Возвращение человека на Луну постепенно перестаёт быть разовой экспедицией и всё больше превращается в проект по созданию долговременного присутствия за пределами Земли. Космические агентства и частные компании уже рассматривают строительство постоянных баз, научных станций и инфраструктуры, которая позволит астронавтам находиться на поверхности Луны месяцами или даже годами.
Однако перед этим необходимо решить одну из главных проблем любой внеземной колонии — снабжение кислородом. Доставлять воздух для дыхания с Земли чрезвычайно дорого, поэтому учёные всё активнее работают над технологиями, которые позволят получать необходимые ресурсы непосредственно на Луне. Новое исследование показывает, что лунный грунт может оказаться гораздо более ценным ресурсом, чем считалось ранее.
Почему кислород остаётся одной из главных проблем космических миссий
На Международной космической станции часть кислорода производится прямо на орбите, однако оборудование для этого регулярно получает необходимые материалы с Земли.
На Луне подобная схема становится значительно сложнее. Каждый килограмм груза требует огромных затрат на запуск, транспортировку и посадку. Если будущие лунные базы будут полностью зависеть от поставок кислорода с Земли, стоимость их эксплуатации окажется колоссальной.
Кроме дыхания, кислород нужен и для других задач. Он используется в системах жизнеобеспечения, может участвовать в производстве воды и является одним из основных компонентов ракетного топлива.
Фактически без стабильного источника кислорода говорить о полноценном освоении Луны невозможно.
На Луне кислорода гораздо больше, чем кажется
На первый взгляд может показаться, что Луна полностью лишена кислорода.
У неё практически отсутствует атмосфера, поэтому свободного кислорода там действительно нет. Однако проблема заключается не в количестве элемента, а в его химической форме.
Исследования образцов, доставленных миссиями «Аполлон» и другими программами, показали, что лунный грунт содержит огромное количество кислорода. По оценкам учёных, около 40–45 процентов массы реголита приходится именно на этот элемент.
Реголитом называют слой пыли, мелких камней и раздробленных пород, покрывающий поверхность Луны.
Проблема состоит в том, что кислород там связан с другими элементами в составе минералов и оксидов. Чтобы использовать его для дыхания или производства топлива, эти химические связи необходимо разрушить.
Что такое лунный реголит
Лунный грунт сильно отличается от привычной земной почвы.
На Луне нет ветра, дождя и биологических процессов, поэтому реголит формировался в основном под воздействием миллиардов лет метеоритных ударов. Постоянные столкновения дробили породы и превращали поверхность спутника в слой чрезвычайно мелкой абразивной пыли.
Основу реголита составляют минералы, содержащие кремний, железо, магний, кальций и кислород.
Именно поэтому лунная пыль рассматривается как потенциальный источник не только кислорода, но и различных строительных материалов для будущих баз.
Учёные предлагают буквально выпаривать кислород из грунта
Одним из наиболее перспективных методов считается пиролиз.
Суть технологии заключается в нагреве материала до чрезвычайно высоких температур. При достаточном нагреве оксиды начинают разрушаться, а содержащийся в них кислород высвобождается.
Для Луны этот метод особенно интересен по нескольким причинам.
Во-первых, на поверхности спутника практически отсутствует атмосфера. Во-вторых, там доступно огромное количество солнечной энергии. Учёные предлагают использовать специальные зеркала и концентраторы, которые будут собирать солнечный свет и направлять его в небольшую область, создавая экстремально высокие температуры.
Фактически речь идёт о создании гигантской солнечной печи прямо на поверхности Луны.
Лунный вакуум помогает технологии работать эффективнее
Интересно, что отсутствие атмосферы на Луне становится преимуществом.
На Земле воздух частично рассеивает солнечное излучение и влияет на высокотемпературные процессы. На Луне подобных ограничений нет. Солнечный свет достигает поверхности практически без потерь, а вакуум способствует выделению газов при нагреве пород.
Особенно привлекательными считаются районы возле южного полюса Луны.
Некоторые возвышенности там освещаются Солнцем до 90 процентов времени. Именно поэтому большинство современных проектов лунных баз рассматривают этот регион как один из главных кандидатов для будущего освоения.
Эксперименты уже проводятся на Земле
Для проверки технологии исследователи используют специальные аналоги лунного грунта.
В одном из крупнейших солнечных исследовательских комплексов мира во Франции учёные испытали установку, способную концентрировать солнечный свет в десятки тысяч раз. Внутри вакуумной камеры образцы искусственного реголита нагревались до температур около 2000 градусов Цельсия.
При таких условиях минералы начинают плавиться и частично испаряться.
В результате химические связи разрушаются, а кислород выделяется в газообразной форме.
Эксперименты подтвердили работоспособность самой идеи, хотя эффективность процесса пока остаётся сравнительно невысокой.
Пока результаты скромные, но технология работает
Во время испытаний исследователи смогли извлечь около 35 миллиграммов кислорода из небольшой гранулы искусственного реголита массой чуть более трёх граммов.
На первый взгляд такие объёмы кажутся незначительными.
Однако для учёных главным результатом стало подтверждение самого принципа работы технологии. Теперь задача заключается в масштабировании процесса и повышении его эффективности.
Следующий этап предполагает создание условий, ещё более близких к настоящей лунной среде.
Лунный грунт может давать не только кислород
Одним из самых интересных результатов исследования стало обнаружение полезных побочных продуктов.
После нагрева часть вещества превращается в стеклоподобный материал, а испарившиеся компоненты оседают на стенках реактора в виде различных соединений.
Это означает, что технология потенциально может выполнять сразу несколько задач.
Помимо получения кислорода она способна разделять различные компоненты реголита. В дальнейшем такие вещества можно использовать для изготовления деталей, строительных блоков, инструментов и элементов инфраструктуры непосредственно на Луне.
Подобный подход называется использованием местных ресурсов, или ISRU — In Situ Resource Utilization.
Именно эта концепция считается ключевой для будущего освоения Луны и Марса.
Почему нельзя просто привезти всё с Земли
Каждый запуск космического аппарата связан с огромными расходами.
Даже современные тяжёлые ракеты ограничены по массе полезной нагрузки. Если будущая база будет полностью зависеть от земных поставок воды, воздуха, топлива и строительных материалов, стоимость её существования окажется крайне высокой.
Поэтому космические агентства стремятся научиться использовать местные ресурсы.
Тот же подход планируется применять и на Марсе, где рассматриваются проекты получения топлива из местной атмосферы и воды из подповерхностного льда.
Луна становится своеобразным испытательным полигоном для подобных технологий.
Какие трудности ещё предстоит решить
Несмотря на успешные эксперименты, до промышленного получения кислорода на Луне ещё далеко.
Учёным необходимо значительно повысить эффективность процесса. Кроме того, оборудование должно выдерживать крайне суровые условия лунной среды.
Лунная пыль представляет отдельную проблему.
Она чрезвычайно мелкая, острая и абразивная. Во время миссий «Аполлон» пыль повреждала оборудование, проникала внутрь модулей и доставляла серьёзные неудобства астронавтам. Любая промышленная установка должна будет надёжно работать в условиях постоянного контакта с реголитом.
Дополнительно потребуется решить вопросы хранения и очистки полученного кислорода.
После извлечения его необходимо отделить от других газов, сжать и подготовить для дальнейшего использования.
Кислород нужен не только людям
Будущие лунные базы будут потреблять кислород не только для дыхания экипажей.
Он может использоваться для производства воды, поддержания биологических систем и создания ракетного топлива. В сочетании с водородом кислород образует один из наиболее эффективных компонентов современных ракетных двигателей.
Если на Луне удастся наладить собственное производство топлива, спутник может превратиться в важный транспортный узел для дальнейших экспедиций в глубокий космос.
В таком случае корабли смогут заправляться за пределами Земли, что значительно упростит миссии к Марсу и другим объектам Солнечной системы.
Освоение Луны постепенно превращается в инженерную задачу
Ещё несколько десятилетий назад идея добычи кислорода из лунной пыли казалась элементом научной фантастики.
Сегодня подобные технологии уже проходят реальные испытания. Исследователи не просто обсуждают теоретические модели, а строят установки, проверяют эффективность процессов и рассчитывают параметры будущих промышленных комплексов.
Главный вывод последних исследований заключается в том, что Луна может оказаться значительно более полезным миром, чем считалось ранее. Её поверхность содержит огромные запасы связанного кислорода, а сочетание солнечной энергии и естественного вакуума создаёт условия для его извлечения.
До появления полноценных кислородных заводов на Луне ещё остаются серьёзные технические препятствия. Однако сама возможность получать жизненно важные ресурсы непосредственно из лунного грунта постепенно превращается из эксперимента в реальную основу будущих внеземных поселений.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
