Техническое воплощение лунной базы

Первые базы почти наверняка будут построены из заранее изготовленных модулей, доставляемых на Луну автоматическими транспортными аппаратами. Эти базы будут служить основой базы следующего поколения, являясь жильем для астронавтов, проводящих научные эксперименты и изучающих технологию будущего строительства. По мере расширения базы будет возрастать рентабельность доставки орудий производства, а не готовых модулей, а также использования труда астронавтов. В этот начальный период возникнет много проблем, но они, вероятно, будут ненамного сложнее тех, с которыми сталкиваются исследователи отдаленных районов Арктики и Антарктики.

Технология строительства в Антарктике, которая вполне применима для условий Луны, основана на принципе заглубленной постройки. Бульдозеры на рыхлом грунте (реголите) выроют котлован, в котором будут собраны секции оболочки, нагруженной внутренним давлением. После завершения сборки на крышу будет нанесено покрытие из грунта, но не для компенсации внутреннего давления (для этого потребовалось бы заглубление на десятки метров), а для тепловой изоляции и защиты от радиации.

Лунная пыль может служить надежным изолятором для хранилищ жидкого кислорода и водорода, применяемых в качестве криогенного ракетного топлива. Для обеспечения изоляции емкости могут быть также заглублены в грунт.

Можно ожидать, что на базе будет в определенной степени организовано самообеспечение путем выращивания сельскохозяйственных культур для производства продуктов питания. В лунном реголите имеются почти все необходимые для этого элементы, за исключением азота, цинка, бора и молибдена, из которых последние три необходимы только в качестве микроэлементов. Основной целью будет не обеспечение автономии базы от Земли, а включение в меню исследователей свежей пищи. Наиболее предпочтительными культурами для выращивания на Луне будут томаты, капуста, морковь, баклажаны и сладкий картофель.

Можно ли будет вырастить эти овощи внутри герметизированных оранжерей на поверхности Луны? Ведь на Луне Солнце заходит на 14 земных суток, и большинство растений, находясь в течение этого времени в темноте, завянет и погибнет. В Сибирском отделении АН СССР проводились исследования этой проблемы путем выращивания пшеницы при имитации месячного цикла лунного дня и ночи. Было установлено, что при понижении температуры во время длительной ночи до уровня, превышающего на несколько градусов точку замерзания, растения выживают и способны возобновить нормальный рост при появлении Солнца и повышении температуры. Более того, поскольку эти растения в течение 14 сут могут развиваться при непрерывном солнечном освещении, они созревают быстрее, чем на Земле. Таким образом, при организации сельского хозяйства на Луне нет необходимости искусственной имитации земных условий.

На Луне в отличие от космоса есть ресурсы. Потребность в этих ресурсах не вызывает сомнений; для орбитальных производственных комплексов и электростанций потребуется снабжение сырьем в таких количествах, которые достаточно быстро станут исчисляться тоннами. Лунному поселению придется удовлетворять эти потребности.

Как уже упоминалось в начале этой главы, для доставки одной тонны полезного груза с поверхности Луны на околоземную орбиту требуется затратить меньше энергии, чем для выведения того же груза с поверхности Земли. Но даже если на Луне будет налажено производство достаточного количества жидкого кислорода, используемого в качестве ракетного топлива, все же маловероятно, что стоимость лунных материалов, доставляемых с помощью ракеты, будет меньше стоимости аналогичных материалов, доставляемых с Земли. По массе 15% ракетного топлива составляет жидкий водород, который все равно необходимо доставлять с Земли. Требуется иной принцип доставки лунных материалов в космос, нечто подобное гигантской катапульте, работающей от энергии, вырабатываемой солнечным генератором.

Катапульта на Луне

Электромагнитные катапульты уже существуют. Они проходили испытания в качестве движителей поездов и средств пуска автомобилей в установках для испытаний на столкновения. В этих катапультах используется устройство под названием линейного электродвигателя, однако для запуска груза с Луны потребуется несколько другая конструкция. В настоящее время большинство находящихся в эксплуатации электромагнитных катапульт перемещают объект с постоянной скоростью. Лунный ускоритель должен использовать принцип «волнового разгона», используемый в ускорителях элементарных частиц. Чем выше требуемая скорость разгона, тем сложнее конструкция пусковой установки, однако в условиях Луны с ее слабым гравитационным полем и в отсутствие сопротивления воздуха создание такой установки возможно.

Нетрудно показать, что около половины массы электромагнитного пускового устройства рассматриваемого типа должна составлять масса энергетической установки. В пусковой комплекс будет включена обширная территория, занятая солнечными батареями, преобразующими энергию солнечного излучения в электричество. Принимая некоторые допущения относительно технических решений, можно подсчитать, что для запуска 100 кг полезного груза на окололунную орбиту потребуются оборудование массой 200 т и электростанция мощностью 11 МВт. Ускоритель длиной 1,1 км будет сообщать объекту ускорение около 130 g, что выдвигает особые требования к прочности запускаемых грузов.

С учетом требуемой мощности для приведения в действие ускорителя важное значение приобретает обогащение лунной породы. Степень обогащения будет до некоторой степени зависеть от производительности лунной базы. Обогатительная фабрика и ускоритель указанных размеров могли бы обеспечить доставку на орбиту около 1000 т груза в год. Часть этого груза будет составлять жидкий кислород для заправки межорбитальных транспортных аппаратов, но основную долю составит сырье для орбитальных промышленных комплексов. На этом этапе капиталовложения в лунное поселение начнут давать коммерческий эффект. Может оказаться даже более удобным приблизить орбитальные заводы к Луне и ее сырью.

Проф. Дж. К. О'Нейл из Принстонского университета выдвинул еще более смелые идеи. По его мнению, в космосе могут быть созданы постоянные искусственные поселения (ст. 19). Для этого потребуется выведение в космос до миллиона тонн лунной породы ежегодно. Производительность ускорителя лишь 10 кг, но он будет запускать грузы непрерывным потоком, действуя подобно трубопроводу, нацеленному в точку либрации L₂, в которой уравновешиваются воздействия гравитационных полей Земли и Луны.

Ускоритель, предложенный О'Нейлом (он называет его ускорителем массы), выводит лунную породу в космос с помощью специального ковша, снабженного индукционными катушками и системой магнитной подвески. Ковш разгоняется по направляющим протяженностью 10 км до скорости преодоления притяжения Луны (2400 м/с). По достижении этой скорости система магнитной подвески должна перейти на режим реверса, удерживая ковш на направляющих. Во время дальнейшего движения на участке направляющих до 2 км производится точная регулировка скорости перед открытием крышки и освобождением груза. На конечном участке направляющий ковш тормозится, а порция лунной породы весом 10 кг выносится в космос и в точке L2 перехватывается специальными кораблями. Ковш с замедлением по вспомогательным направляющим отправляются назад для повторного использования (рис. на с. 249).

Предложения О'Нейла, по-видимому, являются наиболее смелыми в планах освоения ресурсов Луны. Сегодня они кажутся фантастическими и, вероятно, относятся к достаточно отдаленному будущему и никогда не будут реализованы в первоначальном виде. Однако стоит мысленно представить себе впечатление, которое мог бы произвести на братьев Райт современный гигантский транспортный самолет «Боинг-747» с межконтинентальной дальностью полета - преемник их крошечного биплана, прежде чем иронизировать по поводу проектов, кажущихся фантастическими.

 

19. Космические поселения К. Гэтланд (Великобритания)

Внутри огромного сооружения, которое создано с помощью вынесенных в космос промышленных предприятий из материалов, добытых главным образом на Луне, открываются взору почти земные ландшафты холмов, лугов, озер и рек с деревьями, цветами, посевами, домашними животными и птицами. Воздух и вода регенерируются, отходы перерабатываются. Вся конструкция вращается вокруг своей оси, и люди живут в условиях искусственной гравитации.

Что это - научно-фантастические мечты? Нет, утверждает американский физик из Принстонского университета проф. Дж. К. О'Нейл, который уверен, что создание таких внеземных поселений станет необходимым и даже важнейшим этапом развития человечества. Новый всплеск энтузиазма, связанного с идеей создания космических поселений, впервые высказанной в 20-х годах этого столетия К. Э. Циолковским, относится к 1969 г., т. е. к году первого прилунения космического корабля «Аполлон», когда О'Нейл задал группе физиков-первокурсников простой на первый взгляд вопрос: «Пригодны ли планеты для распространения развитой цивилизации?» После продолжительных дебатов вывод был таков - нет! Для ограниченных сообществ людей предпочтительнее создавать самообеспечивающиеся изолированные поселения, воспроизводящие по возможности земные условия жизни и получающие энергию от Солнца. Эта идея была выдвинута в 1974 г. на страницах журнала «Физике тудей» и на студенческой конференции в Принстоне, собравшей около 150 участников. Идея приобрела многих приверженцев и получила поддержку известных ученых, в том числе проф. Ф. Дэйсона и Б. О'Лири, бывшего астронавта-исследователя НАСА. Последовали новые публикации, а в 1975 г. состоялся семинар, организованный совместно Эймской исследовательской лабораторией НАСА и Станфордским университетом.

К удивлению причастных к космосу официальных кругов, которые были обескуражены ослаблением интереса к космосу после высадки на Луну и завершения программы «Аполлон», интерес к идее космических поселений распространялся подобно лесному пожару. О'Нейл и его коллеги получили тысячи писем со всего мира, авторы которых в подавляющем большинстве одобряли и поддерживали это предложение. Идея создания космических поселений с явным ее упором на перспективы уменьшения загрязненности нашей планеты и использования «чистых» источников энергии оказалась очень созвучной движению за охрану окружающей среды, хотя, по-видимому, лишь немногие из ее приверженцев в полной мере осознавали огромную сложность связанных с нею технических проблем.

Основу конструкции космического поселения, предложенной первоначально О'Нейлом, составляли два спаренных длинных цилиндра, вращающихся вокруг осей в противоположные стороны для компенсации гироскопического эффекта. Люди будут жить внутри этих цилиндров, на стенах которых будет устроен искусственный ландшафт, образующий естественную растительную среду: траву и деревья, ручьи и водоемы. Три продольные «долины» (зоны земли) перемежаются по кругу «солярисами» (окнами), и естественный солнечный свет попадает во внутреннее пространство с помощью трех прямоугольных зеркал. Положением зеркал управляет компьютер, который регулирует климат и продолжительность дня. На одном конце цилиндрического сооружения имеется солнечная электростанция с большим параболическим зеркалом, которое фокусирует солнечное излучение на паровой котел с рабочим веществом, используемым для привода турбогенераторов. На другом конце устроены причалы для космопланов.

Итак, что же может предложить инженерная мысль для создания столь колоссальных сооружений? Для осуществления обсуждаемого проекта потребуется строительство на Луне постоянной базы, где около 150 человек будут добывать и с помощью «ускорителя массы», или электромагнитной катапульты (ст. 18), запускать в космос примерно миллион тонн материалов в год. Эти материалы, доставленные во вторую точку либрации, которая отстоит от Луны примерно на 80 450 км, должны быть собраны и отбуксированы космическим кораблем с электрореактивными двигателями малой тяги на расстояние примерно 386 160 км к месту строительства в другой, пятой точке либрации. Предполагается, что около двух процентов необходимых материалов для первого этапа строительства должно поступить с Земли. Основными строительными материалами, вырабатываемыми из лунной породы, будут алюминий и титан - для корпусов конструкции, кремний - для панелей солнечных батарей, кварц - для стекол. Кроме того, понадобится наладить производство кислорода для систем жизнеобеспечения и ракетного топлива. С Земли будут доставляться необходимые элементы - углерод, азот и водород.

Для изготовления различных конструкций предложено несколько технологических процессов - от плавки или спекания лунной породы в солнечных печах до формования требуемых образцов в специальных центрифугах. Грандиозность инженерных задач поражает воображение.

Стимулы

Допустим, что имеются возможности создания колоссальных космических сооружений. Какие же доводы могут послужить политическими и экономическими стимулами к их осуществлению? Один из главных аргументов группы О'Нейла состоит в том, что космические поселения позволят в значительной степени избавить Землю от загрязнений и вредных веществ, выделяющихся при промышленном производстве. Эти сооружения могут стать средством распространения новой промышленной революции, начатой созданием обычных орбитальных станций и основанной на преимуществах использования условий невесомости, космического вакуума и внеземных ресурсов. В конечном счете возможен даже доступ к минеральным богатствам не только Луны, но и некоторых астероидов, на одних из которых можно добывать никель и железо, а на других - получать углеводороды и воду.

Неограниченное использование солнечной энергии - вот то огромное преимущество, которое космические предприятия будут иметь перед промышленностью Земли. Эта энергия может быть использована для выпуска космическими предприятиями продукции, которая служила бы людям на Земле. В первую очередь речь идет о развертывании солнечных электростанций на геостационарной орбите. Вместо дорогостоящей доставки строительных материалов с Земли можно наладить их производство в космосе из внеземного вещества по той же технологии, которая использовалась при сооружении самих космических поселений. Если такие электростанции будут построены и начнут работать, то потребность в атомных электростанциях на Земле резко уменьшится, что позволит в значительной мере решить проблему захоронения радиоактивных отходов. Одновременно сократится потребление нефти, угля и природного газа, а это значит, что атмосфера Земли станет чище; кроме того, уменьшится количество тепла, поступающего в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, и тем самым снизится вероятность нежелательных изменений климата. Среди других преимуществ космических поселений следует отметить их неподверженность периодам оледенения и прочим стихийным бедствиям.

Все эти соображения имеют дальний прицел, причем многие аргументы основаны на осознанном понимании, что человечество на Земле ждет сомнительное будущее. Запасы ископаемого топлива, ставшие основой развития цивилизации, близки к истощению, всеобщее признание получила ядерная энергия, с которой связывают много надежд, однако как долго продлится разработка термоядерных реакторов, пока еще неясно.

Какие же оценки по срокам выполнения некоторых из упомянутых планов дают увлеченные открывающимися перспективами специалисты? Отдельные энтузиасты, например, предсказывают, что первое космическое поселение будет сооружено после основания лунной рудодобывающей базы в первой четверти XXI в. Примерно к 2100 г. относят постройку космических поселений типа «Остров-2» с быстро развивающейся технологией, способной обеспечить проживание сотен тысяч человек. Для обслуживания таких поселений потребуется около 200 больших космических кораблей многоразового использования, перевозящих на околоземную орбиту по 500 человек. Эта впечатляющая транспортная система, действующая в совокупности с орбитальными «гостиницами», будет осуществлять примерно 1000 дальних перевозок по 6000 переселенцев в поселения, размещенные в точках либрации.

Достигнув цели путешествия, люди останутся здесь на постоянное жительство. Они быстро привыкнут к окружающим условиям выбранного ими искусственного мира с его собственной естественной прелестью и, мысленно возвращаясь на Землю, станут даже находить оставленные ими места странными и унылыми. Они несомненно перестанут замечать некоторое изменение силы тяжести при перемещении к оси их космического дома и привыкнут к ощущению легкости, с которой можно будет парить на сооруженном в центре конструкции «спортодроме» и совершать плавный полет, прыгая со скал в воды раскинувшегося у их подножия искусственного озера. Когда люди обретут способность строить в небе нечто вроде «диснеевского мира», вряд ли они станут делать все свои поселения одинаковыми по внутренней планировке и устройству. Одни захотят устроить себе подобие английской сельской провинции, другие воспроизведут пейзаж австрийского Тироля, третьи - тропический «рай». И поскольку поселения находятся в условиях невесомости, можно будет без затруднений путешествовать космическим «автобусом» на экскурсию или даже в отпуск в другие поселения, совершенно иные по стилю и устройству, чем привычный облик «родного» космического дома.