Даже без повторного использования воды человечество может развернуть довольно серьезную базу на южном полюсе Луны, показало новое исследование. Правда, у этого решения будут достаточно серьезные последствия. Более того, наиболее вероятный путь развития лунных баз вообще не обязательно потребует серьезного потребления воды на естественном спутнике Земли.
Американские исследователи рассчитали потребление воды для крупной лунной базы площадью пять гектаров и с персоналом в 100 человек. Причем, вопреки обычному подходу к таким вопросам, они исключили повторное использование воды и вели подсчеты исходя из предположения о систематическом выбросе отработанных водных ресурсов. С текстом работы можно ознакомиться на сервере препринтов Корнеллского университета.
Проекты баз на Луне прорабатывали еще в 1950-1960-х годах, но они в норме были весьма скромными. Например, советский проект лунной базы «Звезда» из 60-х состоял из девяти блоков по 73 кубометра каждый (всего примерно 660 кубометров) на 12 человек экипажа. То есть по объему база была бы несколько меньше современной МКС при большем числе людей. Разумеется, проект предполагал «кольцевое» использование воды: тогда считалось, что Луна практически безводна.
В XXI веке появилась сначала теория, предполагающая наличие на Луне больших объемов воды в виде льда, а затем и конкретные наблюдения (например, радарные), показывающие, что у полюсов земного спутника есть водный лед. Стало ясно, что необходимости остро экономить воду нет. Более того, при большом объеме водного льда возможно создание на Селене значительно более крупных баз, чем считали возможным полвека назад.
Новая работа американских исследователей оценивает водоснабжение базы размерами 500 на 100 метров на 100 человек. При этом авторы сознательно отказались не только от обязательного повторного использования воды, но и вообще от ее экономии: они рассчитывают подушевое потребление на основе земных показателей расхода воды в среднем американском домохозяйстве (375 литров на человека в сутки). Основная часть воды, по расчетам, все равно будет приходиться не на людей, а не сельхознужды (теплицы с растениями), неизбежные для самоподдерживающейся колонии.
Согласно новым расчетам, проще всего добывать воду из лунного льда с помощью автоматизированных «тепловых буров» мощностью 10 киловатт каждый. Всего таких буров нужно будет около 6,5 тысячи.
На Луне нет атмосферы, поэтому лед под слоем реголита при нагреве сразу превращается в водяной пар. Исследователи предложили собирать его специальным тентом, натянутым над местом работы тепловых буров, греющих реголит. Затем водяной пар по трубкам отводится от тента в цистерну, где пары конденсируются до жидкой воды.
Затем ученые проанализировали потребление воды базой. Оказывается, даже если получать весь кислород для дыхания не из теплиц, а за счет электролиза лунной воды, на это уйдет только 0,3% водных потребностей всей базы. Существенно много воды придется потратить на теплицы. Площадь, необходимую для обеспечения людей там, исследователи определили в 370 квадратных метров на человека. Это очень большие показатели, взятые из производительности сельхозтеплиц на Земле. Расчеты вызывают серьезное сомнение: в 1970-х в СССР в эксперименте БИОС-3 установили, что на обеспечение одного человека кислородом и едой достаточно менее чем 150 квадратных метров.
Общие водные потребности базы ученые оценили в 105 тысяч тонн в год, что оказалось вполне подъемным для добычи из лунного льда — при наличии источников тепла на 65 мегаватт (тепловых) мощности. Это не очень большая величина: один российский ледокольный реактор имеет в несколько раз большую тепловую мощность. В то же время в работе не рассматривается сам источник такого тепла. Более того, исследователи исходят из варианта энергоснабжения базы за счет солнечного излучения.
Поэтому они посчитали разумным расположить базу у хребта Шеклтон-де-Герлах, находящегося практически на южном полюсе. Верх гребня освещен солнечным светом почти всегда, а кругом лежат зоны вечной тени, где грунт всегда имеет температуру примерно в минус 250 градусов. Ученые полагают разумным располагать солнечные батареи на возвышенности, а водный лед вытапливать в низине.
Научная работа имеет ряд неочевидных мест. Например, общий объем базы (включая негерметичный) очень велик — до 300 тысяч кубометров. Такая база слишком большая для 100 человек.
Наконец, вызывает вопросы сама идея лунной базы на поверхности. Дело в том, что сегодня высадку на Луне планируют с помощью только одной посадочной системы — Starship Илона Маска. Ее герметичный объем — порядка 900 кубометров, больше, чем у МКС или советской лунной базы проекта «Звезда». Каждый Starship может разместить до 40 человек в долгосрочном полете. Для размещения 100 человек персонала куда логичнее высадить у южного полюса Луны какое-то количество таких кораблей, благо их серийная стоимость оценивается в несколько сот миллионов долларов, что не так много. А не строить там базу циклопических размеров с общими габаритами, перекрывающими 300 тысяч кубометров.
Как уже отмечено выше, по опыту советского БИОС-3 для снабжения людей по кислороду и еде достаточно 150 кубических метров герметичного пространства на человека, включая жилые и лабораторные помещения. Таким образом, даже в случае постоянной базы на 100 человек на Луну проще доставить 16 Starship, чем строить сооружения размером с немаленькую высотку.
Тем не менее та часть работы, в которой предлагается собирать воду под тентом тепловыми бурами, выглядит достаточно интересно. Традиционно водный лед предполагали вырубать из реголита, а затем транспортировать в пункты растапливания. Так воду добывают зимой в некоторых районах Якутии (из-за вечной мерзлоты зимой остальные методы затруднены). Однако физическая работа по рубке водного льда при минус 250 градусах будет довольно сложной. Космические автоматы без человеческого руководства, как мы не раз писали, со сложной работой на поверхности других небесных тел не справляются. А от астронавта она потребует больших затрат времени и сил. Растопить лед теплом выглядит более простым вариантом.