В настоящее время человечество планирует полеты на Луну – и в отличие от миссий, проходивших полвека назад, речь идет не об отдельных экспедициях, а о ее систематическом освоении и создании исследовательских баз. Однако для начала требуется детальная разведка и изучение распределения ресурсов, их состава и концентрации, что является задачей для роботизированных аппаратов. Специалисты Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН разработали многоступенчатый проект таких исследований и сформулировали концепцию требуемых луноходов.
Какие области Луны вызывают наибольший интерес у исследователей? Можно ли адаптировать земные технологии геологоразведки для использования на Луне? Какие цели преследуют луноходы-геологи? Подробности ― в беседе с руководителем лаборатории геохимии Луны и планет ГЕОХИ РАН Евгением Николаевичем Слютой.
Евгений Николаевич Слюта ― ведущий научный сотрудник Геологического института УГН РАН, руководитель лаборатории геохимии Луны и планет. Получил образование в Московском ордена Трудового Красного Знамени геологоразведочном институте имени С. Орджоникидзе. С 1985 по 1992 год участвовал в группе, занимавшейся геологическим анализом радарных снимков поверхности Венеры. Является одним из разработчиков первой геологической карты Венеры. В настоящее время его научные интересы связаны с изучением Луны и ее ресурсов на основе данных, полученных с космических аппаратов, а также с созданием научной аппаратуры для геолого-геохимических и геофизических исследований Луны, Венеры, Марса и малых тел Солнечной системы.
― Изучение Луны осуществляется посредством телескопов, а также орбитальных и посадочных аппаратов на протяжении многих лет. Какие цели будут определены для будущих миссий с использованием луноходов?
― Луна остается наиболее изученным небесным телом по сравнению с другими объектами в космосе. Ее поверхность была исследована множеством автоматических станций, таких как советские луноходы, а также в рамках пилотируемой программы «Аполлон». Продолжается детальный анализ результатов прошлых экспедиций, что позволяет определить приоритетные направления для будущих исследований Луны, как фундаментальных, так и необходимых для ее освоения и планирования миссий. Накопленные данные помогают выявить ключевые сведения о геологии, геохимии и лунных ресурсах, которые будут крайне важны на начальном этапе освоения. Использование местных ресурсов является практически необходимым условием для успешного освоения Луны.
Изучение геологии, геохимии и геофизики Луны имеет большое значение и связано с практическими задачами, поскольку оно позволяет определить, где на поверхности спутника расположены полезные ресурсы, которые понадобятся в ближайшем будущем.
― В Институте геохимии и геофизики РАН была создана концепция использования трех роботов для изучения Луны. Что представляет собой этот проект?
― Методика геологической съемки и разведки включает в себя как фундаментальные, так и поисково-разведочные исследования, позволяющие определить, какие ресурсы имеются на определенной территории и в какой концентрации они там находятся. Данная методика широко применяется на Земле, и поскольку наша планета является космическим объектом, подобным другим, геохимические, геологические и геофизические методы, используемые для ее изучения, универсальны и применимы для исследования Луны, Марса и других планет, включая малые космические тела.
Решение этих задач предполагает обновление технических средств и научной аппаратуры, адаптированных для работы в космических условиях. В частности, для региональной геологической съемки и разведки был предложен проект тяжелого лунного ровера-геолога, рассчитанного на прохождение маршрута не менее 500 км. Разработка этого робота началась еще в 2006–2007 годах: было опубликовано несколько статей, в которых определены его концепция и технические требования. Они учитывают необходимость выполнения аппаратным комплексом задач по региональной геологической, геохимической и геофизической съемке и разведке на значительных расстояниях, особенно в областях поверхности Луны, представляющих наибольший интерес с точки зрения геологии и геохимии.
― Какие регионы представляют наибольший интерес для исследователей?
― Геологически интересным представляется район вулканической провинции горы Рюмкера, расположенный в экваториальной области Луны, вблизи Океана Бурь. Здесь находятся морские базальты, охватывающие период от 4 до 1 миллиарда лет – от древнейших до молодых. Разнообразие типов пород также делает этот район перспективным объектом для исследования с помощью автоматизированной лунной станции.
Полярные области Луны представляют собой весьма любопытное и с научной точки зрения уникальное явление. Это связано с тем, что ось Луны расположена практически перпендикулярно эклиптике, из-за чего Солнце освещает ее полярные регионы по касательной, а смена дня и ночи определяется рельефом местности. В результате формируются области, где лунный день может длиться 80%–90% всех лунных суток, которые ученые называют вершинами вечного света. Такие места позволяют обеспечить практически непрерывное получение солнечной энергии, что особенно важно при размещении научных лунных станций. К тому же, в лунном грунте полярных областей обнаружен водяной лед. Первые данные об объемах этих ресурсов были получены еще в конце XX века с использованием нейтронного спектрометра.
Мы изучаем маршруты как в экваториальной области Луны, так и на полюсах, используя тяжелого робота-геолога, который позволит проводить исследования в течение длительного времени. Согласно проекту, планируется, что активное время работы лунохода составит не менее двух лет. Предварительно разработанный нами научный комплекс состоит из трех ключевых элементов. Прежде всего, это научно-навигационный комплекс, включающий ряд спектрометров, работающих в различных диапазонах, в том числе в инфракрасном, и систему технического зрения. Второй компонент оборудования – комплекс геологической разведки, куда входит буровая установка для получения образцов реголита из скважин глубиной до 3 метров. На луноходе также будут установлены два манипулятора для сбора проб с поверхности и их размещения в специальные контейнеры для хранения. Каждая проба будет тщательно задокументирована, включая информацию о месте, времени и условиях сбора, а также координаты и фотографии точки отбора. Именно это и определяет суть геологической разведки. Третий комплекс научной аппаратуры – геофизический, включающий георадар, работающий в непрерывном режиме, магнитометр и градиентометр, которые также постоянно собирают необходимую геофизическую информацию.
После доставки на Землю пронумерованные образцы можно будет привязать к конкретным местам и составить карту распределения различных типов лунных пород. При этом необходимо учитывать данные об их геохимическом и минеральном составе, а также связь с кратерами и другими поверхностными образованиями.
― Это означает, что образцы будут доставлены на Землю, а не исследоваться непосредственно на месте?
― Возврат образцов запланирован на последующие миссии, которые могут быть реализованы как посредством автоматизированной системы, так и в рамках пилотируемой экспедиции. Образцы, которые способен собрать робот-геолог, представляют огромную ценность для науки, поэтому пилотируемый полет будет оправдан, даже если его единственной целью станет сбор материала и доставка его на Землю без проведения дополнительных исследований.
Подобными проектами также работают наши зарубежные партнеры. Программа Endurance, разрабатываемая в NASA, миссия предполагает прохождение маршрута протяженностью около 1 тыс. км для изучения бассейна Эйткена – одной из самых крупных ударных структур на Луне. Диаметр этого образования составляет около 2 тыс. км. Это уникальное и одно из древнейших ударных образований. Китайские ученые также планируют проведение аналогичных исследований, поскольку подобные миссии признаются важным средством изучения Луны.
― Возможно ли экономически осуществить подобные лунные миссии с использованием роботов-геологов, полагаясь на ресурсы одной страны, или необходима международная кооперация?
― Развитые государства могут воплотить подобную программу в жизнь без значительных финансовых вложений. Это стандартная автоматизированная миссия, аналогичные проекты уже осуществлялись в прошлом, в частности, советский проект «Луноход-2». В настоящее время на Марсе функционирует несколько аппаратов, которые годами исследуют эту планету. Технологических препятствий, которые могли бы сделать миссию невозможной, на сегодняшний день не существует, и такие проекты обходятся значительно дешевле по сравнению с пилотируемыми экспедициями.
― Действительно, возникает вопрос о необходимости пилотируемых космических миссий. Некоторые эксперты полагают, что современные автоматические аппараты обладают достаточной эффективностью для решения большей части научных задач, при этом они обходятся значительно дешевле, чем экспедиции с участием человека…
― Автоматизированные станции и самоходные роботизированные платформы демонстрируют эффективность в решении задач исследования и разведки ресурсов, и их разработка активно продолжается. Однако, для освоения Луны необходимо больше, чем просто это: требуется постоянное или периодическое присутствие человека. Такой подход подразумевает промышленное использование местных ресурсов для строительства баз, обеспечения жизнедеятельности и производства ракетного топлива – по сути, создание лунной экономики. В связи с этим возникает ряд задач, которые требуют непосредственного участия квалифицированного человека-оператора, особенно в начале освоения. К примеру, это развертывание первоначальной инфраструктуры на лунной поверхности.
Обязательным условием является контроль над глубоким бурением, которое поручается конкретному специалисту. Мы совместно с коллегами из других институтов ведем разработку необходимого оборудования. Бурение на Луне существенно отличается от земного, так как это уникальный мир, имеющий собственную геологическую эволюцию, отличную от земной. Поскольку Луна не имеет атмосферы, она на протяжении всей своей геологической истории подвергалась интенсивному метеоритной бомбардировке. В результате образовался реголит — рыхлый слой, покрывающий всю поверхность. Его формирование продолжается более 4 млрд лет.
Толщина реголита изменяется в зависимости от географического положения. В лунных морях, являющихся самыми молодыми образованиями, ее средняя толщина составляет 4–5 метров, а максимальная – 9 метров. На материковых участках слой значительно толще – в среднем около 10 метров, а в некоторых районах достигает 18–20 метров и более. Бурение спусками до 15 метров позволяет обнаружить подстилающие породы практически на всей поверхности Луны. Доставленная на Землю стратиграфическая последовательность лунного реголита станет неоценимым источником информации, отражающим всю историю Луны с момента формирования подстилающих пород. Каждый слой содержит сведения об активности Солнца за последние 4 миллиарда лет, о составе солнечного ветра, а также об эволюции атмосферы и магнитосферы Земли. Лунный грунт, подобно Розеттскому камню, хранит историю системы «Земля — Луна», для чего необходимо лишь отобрать образцы породы и провести их расшифровку.
― На каком этапе сейчас находится разработка роботов для лунных исследований?
― Мы создали серию роботов, каждый из которых предназначен для выполнения определенных задач. Концепция тяжелого робота-геолога, о деятельности которого я ранее рассказывал, достаточно зрела и была разработана в Центральном научно-исследовательском институте робототехники в Санкт-Петербурге. Фактически, она почти готова к началу опытно-конструкторских работ.
Второй робот, относящийся к среднему размеру, разработан для поисково-разведочных целей и представляет собой геолога-разведчика. Его основная функция – изучение распределения, концентрации и химического состава летучих компонентов, содержащихся в наиболее востребованных лунных ресурсах. На начальном этапе освоения Луны потребность в них будет весьма значительной. Робот оснащен буровой установкой, включающей колокол, который создает герметичное пространство на поверхности Луны. Шнек позволяет бурить скважину на глубину до 2 метра и подавать шлам, содержащий летучие компоненты, под колокол. Благодаря механическому и тепловому воздействию эти компоненты, в том числе замороженные фрагменты, переходят в газообразное состояние, поступают в масс-спектрометр и подвергаются исследованию. Это позволяет определить границы месторождений летучих компонентов, в частности водяного льда. Технический проект данного лунохода был разработан в НПО им. С.А. Лавочкина. Аппарат находится на достаточно продвинутой стадии разработки и практически готов к началу опытно-конструкторских работ по его созданию.
Третий робот представляет собой компактный луноход-геофизик. Он предназначен для детального изучения потенциальной площадки для развертывания первоначальной инфраструктуры, необходимой для освоения Луны, включая определение толщины реголита и распределение крупных каменных обломков. Подобная задача аналогична геофизической разведке, проводимой перед началом строительства зданий на Земле: для обеспечения безопасности работ требуется предварительное изучение грунта. Разработка такого робота – задача, отложенная на более поздний срок, поэтому ее пока не изучали в деталях.
― Когда можно ожидать создания и отправки первых подобных аппаратов на Луну?
― В настоящее время разрабатывается новая федеральная космическая программа, рассчитанная до 2036 года, в рамках которой рассматриваются эти проекты. Для утверждения они должны пройти через Совет РАН по космосу и «Роскосмос». В случае положительного заключения, к концу текущего года могут быть определены сроки создания и запуска аппаратов.
Интервью было осуществлено при содействии Министерства науки и высшего образования РФ