Новое исследование продемонстрировало, что создание значительной базы на южном полюсе Луны возможно даже без повторного использования воды. Однако, такое решение может повлечь за собой ощутимые последствия. Кроме того, наиболее вероятный сценарий развития лунных баз не обязательно предполагает значительное потребление воды на естественном спутнике Земли.
Американские ученые оценили объем потребляемой воды для крупной лунной базы, занимающей площадь в пять гектаров и рассчитанной на 100 человек. В отличие от стандартных подходов к подобным расчетам, они не учитывали повторную переработку воды и проводили оценку, предполагая постоянный сброс использованных водных ресурсов. С текстом работы можно ознакомиться на сервере препринтов Корнеллского университета.
Идеи создания лунных баз обсуждались еще в 1950-1960-х годах, однако они представляли собой довольно простые конструкции. Так, советский проект лунной базы «Звезда», разработанный в 60-х годах, включал в себя девять модулей объемом 73 кубометра каждый (что составляло около 660 кубометров) для размещения 12 человек. Таким образом, по объему база уступала бы современной Международной космической станции, но при этом была рассчитана на большее количество людей. Задуманный проект предусматривал использование воды в замкнутом цикле, поскольку тогда полагалось, что Луна практически лишена водных ресурсов.
В XXI веке сначала возникла гипотеза о наличии на Луне значительных запасов воды в форме льда, а впоследствии появились и фактические данные (в частности, радарные), подтверждающие, что на полюсах спутника Земли находится водный лед. Это позволило сделать вывод об отсутствии необходимости в строгой экономии водных ресурсов. К тому же, существенные залежи водного льда открывают возможность для создания на Селене более масштабных баз, чем предполагалось пятьдесят лет назад.
Согласно новому исследованию американских ученых, водоснабжение базы площадью 500 на 100 метров рассчитано на 100 человек. При проведении расчетов авторы намеренно не включили в них меры по повторному использованию и экономии воды, а руководствовались земными нормами потребления: они определили подушевое потребление, исходя из среднего расхода воды в американских домохозяйствах, который составляет 375 литров в день на человека. По мнению исследователей, значительная часть потребляемой воды будет использоваться для нужд сельского хозяйства (в частности, для теплиц с растениями), что является неотъемлемой частью самодостаточной колонии.
Новые расчеты показывают, что наиболее эффективным способом извлечения воды из лунного льда является использование автоматизированных «тепловых буров», потребляющих по 10 киловатт энергии. Для выполнения этой задачи потребуется приблизительно 6,5 тысячи таких буров.
Поскольку на Луне отсутствует атмосфера, лед, находящийся под слоем реголита, при нагревании немедленно испаряется. Ученые предлагают использовать специальную конструкцию, представляющую собой тент, который натягивается над зоной, где тепловые буры нагревают реголит, для сбора водяного пара. Затем пар по трубопроводу направляется от тента к цистерне, где он конденсируется в жидкую воду.
После этого ученые провели анализ водопотребления базой. Выяснилось, что даже при условии получения всего необходимого кислорода для дыхания не из теплиц, а посредством электролиза лунной воды, это потребует лишь 0,3% от общего объема потребляемой воды. Значительно больше воды потребуется для обеспечения работы теплиц. Площадь, необходимая для поддержания жизни людей, по оценкам исследователей, составляет 370 квадратных метров на человека. Такие значительные показатели основаны на данных об эффективности сельскохозяйственных теплиц на Земле.
Существуют обоснованные сомнения относительно расчетов, проведенных в ходе эксперимента БИОС-3 в СССР в 1970-х годах установили, согласно проведенному анализу, для поддержания жизни одного человека, обеспечивая его кислородом и пищей, требуется менее 150 квадратных метров.
По оценкам ученых, база нуждается в 105 тысяч тонн воды ежегодно, что вполне возможно извлечь из лунного льда при наличии источников тепла мощностью 65 мегаватт. Это сравнительно небольшая величина, поскольку тепловая мощность одного российского ледокольного реактора значительно выше. При этом, сам источник такого тепла в рассматриваемой работе не анализируется. Более того, исследователи планируют обеспечивать базу энергией, используя солнечное излучение.
В связи с этим, было принято решение о размещении базы в районе хребта Шеклтон-де-Герлах, который расположен практически на южном полюсе. Вершина гребня почти постоянно освещается солнцем, в то время как вокруг простираются области вечной тени, где температура грунта составляет приблизительно минус 250 градусов. Специалисты считают целесообразным размещать солнечные батареи на возвышенности и извлекать водный лед в низине.
В научной работе присутствуют некоторые особенности, которые не всегда очевидны. К примеру, суммарный объем помещения (включая непрофильные зоны) может быть весьма значительным, достигая 300 тысяч кубометров. Подобный масштаб пространства избыточен для работы команды из 100 человек.
Вопрос вызывает и сама концепция лунной базы, расположенной на поверхности. В настоящее время планируемая высадка на Луну предполагает использование только одной посадочной системы — Starship, разработанной Илоном Маском. Ее герметичный объем достигает примерно 900 кубометров, что превышает показатели МКС или советского проекта лунной базы «Звезда». Каждый Starship способен вместить до 40 человек во время длительного полета. Для размещения ста сотрудников персонала более целесообразно доставить к южному полюсу Луны несколько таких кораблей, учитывая, что их серийная стоимость оценивается в несколько сотен миллионов долларов, что является относительно небольшой суммой. Альтернативой является строительство базы колоссальных размеров с общими габаритами, превышающими 300 тысяч кубометров.
По данным, полученным на основе опыта советского БИОС-3, для обеспечения людей кислородом и продуктами питания требуется 150 кубических метров герметичного пространства на человека, учитывая жилые и лабораторные зоны. Поэтому, даже для создания постоянной лунной базы на 100 человек, проще доставить 16 аппаратов Starship, чем возводить сооружения, сравнимые по размеру с многоэтажным зданием.
Предлагаемый подход к сбору воды под тентом с использованием тепловых буров представляется весьма перспективным. Ранее для получения льда из реголита предлагалось его вырубать и затем доставлять в места растапливания. Именно таким образом добывают воду зимой в некоторых районах Якутии, поскольку в это время года другие методы затруднены из-за вечной мерзлоты).
Однако выполнение физической работы по вырубке водяного льда при температуре минус 250 градусов представляется достаточно сложной задачей. Автоматизированные космические аппараты, действующие без участия человека, как мы неоднократно писали, существующие технологии не позволяют эффективно выполнять сложные задачи на поверхности других планет. Кроме того, такая работа потребует значительных затрат времени и сил от астронавта. Использование тепла для таяния льда представляется более простым решением.