам, который находится в каких-то 383 000 километрах от нас, что упрощает поддержку ресурсами. Кроме того, на Луне в избытке гелия-3, идеального топлива для термоядерных реакторов, которого на Земле очень мало.
Маршрут для постоянной лунной колонии теоретически набрасывали разные космические программы. Китай выразил заинтересованность в размещении базы на обратной стороне Луны. В октябре 2015 года стало известно, что Европейское космическое агентство и Роскосмос планируют ряд миссий к Луне, чтобы оценить возможности для размещения постоянных поселений.
Тем не менее у нашего спутника есть ряд проблем. Один оборот Луна совершает за 28 земных дней, а лунная ночь длится 354 часа - больше 14 земных дней. Длинный ночной цикл означает существенный спад температур. Температура на экваторе варьируется от 116 градусов по Цельсию днем до -173 градусов ночью.
Лунная ночь будет короче, если разместить базу на Северном или Южном полюсе. "Есть много причин строить такую базу на полюсах, но необходимо учитывать и другие факторы, помимо часов солнечного света", говорит Эдмонд Троллоп, инженер по космическим операциям в Telespazio VEGA Deutschland. Как и на Земле, на полюсах может быть очень холодно.
На лунных полюсах Солнце будет перемещаться вдоль горизонта, а не по небу, поэтому придется выстраивать боковые панели (в форме стен), что усложнит строительство. Большая плоская база на экваторе собирала бы много тепла, но чтобы добраться до тепла на полюсе, придется строить вверх, а это непросто. "При разумно выбранном месте, разницу температур можно будет с легкостью контролировать", говорит Волкер Майвальд, ученый Немецкого аэрокосмического центра DLR.
Широкая вариативность температур в цикле дня и ночи означает, что придется обеспечивать лунные базы не только достаточной изоляцией от леденящего холода и жгучей жары, но и справляться с термическими напряжениями и тепловым расширением.
Тепловая защита
Первые роботизированные миссии на Луну, вроде советских миссий "Луна", были спроектированы прожить один лунный день (две земных недели). Посадочные модули миссий NASA Surveyor могли возобновить работу на следующий лунный день. Но урон, нанесенный компонентам во время ночи, зачастую не позволял получить научные данные.
Луноходы советской космической программы с одноименным названием, которая проводилась в конце 60-70-х годов, включала элементы радиоактивного нагрева с хитроумной системой вентиляции, что позволило аппаратам прожить до 11 месяцев. Луноходы впадали в спячку ночью и запускались с солнцем, когда становилась доступна солнечная энергия.
Один из вариантов избежать высоких тепловых колебаний - закопать здание в лунный реголит. Этот порошкообразный материал, который покрывает поверхность Луны, имеет низкую теплопроводность и высокую устойчивость к солнечной радиации. Это значит, что он обладает сильными теплоизолирующими качествами, и чем глубже колония, тем выше тепловая защита. Кроме того, поскольку база будет нагреваться, а тепло на Луне передается плохо из-за отсутствия атмосферы, это снизит дальнейшее термическое напряжение.
Тем не менее, хотя идея "закопать" колонию, в принципе, была принята успешно, на практике это будет невероятно сложной задачей. "Я пока не видел проекта, который мог бы с этим совладать, - говорит Волкер. - Предполагают, это будут роботизированные строительные машины, которыми можно будет управлять удаленно".
Врезать или накрыть?
Другой метод, с помощью которого можно было достичь нужного результата, лежит в самой земле. Пенетраторы, способные пробить поверхность в процессе удара, уже предлагались (но в меньших масштабах) для нескольких лунных миссий, вроде японской Lunar-A и британского MoonLite (в настоящее время проект отложен, хотя идея посадки с проникновением была настолько убедительной, что ЕКА решило использовать ее для механизма быстрой доставки образцов для анализа с поверхности и подповерхности планеты или луны). Преимущество этой концепции в том, что база зарывается при столкновении, а значит подвергнется относительно умеренным термическим условиям прежде, чем будет защищена.
Тем не менее останется проблема с обеспечением энергией, поскольку типичный проект с проникновением предлагает лишь очень ограниченные возможности по использованию солнечной энергии. Есть также проблемы нагрузок высокого ускорения при столкновении и высокой точности, необходимая для наведения. "Силу столкновения, необходимую для зарывания структуры, будет очень трудно согласовать с необходимыми функциями пилотируемой базы", говорит Троллоп.
Альтернативой такому решению будет насыпать лунный реголит сверху на колонию, возможно, используя машины типа гидравлических экскаваторов. Но чтобы сделать это эффективно, придется работать быстро.
Если лунный реголит не получится насыпать на колонию, тогда над ней можно развернуть "шляпу" многослойной изоляции (MLI), которая предотвратит рассеивание тепла. Теплоизоляционные материалы MLI широко используются на космических аппаратах, защищая их от холода космоса.
Преимущество такого метода в том, что он позволяет использовать массивы солнечных батарей для сбора и хранения энергии в течение двухнедельного лунного дня. Но если будет собрано недостаточно энергии, придется учитывать и альтернативные методы генерации энергии.
Термоэлектрические генераторы могли бы обеспечивать колонию энергией в течение ночного цикла: при своей низкой эффективности они, впрочем, не имеют проблем с обслуживанием, поскольку не имеют движущихся частей. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) предлагают большую эффективность и имеют очень компактный источник топлива. Но базу придется экранировать от радиации, при этом позволив ей передавать тепло. Логистика установки генератора со съемным радиоактивным изотопом кишит проблемами: риски будут на всем пути, от взлета с Земли до посадки на Луну, наряду с проблемами политики и безопасности.
Можно было бы использовать и реакторы ядерного деления, но с ними будет еще больше проблем, включая перечисленные выше.
А если будут разработаны термоядерные реакторы, их тоже можно будет использовать на Луне, учитывая избыток гелия-3. Также могут пригодиться батареи - вроде литий-ионных - при условии достаточной генерации солнечной энергии за две недели ночного цикла.
Есть идея обеспечить энергией станцию на поверхности во время ночного цикла с помощью орбитального спутника, который будет передавать энергию через микроволны или лазер. Исследование этой идеи проводилось 10 лет назад. В ходе исследования выяснилось, что для большой лунной базы, требующей сотни киловатт энергии, поставляемой с орбиты 50-киловаттным лазером, ректенна (тип антенны, которая конвертирует электромагнитную энергию в прямой электрический ток) будет 400 метров в диаметре, а на спутнике - 5 квадратных километров солнечных батарей. На Международной космической станции порядка 3,3 кв. км солнечных панелей.
Несмотря на значительные трудности в строительстве колонии, которая должна будет противостоять суровому ночному лунному циклу, они не являются непреодолимыми. При соответствующей тепловой защите и соответствующей системе выработки энергии во время длинной двухнедельной ночи, мы можем получить лунную колонию уже в ближайшие двадцать лет. И тогда сможем обратить свой взор подальше.
Маршрут для постоянной лунной колонии теоретически набрасывали разные космические программы. Китай выразил заинтересованность в размещении базы на обратной стороне Луны. В октябре 2015 года стало известно, что Европейское космическое агентство и Роскосмос планируют ряд миссий к Луне, чтобы оценить возможности для размещения постоянных поселений.
Тем не менее у нашего спутника есть ряд проблем. Один оборот Луна совершает за 28 земных дней, а лунная ночь длится 354 часа - больше 14 земных дней. Длинный ночной цикл означает существенный спад температур. Температура на экваторе варьируется от 116 градусов по Цельсию днем до -173 градусов ночью.
Лунная ночь будет короче, если разместить базу на Северном или Южном полюсе. "Есть много причин строить такую базу на полюсах, но необходимо учитывать и другие факторы, помимо часов солнечного света", говорит Эдмонд Троллоп, инженер по космическим операциям в Telespazio VEGA Deutschland. Как и на Земле, на полюсах может быть очень холодно.
На лунных полюсах Солнце будет перемещаться вдоль горизонта, а не по небу, поэтому придется выстраивать боковые панели (в форме стен), что усложнит строительство. Большая плоская база на экваторе собирала бы много тепла, но чтобы добраться до тепла на полюсе, придется строить вверх, а это непросто. "При разумно выбранном месте, разницу температур можно будет с легкостью контролировать", говорит Волкер Майвальд, ученый Немецкого аэрокосмического центра DLR.
Широкая вариативность температур в цикле дня и ночи означает, что придется обеспечивать лунные базы не только достаточной изоляцией от леденящего холода и жгучей жары, но и справляться с термическими напряжениями и тепловым расширением.
Тепловая защита
Первые роботизированные миссии на Луну, вроде советских миссий "Луна", были спроектированы прожить один лунный день (две земных недели). Посадочные модули миссий NASA Surveyor могли возобновить работу на следующий лунный день. Но урон, нанесенный компонентам во время ночи, зачастую не позволял получить научные данные.
Луноходы советской космической программы с одноименным названием, которая проводилась в конце 60-70-х годов, включала элементы радиоактивного нагрева с хитроумной системой вентиляции, что позволило аппаратам прожить до 11 месяцев. Луноходы впадали в спячку ночью и запускались с солнцем, когда становилась доступна солнечная энергия.
Один из вариантов избежать высоких тепловых колебаний - закопать здание в лунный реголит. Этот порошкообразный материал, который покрывает поверхность Луны, имеет низкую теплопроводность и высокую устойчивость к солнечной радиации. Это значит, что он обладает сильными теплоизолирующими качествами, и чем глубже колония, тем выше тепловая защита. Кроме того, поскольку база будет нагреваться, а тепло на Луне передается плохо из-за отсутствия атмосферы, это снизит дальнейшее термическое напряжение.
Тем не менее, хотя идея "закопать" колонию, в принципе, была принята успешно, на практике это будет невероятно сложной задачей. "Я пока не видел проекта, который мог бы с этим совладать, - говорит Волкер. - Предполагают, это будут роботизированные строительные машины, которыми можно будет управлять удаленно".
Врезать или накрыть?
Другой метод, с помощью которого можно было достичь нужного результата, лежит в самой земле. Пенетраторы, способные пробить поверхность в процессе удара, уже предлагались (но в меньших масштабах) для нескольких лунных миссий, вроде японской Lunar-A и британского MoonLite (в настоящее время проект отложен, хотя идея посадки с проникновением была настолько убедительной, что ЕКА решило использовать ее для механизма быстрой доставки образцов для анализа с поверхности и подповерхности планеты или луны). Преимущество этой концепции в том, что база зарывается при столкновении, а значит подвергнется относительно умеренным термическим условиям прежде, чем будет защищена.
Тем не менее останется проблема с обеспечением энергией, поскольку типичный проект с проникновением предлагает лишь очень ограниченные возможности по использованию солнечной энергии. Есть также проблемы нагрузок высокого ускорения при столкновении и высокой точности, необходимая для наведения. "Силу столкновения, необходимую для зарывания структуры, будет очень трудно согласовать с необходимыми функциями пилотируемой базы", говорит Троллоп.
Альтернативой такому решению будет насыпать лунный реголит сверху на колонию, возможно, используя машины типа гидравлических экскаваторов. Но чтобы сделать это эффективно, придется работать быстро.
Если лунный реголит не получится насыпать на колонию, тогда над ней можно развернуть "шляпу" многослойной изоляции (MLI), которая предотвратит рассеивание тепла. Теплоизоляционные материалы MLI широко используются на космических аппаратах, защищая их от холода космоса.
Преимущество такого метода в том, что он позволяет использовать массивы солнечных батарей для сбора и хранения энергии в течение двухнедельного лунного дня. Но если будет собрано недостаточно энергии, придется учитывать и альтернативные методы генерации энергии.
Термоэлектрические генераторы могли бы обеспечивать колонию энергией в течение ночного цикла: при своей низкой эффективности они, впрочем, не имеют проблем с обслуживанием, поскольку не имеют движущихся частей. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) предлагают большую эффективность и имеют очень компактный источник топлива. Но базу придется экранировать от радиации, при этом позволив ей передавать тепло. Логистика установки генератора со съемным радиоактивным изотопом кишит проблемами: риски будут на всем пути, от взлета с Земли до посадки на Луну, наряду с проблемами политики и безопасности.
Можно было бы использовать и реакторы ядерного деления, но с ними будет еще больше проблем, включая перечисленные выше.
А если будут разработаны термоядерные реакторы, их тоже можно будет использовать на Луне, учитывая избыток гелия-3. Также могут пригодиться батареи - вроде литий-ионных - при условии достаточной генерации солнечной энергии за две недели ночного цикла.
Есть идея обеспечить энергией станцию на поверхности во время ночного цикла с помощью орбитального спутника, который будет передавать энергию через микроволны или лазер. Исследование этой идеи проводилось 10 лет назад. В ходе исследования выяснилось, что для большой лунной базы, требующей сотни киловатт энергии, поставляемой с орбиты 50-киловаттным лазером, ректенна (тип антенны, которая конвертирует электромагнитную энергию в прямой электрический ток) будет 400 метров в диаметре, а на спутнике - 5 квадратных километров солнечных батарей. На Международной космической станции порядка 3,3 кв. км солнечных панелей.
Несмотря на значительные трудности в строительстве колонии, которая должна будет противостоять суровому ночному лунному циклу, они не являются непреодолимыми. При соответствующей тепловой защите и соответствующей системе выработки энергии во время длинной двухнедельной ночи, мы можем получить лунную колонию уже в ближайшие двадцать лет. И тогда сможем обратить свой взор подальше.
Комментарии1
