Самые лютые земные морозы не идут ни в какое сравнение с ледяным дыханием долгой космической ночи на поверхности Луны. Как построить лунную базу, способную выдерживать такие холода? В вопросе решил разобраться корреспондент BBC Future.

Десятилетиями мысль о колонизации Луны не давала покоя ученым и писателям-фантастам. Кинематограф предлагал нам самые разнообразные концепции лунных поселений — от раскинувшейся на километры Базы Альфа из британского сериала «Космос: 1999» до компактного горнодобывающего комплекса, показанного в «Луне 2012».

Создание лунного поселения считается следующим логическим шагом в освоении космического пространства.

Луна — ближайшее к нам небесное тело, находящееся на расстоянии всего в 383 000 км. Соответственно, задача доставки грузов на лунную базу вполне решаема.

Особую привлекательность идее колонизации Луны придает наличие в ее поверхностном слое сравнительно больших запасов изотопа гелий-3 — идеального топлива для термоядерных реакторов.

Технические аспекты создания лунного поселения рассматриваются сейчас в рамках ряда космических программ. Так, Китай проявляет интерес к строительству на обратной стороне Луны.

А в октябре 2015 г. было объявлено, что Европейское космическое агентство (ЕКА) и российский «Роскосмос» планируют серию экспедиций к нашему естественному спутнику, чтобы исследовать возможности создания там постоянной базы.

Однако на этом пути существует ряд серьезных препятствий. Луна совершает полный оборот вокруг Земли примерно за 28 земных суток, то есть каждая лунная ночь длится 354 часа (свыше 14 земных суток).

Неосвещенная сторона Луны значительно охлаждается: на экваторе перепад температур составляет от +116°C днем до −173°C ночью.

Чтобы сократить продолжительность лунной ночи, можно разместить станцию на северном или южном полюсе.

«У такого расположения есть немало плюсов, но помимо длины светового дня следует принимать во внимание и другие факторы», — говорит Эдмонд Троллоп, инженер по эксплуатации космических кораблей в компании Telespazio VEGA Deutschland.

Как и на Земле, температура в полярных областях Луны, как правило, ниже, чем в экваториальных.

На лунных полюсах Солнце никогда не поднимается высоко над горизонтом, а это означает, что панели солнечных батарей, обеспечивающих поселение энегрией, придется располагать вертикально, в виде стены, что технически более сложно.

Кроме того, само полярное поселение необходимо будет строить вертикально, в несколько этажей, чтобы собирать и сохранять как можно больше энергии — в отличие от плоской экваториальной базы, которую можно распределить по большой площади.

«Проблема перепада температур вполне решаема, если изначально выбрать правильное место для строительства», — считает Фолькер Майвальд, научный сотрудник Германского центра авиации и космонавтики DLR.

Из-за значительной разницы в дневных и ночных температурах будущая лунная база должна не только обладать надежной термоизоляцией, но и выдерживать термические напряжения, которые приводят то к расширению, то к сжатию элементов конструкции.

Теплозащита

Самые первые автоматические лунные станции, в том числе советские аппараты серии «Луна», были рассчитаны на полезную работу в течение всего лишь одного лунного дня (двух земных недель).

Посадочные модули, использовавшиеся в рамках программы НАСА Surveyor, можно было перезапустить и после однократной «ночевки», однако, как правило, бортовое оборудование оказывалось настолько поврежденным холодом, что никакой полезной информации от аппарата получить уже не удавалось.

Луноходы, которые Советский Союз запускал в конце 1960-х и в 1970-х гг., были снабжены радиоактивными нагревательными элементами, увеличивавшими продолжительность эксплуатации чуть ли не до 11 земных месяцев.

«На ночь» луноходы переходили в спящий режим, вновь пробуждаясь, как только появлялась возможность эффективно использовать солнечные батареи.

Один из возможных способов борьбы с перепадами температуры — зарыть базу в реголит. Этот рыхлый поверхностный слой лунного грунта обладает низкой теплопроводностью и хорошо защищает от солнечной радиации.

Реголит, таким образом, — неплохой теплоизоляционный материал, и если погрузить поселение достаточно глубоко, потеря тепла и температурные нагрузки на элементы конструкции станут приемлемыми — особенно учитывая то, что на Луне нет атмосферы, способствующей теплообмену.

Однако, хотя идея создания «подлунной» базы и рассматривается в теории, на практике ее строительство весьма затруднительно.

«Мне пока еще не попадались проекты, предлагающие готовое решение данного вопроса, — говорит Фолькер. — Предполагаю, что для этого потребуются роботы-строители с дистанционным управлением».

Зарыть или присыпать?

Одним из возможных методов заглубления лунной базы является использование посадочных аппаратов, пробивающих грунт при столкновении с поверхностью Луны.

Подобные устройства проникающего типа (правда, миниатюрные) уже рассматривались в рамках проектов нескольких лунных экспедиций, включая японскую Lunar-A и британскую MoonLite (реализация последней отложена, но идея использвать пенетраторы оказалась настолько заманчивой, что ЕКА рассматривает ее использование для взятия проб грунта с других планет и их спутников).

Преимущество данной концепции состоит в том, что лунную базу можно зарыть в грунт непосредственно при прилунении, и она уже будет в какой-то степени защищена от перепада температур до тех пор, пока ей в дальнейшем не обеспечат необходимую дополнительную термозащиту.

С другой стороны, существующие предложения проникающего прилунения не предусматривают возможности использования солнечных батарей, мощность которых будет достаточна для функционирования лунной базы.

Необходимо также решить проблему высоких перегрузок при ударе о лунную поверхность; кроме того, для успеха экспедиции потребуется очень высокая точность наведения спускаемого аппарата на заданную точку посадки.

«Найти компромисс между силой столкновения с поверхностью, потребным для заглубления базы, и обеспечением впоследствии необходимой функциональности конструкции, будет весьма непросто», — отмечает Троллоп.

Существует и альтернативное решение — накрыть колонию сверху слоем реголита при помощи специальной техники, например, гидравлических экскаваторов. Однако в этом случае строительные работы необходимо будет завершить в весьма сжатые сроки.

Вместо реголита можно накрыть базу многослойным теплоизоляционным материалом — наподобие блестящей «фольги», широко применяемой при конструировании космических аппаратов.

Преимущество теплоизоляционного «одеяла» заключается в возможности использования солнечных батарей для сбора и консервации энергии в течение двухнедельного лунного дня.

Однако если их окажется недостаточно для полноценного функционирования базы ночью, придется рассмотреть альтернативные методы генерации электрической энергии.

Можно, например, использовать термоэлектрогенераторы, напрямую преобразующие тепловую энергию в электрическую — хотя их КПД не очень велик, их проще обслуживать ввиду отсутствия подвижных деталей.

Возможно применение радиоизотопных термоэлектрических генераторов, которые отличаются высокой эффективностью и работают на компактном источнике топлива. Правда, в этом случае базу пришлось бы дополнительно защищать от радиации.

Доставка на Луну генератора в комплекте с радиоактивным изотопом — также непростая задача: необходимо будет обеспечить безопасность запуска груза с Земли, а также учесть политические риски, связанные с последующим снабжением генератора топливом.

Вышеперечисленные проблемы придется решать и в случае применения термоядерных реакторов (которые для начала необходимо создать).

В качестве альтернативного источника электроэнергии можно использовать аккумуляторы (например, литиево-ионные) — при условии, что база будет получать достаточно солнечной энергии в дневное время для функционирования ночью.

Предлагается также вариант беспроводной передачи электроэнергии (при помощи микроволн или лазерного луча) с орбитального аппарата.

Данная концепция изучалась около 10 лет назад. Исследователи пришли к выводу, что для крупной лунной базы, потребляющей сотни киловатт электроэнергии, будет необходим лазер мощностью 50 кВт с антенной-выпрямителем диаметром в 400 м, а на спутнике придется установить солнечные батареи общей площадью в 5000 кв. м.

Для сравнения: площадь солнечных батарей, развернутых на Международной космической станции, слегка превышает 3300 кв. м.

В общем, трудности, с которыми придется столкнуться при строительстве лунной базы, способной выдерживать низкие ночные температуры, являются серьезными, но преодолимыми.

При наличии достаточной теплозащиты и надежного источника электроэнергии человечество может создать обитаемую лунную базу в течение ближайших 20 лет.

А затем придет черед и других небесных тел.