Обнаружение водяного льда в постоянно затенённых областях у полюсов Луны стало одним из важнейших открытий для будущего освоения естественного спутника Земли. В отличие от большинства ресурсов, воду невозможно просто заменить другим материалом. Она нужна людям непосредственно для жизни, сельского хозяйства и санитарии, а также может использоваться для получения кислорода и компонентов ракетного топлива.
Поэтому наличие льда в полярных кратерах резко изменило представления о возможностях долговременного присутствия человека на Луне. Если воду можно добывать непосредственно на поверхности спутника, не доставляя каждый килограмм с Земли, становится возможным рассматривать не только кратковременные экспедиции, но и постоянные базы.
Однако между небольшой научной базой и настоящим городом существует огромная разница. Чем больше становится население, тем быстрее расходуется вода, а замкнутые системы жизнеобеспечения не способны вернуть абсолютно всё потерянное количество. Даже очень высокая степень переработки постепенно приводит к накоплению потерь.
Новые расчёты показывают, насколько существенным может оказаться это ограничение. Даже если принять для расчёта исключительно щедрое предположение о наличии 1 млрд американских тонн воды, поселение с населением около миллиона человек при переработке воды на уровне Международной космической станции сможет существовать с таким запасом порядка века. Для действительно долгосрочного поселения этого недостаточно.
При этом речь идёт не о доказательстве невозможности любых лунных поселений. Напротив, расчёты показывают, что небольшие поселения могут иметь совершенно другие перспективы. Основная проблема возникает при переходе от исследовательской базы к крупному населённому пункту.
Почему вода на Луне вообще стала главным ресурсом
Луна значительно суше Земли, но представление о ней как о полностью безводном мире оказалось неверным. В полярных районах существуют участки поверхности, куда солнечный свет практически не попадает на протяжении чрезвычайно длительного времени.
Такие области называются постоянно затенёнными регионами. Они находятся преимущественно внутри глубоких полярных кратеров и других участков рельефа, геометрия которых не позволяет Солнцу подниматься над горизонтом.
В некоторых из этих областей температура может быть ниже 110 К, то есть примерно −163 °C. При таких условиях лёд способен сохраняться чрезвычайно долго. В условиях лунного вакуума вода не ведёт себя так, как на Земле: при достаточно низких температурах испарение или сублимация могут быть очень медленными.
Поэтому постоянно затенённые области превратились в своеобразные естественные «холодные ловушки», где летучие вещества могли накапливаться и сохраняться в течение геологического времени.
Откуда на Луне взялась вода
Происхождение всей лунной воды не сводится к одному источнику. Одним из важных процессов считается доставка воды и других летучих веществ астероидами и кометными телами на протяжении истории Луны.
В первые эпохи существования спутника его поверхность подвергалась интенсивной бомбардировке. Некоторые принесённые при столкновениях вещества могли впоследствии оказаться в областях, где условия позволяли им сохраняться.
Кроме того, источниками водорода и воды могли быть другие процессы, связанные с взаимодействием лунной поверхности с солнечным ветром. Однако для оценки будущего поселения важен прежде всего сам факт наличия воды и её распределение, а не только происхождение отдельных запасов.
Почему «на Луне есть вода» ещё не означает «на Луне есть доступная вода»
Это принципиальное различие.
Орбитальные аппараты позволяют обнаруживать признаки присутствия льда и оценивать его распределение, но будущей базе потребуется не просто наличие воды где-то в районе полюса. Её необходимо будет добыть, отделить от реголита, переработать, доставить к месту использования и повторно использовать.
Пока неизвестно, насколько равномерно лёд распределён внутри конкретных постоянно затенённых областей. Он может находиться в разных формах и концентрациях, а его извлечение может оказаться значительно сложнее, чем предполагает простая оценка общей массы.
Поэтому оценка общего количества воды на Луне автоматически не является оценкой количества воды, которое будущая инфраструктура сможет извлечь.
Что такое постоянно затенённые области
Полярные области Луны имеют необычную геометрию. Из-за наклона лунной оси некоторые участки рельефа могут оставаться в тени практически постоянно.
Особенно важны днища глубоких кратеров. Их внутренние части закрыты от прямого солнечного света окружающими стенками, поэтому они могут сохранять крайне низкую температуру на протяжении миллиардов лет.
Это принципиально отличается от большей части лунной поверхности, которая регулярно испытывает резкие температурные изменения между лунным днём и ночью.
В постоянно затенённых областях условия значительно стабильнее с точки зрения поступления солнечного тепла. Именно поэтому они стали главным объектом поисков лунного льда.
Лёд может сохраняться чрезвычайно долго
При температурах ниже примерно 110 К расчётные потери водяного льда в некоторых холодных ловушках могут быть крайне малыми. В опубликованных оценках говорится, что в таких условиях сублимация может уносить не более миллиметров льда за миллиард лет.
Это не означает, что вся вода на Луне обязательно находится в виде больших сплошных ледяных пластов. Напротив, одно из важнейших неизвестных связано именно с физическим состоянием и распределением льда внутри реголита.
Для будущей добычи это имеет огромное значение. Масса вещества может быть большой, но если лёд распределён в виде примеси среди большого количества грунта, его извлечение потребует существенно больше энергии и оборудования.
Почему оценка в миллиард тонн считается очень щедрой
Для расчёта устойчивости крупного поселения исследователи использовали значение 1 млрд тонн воды, или около 910 млн метрических тонн.
Это не утверждение, что на Луне точно находится именно такое количество доступной воды. Это выбранная для расчёта щедрая исходная оценка.
Фактические оценки лунных запасов значительно неопределённее. Разные методы дистанционного исследования дают разные результаты, а непосредственных измерений большого количества лунного грунта из постоянно затенённых областей пока нет.
Поэтому число в 1 млрд тонн удобно использовать как верхний или благоприятный сценарий для проверки вопроса: что произойдёт даже при достаточно большом исходном запасе?
Если крупное поселение не оказывается устойчивым даже в таком сценарии, проблема становится очевидной.
Сколько это на самом деле
Миллиард тонн звучит как практически неисчерпаемый запас. Однако для крупного города это не так.
На Земле человечество расходует огромные объёмы воды не только на непосредственное питьё и бытовые нужды, но и на производство пищи, промышленность и другие процессы. На Луне значительную часть воды придётся возвращать в замкнутый цикл, поскольку постоянно доставлять её с Земли экономически крайне сложно.
При этом даже небольшие проценты потерь приобретают огромное значение, если население исчисляется сотнями тысяч или миллионами человек.
Именно масштаб населения превращает относительно небольшой процент потерь в огромную абсолютную массу.
Сколько воды требуется одному человеку
Для расчётов использовалась оценка примерно 125 тонн воды на человека в год для непосредственного личного потребления. Эта величина основана на оценках бытового использования воды взрослым человеком в США.
Здесь важно понимать, что речь не идёт о количестве воды, которое человек выпивает. В расчёт входят различные виды непосредственного использования воды человеком, включая бытовые потребности.
Но личное потребление — лишь часть проблемы.
Гораздо больше воды может потребоваться для производства пищи.
Сельское хозяйство становится главным потребителем
Оценки водного следа производства продовольствия значительно выше непосредственного бытового потребления. В использованной модели для производства пищи рассматривается диапазон примерно от 2 до 5 тонн воды на человека в сутки.
Это эквивалентно примерно 730–1825 тонн воды в год на человека.
Такие цифры нельзя понимать как объём воды, который человек буквально выпивает или использует для душа. Это оценка количества воды, связанного с производством необходимой пищи.
Именно поэтому перенос земных способов производства продовольствия на Луну создаёт огромную нагрузку на ограниченный водный ресурс.
Что произойдёт с городом из миллиона человек
Если представить поселение численностью 1 млн человек и принять миллиард тонн воды в качестве исходного запаса, без эффективной переработки ресурс расходуется чрезвычайно быстро.
При использованных в расчётах значениях город такого размера способен израсходовать весь миллиард тонн примерно за 2,4 года.
Это не прогноз реального лунного города. На практике поселение, рассчитанное на долговременную работу, не стало бы использовать воду таким образом. Почти вся пригодная для повторного использования вода должна была бы возвращаться в замкнутый цикл.
Но расчёт хорошо показывает исходную проблему: даже миллиард тонн не является огромным запасом, если воду расходует миллион человек и система практически не возвращает её обратно.
Почему переработка воды полностью не решает проблему
На Земле потеря небольшого процента воды часто не выглядит критической. На Луне ситуация совершенно другая.
Если поселение получает воду из местного льда, каждая потерянная тонна должна либо быть восполнена новой добычей, либо доставлена извне.
Замкнутый цикл позволяет многократно использовать одну и ту же воду. Но ни одна реальная система не способна обеспечить стопроцентное возвращение ресурса.
Часть воды может уходить вместе с отходами, теряться в технологических процессах, загрязняться или становиться временно недоступной для повторного использования.
Поэтому эффективность переработки становится одним из ключевых параметров устойчивости поселения.
Опыт Международной космической станции
Международная космическая станция предоставляет один из наиболее наглядных примеров того, насколько высоко можно поднять эффективность использования воды в космической среде.
К 2023 году система станции достигла примерно 98% эффективности восстановления воды. Ранее показатель составлял около 94%.
Разница между 94 и 98% кажется небольшой, если выражать её в процентах. Но для замкнутой системы это очень существенное улучшение, поскольку оно резко уменьшает абсолютные потери.
Именно уровень 98% был использован как ориентир для одного из наиболее благоприятных сценариев лунного поселения.
Даже 98% переработки недостаточно для миллиона жителей
Если миллионное поселение сможет перерабатывать воду с эффективностью около 98%, расчёт показывает, что запас в 1 млрд тонн будет исчерпан примерно за 100 лет.
Это намного лучше, чем несколько лет без переработки, но всё равно не соответствует представлению о практически неограниченном существовании города.
Столетие может казаться огромным сроком в человеческой жизни. Но для инфраструктуры, которую предполагается создавать как постоянное поселение на другом небесном теле, это уже ограниченный период.
Особенно важно, что речь идёт о благоприятном сочетании сразу нескольких условий: большой исходный запас воды и очень высокая эффективность её переработки.
Что происходит при уменьшении населения
Масштаб населения радикально меняет ситуацию.
Если при том же исходном запасе воды вместо миллиона жителей рассматривать население около 100 тысяч человек, расчётный срок использования ресурса при 98-процентной переработке увеличивается примерно до 1000 лет.
Для поселения из 10 тысяч человек срок становится ещё больше, а для небольшой базы примерно на тысячу человек водный ресурс при таких допущениях уже перестаёт быть столь жёстким ограничением на человеческих временных масштабах.
Именно поэтому небольшая лунная база и миллионный город — это с точки зрения ресурсов совершенно разные проекты.
Небольшая база не равна лунному городу
Научная станция может быть рассчитана на относительно небольшое число людей, ограниченное время и постоянное пополнение запасов.
Город предполагает другое. Он должен обеспечивать большую численность населения, производство пищи, промышленность, ремонт инфраструктуры, санитарные системы и многочисленные процессы, которые увеличивают общий оборот ресурсов.
При этом рост населения увеличивает не только число потребителей. Он требует увеличения производства, транспорта, энергетики, жилой инфраструктуры и других систем.
Поэтому переход от тысячи жителей к миллиону нельзя рассматривать как простое увеличение существующей базы в тысячу раз.
Энергия на Луне может оказаться меньшим ограничением
Интересный результат расчётов заключается в том, что вода и энергия оказываются в разных категориях проблем.
На первый взгляд добыча воды из постоянно затенённых кратеров должна требовать огромного количества энергии. Ведь лёд находится в холодных местах, а солнечный свет туда практически не попадает.
Но рядом находятся участки с совершенно противоположными условиями.
Кромки некоторых полярных кратеров получают солнечный свет значительно дольше, чем большинство других районов Луны. Поэтому именно границы между постоянно затенёнными и освещёнными областями могут быть особенно интересны для размещения энергетической инфраструктуры.
Почему полярные районы удобны для солнечной энергетики
В районе полюсов Солнце может проходить низко над горизонтом. В подходящих местах это позволяет получать солнечный свет в течение очень значительной части времени.
Для расчёта рассматривается возможность установки высоких конструкций с фотоэлектрическими панелями. В модели потенциальная генерация на таких площадках оценивается примерно в 3 ГВт для километровых башенных конструкций с солнечными массивами.
Это расчётная возможность, а не существующая на Луне энергетическая система. Сегодня таких конструкций там нет.
Но сам результат важен для оценки баланса ресурсов: при определённых допущениях производство электроэнергии не становится главным ограничителем численности населения.
Почему энергия всё равно остаётся важной
Из этого не следует, что энергетика на Луне будет простой.
Необходимо будет построить генераторы, доставить или изготовить на месте оборудование, обеспечить накопление энергии, передавать её между освещёнными и затенёнными районами и поддерживать инфраструктуру в условиях вакуума, радиации и сильных температурных перепадов.
Расчёты лишь показывают, что при рассмотренных сценариях энергии потенциально может быть достаточно для обеспечения крупного населения.
Вода при этом остаётся более жёстким ресурсным ограничением.
Что ещё потребуется для жизни на Луне
Вода — не единственный ресурс, необходимый постоянному поселению.
Людям понадобятся кислород, пища, строительные материалы, источники энергии, оборудование, запасные части и системы защиты от окружающей среды.
Однако вода имеет особое значение, потому что она одновременно участвует сразу в нескольких ключевых процессах.
Её используют для питья и санитарии, производства пищи, получения кислорода и, потенциально, производства компонентов ракетного топлива.
Это означает, что один и тот же ресурс связан одновременно с жизнеобеспечением, сельским хозяйством и космической транспортной инфраструктурой.
Вода как основа замкнутой системы
На Земле большинство человеческих систем могут рассчитывать на огромный внешний резервуар — океаны, реки, озёра, грунтовые воды и атмосферу.
Лунная база такого резервуара не имеет.
Если вода потеряна, она фактически исчезает из локального замкнутого цикла. Чтобы вернуть её в систему, потребуется добыть новую воду из лунного льда или доставить её с другого небесного тела.
Поэтому для Луны показатель эффективности переработки имеет гораздо большее значение, чем для обычного земного города.
Почему нынешние оценки лунной воды остаются неопределёнными
Несмотря на многочисленные исследования, человечество пока не знает точный общий запас воды в постоянно затенённых областях Луны.
Различные космические аппараты применяли разные методы дистанционного исследования. Они позволяют выявлять признаки водорода и водяного льда, изучать свойства поверхности и строить карты вероятного распределения летучих веществ.
Но эти методы не заменяют непосредственного отбора большого количества грунта и определения его состава на месте.
Поэтому разные оценки могут заметно расходиться.
Важна не только масса, но и форма залегания
Даже если общий объём льда известен, остаётся вопрос его доступности.
Лёд может находиться в верхнем слое реголита, быть перемешанным с грунтом или распределённым иначе. От этого напрямую зависит эффективность добычи.
Чтобы определить реальную извлекаемую долю, понадобятся наземные исследования непосредственно на Луне.
Пока такой информации недостаточно для уверенного ответа на вопрос, какую часть потенциального запаса можно будет превратить в ресурс для крупного поселения.
Возможно, основные запасы воды находятся глубже
Есть ещё одна важная неопределённость.
Современные методы дистанционного исследования позволяют изучать лунную поверхность и относительно неглубокие слои, но не дают полного представления о десятках метров реголита.
Лунный реголит представляет собой рыхлый слой разрушенного материала, который в некоторых районах может уходить на значительную глубину.
Поэтому нельзя исключать наличие дополнительных запасов воды ниже глубины, которую сегодня удаётся эффективно обследовать.
Это не означает, что под поверхностью гарантированно существует огромный резервуар. Такой вывод был бы необоснованным.
Речь идёт о возможном направлении будущих исследований: если глубокие слои окажутся богаче водой, чем показывают современные оценки, ресурсная картина Луны может существенно измениться.
Какие решения могут увеличить срок существования поселений
Проблема воды не обязательно означает отказ от долговременного присутствия человека на Луне.
Существует несколько направлений, каждое из которых может уменьшить зависимость от ограниченного запаса.
Первое — повышение эффективности переработки воды. Использованный в расчётах показатель 98% уже очень высок, но дальнейшее уменьшение потерь может заметно увеличить срок существования системы.
Второе — сокращение самого расхода воды, особенно при производстве пищи.
Третье — поиск дополнительных лунных запасов.
Четвёртое — доставка воды с других космических объектов.
Более эффективное производство пищи
Значительная часть водного расхода связана с сельским хозяйством. Поэтому изменение способов производства пищи может оказаться не менее важным, чем совершенствование очистки воды.
Вертикальное земледелие и другие методы контролируемого выращивания растений потенциально позволяют уменьшить расход воды по сравнению с традиционными сельскохозяйственными системами.
Но эффективность конкретных технологий на Луне ещё предстоит проверить. Нельзя автоматически переносить показатели земных теплиц в лунные условия.
Будущая система должна будет учитывать не только воду, но и освещение, энергию, питательные вещества, удаление отходов и ограниченный объём доступного пространства.
Можно ли привозить воду с астероидов
Другой возможный путь — использовать водосодержащие астероиды.
В Солнечной системе существуют малые тела, содержащие значительные количества воды и других летучих веществ. Теоретически часть из них могла бы стать источником ресурсов для будущей космической инфраструктуры.
Но доставка вещества с астероида на Луну — чрезвычайно сложная задача. Необходимо сначала обнаружить подходящий объект, доставить к нему оборудование, извлечь ресурс и затем транспортировать его в нужное место.
Экономическая и техническая эффективность такой схемы пока не продемонстрирована.
Поэтому импорт воды с астероидов рассматривается как возможное направление, а не как готовое решение проблемы лунного водоснабжения.
Почему поиск дополнительной воды остаётся самым важным направлением
Из всех возможных решений наиболее прямой путь — обнаружить на самой Луне значительно больший запас воды, чем предполагают текущие оценки.
Если общий доступный ресурс увеличится вдвое, расчётный срок существования поселения при прочих равных условиях также увеличится примерно вдвое.
Это простое следствие ресурсного баланса показывает, почему будущие миссии должны не только изучать полярный лёд, но и выяснять, насколько глубоко распространяются летучие вещества и как именно они распределены в реголите.
Для создания крупного постоянного поселения недостаточно знать, что на Луне есть вода. Необходимо понимать, где она находится, в каком состоянии, насколько концентрирована и какую долю реально можно добыть.
Что расчёты говорят о будущем населения Луны
Полученные оценки не устанавливают жёсткий «максимум населения», после которого человек не сможет жить на Луне.
Они показывают другое: при заданном запасе воды и заданной эффективности её переработки существует прямая связь между численностью населения и сроком доступности ресурса.
При миллионе жителей даже очень большой запас быстро превращается в ограниченный ресурс. При сотнях тысяч человек ситуация становится значительно менее жёсткой. При тысячах жителей водная проблема может быть намного проще.
Поэтому небольшое поселение научного типа и миллионный город следует рассматривать как проекты принципиально разного масштаба.
Тысяча человек и миллион человек — разные задачи
Поселение примерно на тысячу жителей сопоставимо по численности с крупным исследовательским сообществом в удалённой земной среде. В таком случае локальные ресурсы могут использоваться значительно медленнее.
Город на миллион человек уже требует совершенно другой инфраструктуры. Даже при высоком уровне переработки ежегодные потери воды становятся огромными.
Таким образом, переход к действительно крупному населению требует не просто строительства большего количества жилых модулей. Он требует принципиально иной ресурсной экономики.
Главный вывод расчётов легко потерять за впечатляющим числом.
Миллиард тонн воды действительно является огромной массой по человеческим меркам. Но для крупного города, работающего на протяжении многих поколений, важен не размер начального запаса сам по себе, а скорость его потери.
Если каждый год из замкнутой системы исчезает небольшой процент ресурса, за десятилетия и столетия потери накапливаются.
Поэтому устойчивость лунного поселения определяется сочетанием четырёх факторов: размером доступного запаса, численностью населения, объёмом потребления и эффективностью возврата воды в систему.
Изменение любого из них способно существенно повлиять на результат.
Лунный город потребует не только технологий, но и точного знания ресурсов
Планы долговременного освоения Луны часто начинаются с вопроса о том, можно ли построить там необходимые конструкции. Однако расчёты показывают, что строительство — лишь одна часть задачи.
Даже если человечество научится производить на Луне энергию, строить жилые модули и добывать местные материалы, остаётся вопрос поддержания замкнутого жизненного цикла.
Для небольшой базы это может быть относительно управляемой задачей. Для города на сотни тысяч или миллион человек — уже масштабной системой ресурсного управления.
Причём все расчёты будут иметь смысл только после получения более точных данных о реальном составе полярного реголита.
Что известно сейчас, а что ещё предстоит выяснить
Сегодня достоверно установлено наличие воды в лунных полярных областях, включая постоянно затенённые районы. Однако точное количество льда, его распределение, физическая форма и реальная извлекаемость остаются предметом исследований.
Расчёт с миллиардом тонн воды следует воспринимать как благоприятный исходный сценарий для оценки устойчивости, а не как установленный объём доступного ресурса.
Также пока нельзя утверждать, что глубже поверхности обязательно находятся дополнительные огромные залежи льда. Это возможная гипотеза, которую будущие исследования должны проверить.
Наконец, показатели переработки воды на уровне 98% уже продемонстрированы в космической системе жизнеобеспечения, но создание намного более крупной и полностью автономной системы на Луне потребует новых технологий и эксплуатационного опыта.
От небольших баз к настоящим городам
Луна действительно обладает ресурсами, которые могут сделать долговременное присутствие человека более реалистичным. Особенно важным открытием стало наличие водяного льда в постоянно затенённых полярных областях.
Но наличие ресурса и возможность поддерживать с его помощью крупную цивилизацию — совершенно разные вещи.
Для небольших исследовательских поселений существующие оценки выглядят значительно менее жёсткими. При населении порядка тысячи человек огромный запас воды не расходуется с такой скоростью, как в миллионном городе. Для поселений на десятки или сотни тысяч жителей требования становятся существенно выше.
Миллионный город сталкивается уже с фундаментальной проблемой масштаба: даже при 98-процентной эффективности переработки миллиард тонн воды оказывается ресурсом примерно на столетие в использованной модели.
Поэтому вопрос будущего лунных городов сегодня упирается не только в стоимость ракет, строительство и производство энергии. Один из главных вопросов гораздо прозаичнее: сколько воды на Луне действительно существует и какую её часть человечество сможет добывать и возвращать в замкнутый цикл.
Если будущие исследования обнаружат дополнительные глубокие залежи или значительно более высокую концентрацию льда, оценки могут измениться. Если же доступные запасы окажутся близкими к нынешним оценкам, крупномасштабное население потребует очень строгой экономии воды, более совершенных систем переработки или постоянного импорта ресурса.
Поэтому водяной лёд на Луне — это не готовая основа для будущего города, а только первый необходимый ресурс. Чтобы превратить его в основу долговременного поселения, предстоит установить не только его наличие, но и реальный объём, доступность, извлекаемость и скорость восполнения потерь. Именно эти параметры в конечном счёте определят, насколько далеко человечество сможет продвинуться от лунной исследовательской базы к постоянному населённому пункту.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
