[Перевод] Мы можем добыть воду на Луне, направив на неё солнечный свет
Одна из наиболее часто обсуждаемых проблем, возникающих в начале пути освоения космоса, — как доставить с Земли ресурсы, необходимые для жизни. Обычно это две вещи — вода и кислород, но, к счастью, кислород можно получить путём расщепления молекулы воды, поэтому наиболее важным ресурсом, который мы можем найти в космосе, является вода. На языке космических ресурсов воду принято называть «летучим веществом», и именно она находится в центре внимания многих планов по использованию местных ресурсов на Луне, Марсе и в других местах. Некоторые из этих планов были хорошо продуманы, другие — нет. Один из них, в частности, продемонстрировал многообещающие перспективы, когда в 2019 году он был отобран в рамках финансирования Института перспективных концепций НАСА (NIAC), и здесь мы рассмотрим его более подробно.
Концепция, официально известная как «Термическая добыча льда на холодных телах Солнечной системы» (или просто «термическая добыча») — детище Джорджа Соуэрса, эксперта по космическим ресурсам и профессора машиностроения в Горной школе Колорадо. Концепция, лежащая в основе проекта, удивительно проста и знакома каждому, кто в детстве играл с увеличительным стеклом.
Если направить солнечный свет на определённую точку, сфокусировав его с помощью гигантского зеркала или другой технологии, то эта точка будет нагреваться. Если нагреть в вакууме лёд, то лёд сублимируется в водяной пар, и начнёт улетучиваться с нагреваемой поверхности. Этот водяной пар можно уловить с помощью холодной ловушки или аналогичного механизма, а затем собрать воду для использования в исследовательских целях, например, для питья, дыхания или даже для заправки ракет.
Итак, базовая архитектура системы термической добычи проста и состоит из трёх основных компонентов. Во-первых, это большое зеркало (так называемый гелиостат), которое направляет солнечный свет в определённую область на другом мире. Второй — гигантский тент, в котором собирается сублимированная вода, и третий — холодная ловушка/транспортная система, которая будет захватывать воду, когда она будет уходить с поверхности.
Однако его близость не меняет общей архитектуры — три основных компонента по-прежнему необходимы независимо от того, где находится место добычи. Поэтому третьей задачей команды доктора Соуэрса стало испытание разработанной архитектуры.
Они изготовили имитатор лунного реголита и вручную нарезали кусочки льда, которые затем превратили в шарики и смешали с реголитом. Вариант этой смеси с различной концентрацией льда помещался в вакуумную камеру, охлаждаемую ванной с жидким азотом. Затем подали тепло от лампы, имитирующей перенаправленный солнечный свет, измерили потерю массы образца и по ней рассчитали количество сублимированной воды.
При выполнении этих экспериментов они столкнулись с двумя интересными проблемами: одна из них связана с испытательной установкой, а другая может помешать реальному использованию на Луне.
Испытательная установка команды учёных была сравнительно небольшой, а система охлаждения жидким азотом располагалась относительно близко к образцу, который должен был сублимироваться. Таким образом, большая часть тепла от лампы, которая должна была нагревать образец, нагревала жидкий азот, который действовал как теплоотвод. На Луне этого не произошло бы, поскольку все тело настолько холодное, что под образцом нет теплопроводного материала, который поглощал бы большую часть энергии, предназначенной для нагрева воды. Поэтому сейчас инженеры строят более просторную испытательную камеру, чтобы попытаться ограничить влияние этой проблемы на эксперименты.
Однако другая проблема гораздо серьёзнее — за относительно короткое время при термическом способе добычи на верхней части реголита образуется высохший слой, который служит тепловым барьером для воды, которая может скрываться на большей глубине. Мало того, что к нижним уровням реголита поступает меньше тепла, так ещё и высохший слой, по сути, превращается в барьер для пара, что делает практически невозможным сублимацию воды и её последующее накопление в холодных ловушках.
Такие трудности, конечно, не являются непреодолимыми, и, пожалуй, один из наиболее важных аспектов отчёта показывает, почему их действительно можно преодолеть, — это экономическое обоснование. По оценкам команды д-ра Соуэра, общая стоимость разработки достаточно крупной термальной шахты в лунных кратерах вечной тени составляет около $800 млн и ещё $613 млн — стоимость продукции. Эксплуатационные расходы составят около $80 млн в год.
Эти затраты влекут за собой весьма значительные выгоды, особенно если удастся сэкономить на доставке воды с Земли на ранние стадии лунного производства. По расчётам авторов доклада, внутренняя норма прибыли (показатель рентабельности проекта) составит примерно 8%, если операторы системы будут продавать её исключительно коммерческим источникам (т.е. тем, которые пытаются вести на Луне другую экономическую деятельность). Это несколько ниже приемлемого инвестиционного уровня по мнению многих финансистов, особенно для заведомо рискованного проекта. Однако предположим, что заказчиками лунных операций станут NASA или другие национальные космические агентства. В этом случае внутренняя норма прибыли возрастает до ~16%, что значительно ближе к тому уровню, который может заинтересовать финансистов.
Д-р Соуэрс признает, что бизнес-обоснование — одна из самых рискованных частей предложения, поскольку оно требует наличия спроса, которого в настоящее время не существует, так как на Луне практически нет операций, требующих использования воды. Благодаря появлению миссий «Артемида» от НАСА ситуация изменится в ближайшее десятилетие, но неясно, будет ли на эту технологию достаточный спрос, чтобы сделать её экономически жизнеспособной.
Существуют и другие риски, в том числе неопределённость в отношении общего количества и местоположения воды на Луне. В кратерах вечной тени она, несомненно, есть, но может оказаться, что вблизи поверхности, где её можно собрать с помощью термической добычи, её недостаточно для длительного обитания человека, и воду и другие «летучие вещества» придётся доставлять с Цереры или из других мест из пояса астероидов. Если это так, то все же можно утверждать, что технология термодобычи может быть полезной — просто она может оказаться нерентабельной.
Пока что вся система находится только на стадии планирования, технология не вышла на следующую фазу разработки, и неясно, какой прогресс был достигнут за последние несколько лет. Однако технология запатентована, и команда предлагает её для лицензирования на своём сайте передачи технологий. А по мере развития технологий в целом идея добычи полезных ископаемых на Луне будет становиться все более и более привлекательной. Так что есть все шансы, что эта технология в конце концов будет реализована, даже если это займёт некоторое время.
