ЛУННЫЕ РЕСУРСЫ

Дата публикации 12.12.2017

   Луна может стать одним из первых потенциальных источников внеземных природных ресурсов. Современная стадия развития человечества сопровождается рядом неблагоприятных антропогенных воздействий на земную среду.

   В первую очередь это касается истощения материальных и энергетических запасов. При определенных условиях увеличение производства энергии и добычи полезных ископаемых может нанести непоправимый вред сегодняшней среде обитания человечества. С учетом этих глобальных процессов неизбежно возникнет потребность в исследованиях, связанных с добычей и переработкой лунных ресурсов. Цели и задачи исследования и освоения Луны для использования ее ресурсов на современном уровне развития космонавтики представляются следующими. Ресурсы, пригодные для использования на Луне.

  Луна обладает ресурсами полезных ископаемых, достаточными для развертывания и функционирования инфраструктуры лунного производства. Анализ образцов лунной породы показал большое содержание в них кислорода, кремния, железа, титана, алюминия. Практически весь спектр элементов таблицы Менделеева, имеющийся на Земле, присутствует и на Луне, но в разных количественных пропорциях. Самые общие подсчеты показывают, что в лунном карьере размером 100×100 м и глубиной 10 м (объем рыхлого вещества в естественном залегании) содержится значительное количество различных материалов. Не останавливаясь на вопросах технологии извлечения из лунного грунта определенных материалов, можно сказать, что такой карьер обеспечит получение ~40 000 т кремния, пригодного, например, для изготовления ячеек солнечных батарей, и      9 000 т титана для изготовления несущих конструкций высокой прочности и долговечности. Для производства электроарматуры или других элементов космических сооружений на Луне и в окружающем космосе можно получить 15…30 000 т алюминия, 5…25 000 т железа и некоторое количество магния, кальция, хрома и других химических элементов. Наконец, из того же объема лунного реголита (глобального слоя раздробленных пород) можно экстрагировать 80…90 000 т кислорода. Другими газами, необходимыми для осуществления определенных технологических процессов, могут быть имплантированные летучие элементы солнечного ветра (водород, гелий). Приведенные оценки основывались на средних значениях химического состава поверхностных пород Луны.

  В настоящее время появилась более современная и более детальная информация, полученная в процессе спектральных съемок с борта КА «ЛРО». Было получено более 4 000 спектральных изображений в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до видимого света. Данная информация была протестирована с помощью данных о химическом составе лунных образцов, доставленных на Землю по программе «Аполлон» и автоматическими станциями серии «Луна». Неожиданным результатом оказалось распространение поверхностных пород с повышенным содержанием титана. В то время как на Земле породы содержат в лучшем случае около 1% титана, содержание этого металла в лунных породах варьировалось в пределах 1…10%. Для исследователей до сих пор остается необъяснимым подобное повышенное его содержание в лунных породах. Предполагается, что источником такого химического состава реголитовых пород могут быть процессы, происходившие на ранних стадиях формирования Луны. Повышенное содержание титана характерно в основном для минерала ильменит, соединения, содержащего железо, титан и кислород. Также было обнаружено, что этот минерал является наиболее эффективным для процесса сохранения таких частиц солнечного ветра, как гелий-3 и водород. Сам же лунный грунт в целом может послужить отличным материалом для получения различных строительных материалов, например, лучших марок бетона, стекла, керамики, волокнистых и кристаллических композитных материалов.

   Одним из важнейших ресурсов Луны являются открытые в ХХI веке залежи водяного льда, который присутствует в полярных областях на дне вечно затененных кратеров. Присутствие на Луне воды облегчает создание системы обеспечения жизнедеятельности обитаемой лунной базы с постоянным присутствием на ней человека. Наличие воды позволяет производить на лунной поверхности компоненты ракетного топлива (кислород и водород) для заправки элементов транспортной системы, что позволит использовать в ее составе многоразовые корабли и комплексы и таким образом существенно повысить ее рентабельность. Естественным источником энергии на лунной орбите является солнечное излучение, максимум мощности которого приходится на видимую часть спектра. Поэтому для его сбора и направления на преобразователь-электрогенератор можно использовать оптические зеркала-концентраторы, отражатели различного типа и др. Преобразование солнечной световой энергии в электрическую могут обеспечить фотоэлектрические батареи, производство которых станет возможным на Луне из ее ископаемых. Такая энергетика может стать основной для космических объектов, развертываемых и функционирующих на поверхности Луны и в окололунном пространстве. Ресурсы для использования при формировании космической инфраструктуры. Перечень природных ресурсов Луны, пригодных для использования в космических конструкциях, обслуживающих решение различных задач в космическом пространстве, практически повторяет приведенный выше. Солнечная световая энергия, полученная на лунной поверхности, требует дополнительных устройств и систем для передачи ее на борт межпланетной станции или КА. Кислород и водород могут использоваться как компоненты ракетного топлива для обеспечения не только лунных, но и межпланетных транспортных систем. Железо, титан, алюминий, извлекаемые из лунных пород, и кремний, извлекаемый из лунных силикатов, могут послужить для изготовления солнечных энергетических установок, размещаемых на космических средствах. Ресурсы, пригодные для использования на Земле.

 Тема использования лунных ресурсов непосредственно на Земле в настоящее время вызывает наибольшие споры, т. к. встает вопрос о возможности реализации экономически эффективной системы организации их переработки непосредственно на месте и формирования значительного грузопотока при минимальных затратах и без невосполнимого ущерба земной окружающей среде. Пожалуй, экономически рациональное отношение «масса/стоимость» может сделать в ближайшем будущем рентабельными добычу и доставку на Землю редкоземельных металлов. Следует отметить, что в настоящее время уже начинает формироваться рынок подобных лунных материалов. Практиков, прежде всего, интересуют шесть элементов, известных как платиновая группа металлов (PGM): иридий, осмий, палладий, родий, рутений и собственно платина. Эти элементы, редко встречающиеся на Земле, обладают уникальными химическими и физическими свойствами, которые делают их жизненно необходимыми индустриальными материалами, в первую очередь, в ядерной энергетике и в области высоких технологий. Одновременно обнаруживаются новые данные наблюдений о значительной распространенности редкоземельных пород в поверхностных слоях лунного реголита в отдельных районах. Данные нейтронного спектрометра, установленного на борту КА Lunar Prospector, были использованы для сопоставления глобального распределения редкоземельных элементов гадолиния и самария по измерениям на малой высоте (30 ± 15 км). Эти результаты позволяют улучшить разрешение данных на поверхности и детальное представление о распространенности калия, редкоземельных элементов и фосфора (KREEP-породы) внутри и вокруг Моря Дождей и других районов. Независимой характеристикой распределения KREEP-пород на Луне стали результаты определения содержания тория. В целом эти данные позволили выявить обширный регион распространения редкоземельных пород, который включает такие лунные образования, как Океан Бурь и Море Дождей. Не исключено, что породы, обогащенные редкоземельными элементами, находятся в недрах Луны и выходили на поверхность в эпоху интенсивных процессов лунного вулканизма, когда образовывались лунные моря.

  Кроме лунных пород с их богатым содержанием редкоземельных элементов для потребностей землян можно использовать особенности как атмосферы Луны, так и окололунного пространства с целью создания внеземных источников энергии. Необходимость этого связана с тем, что угроза изменения климата на Земле заставляет искать экологически чистые источники энергии необходимой мощности. Наряду с земными потребуются внеземные экологически чистые источники энергии, прежде всего солнечной. Известные проекты генерации энергии за пределами атмосферы и энергоснабжения Земли из космоса с использованием солнечных электростанций на геостационарной орбите не удовлетворяют требованиям рентабельности и экологической чистоты. Масса солнечных электростанций, электрическая мощность которых может внести ощутимый вклад в энергоснабжение Земли, оценивается величиной в сотни тысяч и даже миллионы тонн. Выведение такой массы на околоземную орбиту может повлечь необратимые экологические последствия, а стоимость подобных проектов может быть сопоставима с бюджетом всех стран мирового сообщества. Намного целесообразнее солнечные электростанции создавать из лунных ресурсов непосредственно на Луне или в окололунном пространстве, например в точках либрации системы Земля–Луна. На Луне нет атмосферы, облачности, сезонных изменений погодных условий, и поток солнечного излучения на поверхности Луны практически такой же, как на околоземной орбите. Солнечные установки могут работать с наибольшим эффектом в течение всего, двухнедельного по продолжительности, дня. А в полярных областях принципиально возможно создание непрерывно работающих гелиоэлектростанций. Энергию с Луны и из окололунного пространства на Землю можно будет передавать посредством лазерного излучения с использованием переотражателей. Использование ресурсов Луны и условий космического пространства создают предпосылки для создания уже в настоящем столетии больших космических конструкций, позволяющих управлять потоками солнечной энергии для земных нужд. Важным энергетическим ресурсом для использования в наземных термоядерных электростанциях может оказаться лунный гелий-3.

 Следует лишь отметить, что задачи добычи и использования термоядерного топлива гелия-3, как составляющей экологически чистой энергетики, в обозримом будущем рассматривать рано, т. к. еще не решена проблема создания термоядерного реактора на этом топливе. В более отдаленной перспективе освоения Солнечной системы гелий-3 может использоваться как топливо для высокоэффективного термоядерного ракетного двигателя. Отсутствие нейтронного излучения в реакции термоядерного синтеза с гелием-3 и высокий КПД могут существенно уменьшить массу радиационной защиты и холодильника-излучателя энергоустановки, что позволит создать перспективные термоядерные межпланетные буксиры с низкой удельной массой и ресурсом в десятки лет. Ресурсы для парирования угрозы изменения климата на Земле. Угроза изменения климата на Земле, связанного с быстрым ростом углеводородной энергетики, заставляет искать способы управления потоками солнечной энергии мощностью в сотни тераватт. Использование ресурсов Луны и условий космического пространства создают предпосылки для создания уже в настоящем столетии гигантских космических конструкций, позволяющих решать эти задачи с целью формирования требуемого термического режима приземного слоя атмосферы. Луна как полигон для отработки нового поколения высокоэффективной космической техники и новых технологий Проблемы освоения планет Солнечной системы потребуют создания и испытания жилых, технических и подсобных блоков в естественных условиях иного небесного тела. Луна из-за ее непосредственной близости к Земле может стать наиболее приемлемым полигоном для отработки перспективных технологий и космических средств, которые позволят наиболее эффективно развертывать и использовать межпланетную космическую инфраструктуру.

 В настоящее время существуют проекты первых жилых помещений на лунной поверхности. Наиболее часто в этих технических решениях используется лунный грунт в качестве защитного материала, поскольку даже небольшой слой этого материала (1…3 м) может служить надежной защитой от космической радиации и падения небольших метеоритов. Создание обитаемой базы с соответствующей инфраструктурой и промышленно- технологическим обеспечением на любом небесном теле является дорогостоящей программой, причем одной из основных статей затрат будут транспортные. Поэтому среди важнейших задач программы освоения Луны и Солнечной системы в целом, причем с самых первых этапов, является создание высокоэффективной и, самое главное, экономичной транспортной системы для обслуживания как пассажирских, так и грузовых перевозок. Сверхтяжелые ракеты-носители (РН), хотя они и необходимы для доставки неделимых грузов большой массы на низкую околоземную опорную орбиту, не смогут заметно снизить удельную стоимость транспортировки. Существенный экономический эффект может быть достигнут при создании полностью или частично многоразовых РН, разгонных блоков и других составляющих транспортной системы, в т. ч. обслуживающих грузопотоки, к примеру, между окололунной опорной орбитой и поверхностью Луны.

   По-видимому, наиболее рациональным может стать создание многоразового межорбитального электроракетного буксира. Такой буксир электрической мощностью от 0,5 до нескольких мегаватт, курсирующий между околоземной и окололунной опорными орбитами, может обеспечить транспортировку грузов, масса которых в два-три раза больше по сравнению с доставляемыми традиционной транспортной системой на основе химических разгонных блоков, при этом удельная стоимость доставки единицы массы с орбиты Земли на орбиту Луны будет в два-три раза ниже. Дальнейшее снижение удельной стоимости транспортировки возможно при увеличении ресурса электроракетных двигателей и энергоустановки, а также уменьшении стоимости дозаправки буксира рабочим телом в условиях космоса. Все существующие в настоящее время проекты освоения небесных тел Солнечной системы предполагают обеспечение их средствами передвижения. Конструкции этих транспортных средств, разрабатываемых на базе традиционных движителей (колесных и др.), требуют дальнейшего изучения и совершенствования, в т. ч. с учетом условий эксплуатации: планетная пыль имеет высокий уровень абразивного воздействия на трущиеся части, что быстро выводит их из строя. С этой точки зрения необходимо создание транспортных средств на базе ракетных двигателей. Эта проблема переходит в более широкое направление отработки технологии создания механизмов и сооружений внеземного (в частности, лунного) назначения. Представляется очевидным, что активная деятельность на Луне потребует создания и испытания энергетических установок внеземного назначения на основе солнечной и ядерной энергии. В более широком плане Луна предоставит большие возможности для создания и испытания промышленных комплексов внеземного назначения, включая роботизированные добывающие, перерабатывающие и производственные комплексы. Высокую энергетическую эффективность будут иметь термоядерные двигатели, с помощью которых человек сможет проникнуть в самые отдаленные уголки Солнечной системы.

Источник

Поделиться