Космонавтика

От лунной гонки - к освоению луны

Приоритеты в изучении космоса определяются тем, в какой мере они способствуют решению основных проблем развития человечества. В наступившем XXI в. важнейшей задачей космической деятельности станет освоение Луны, как кладовой природных ресурсов, как уникальной площадки для космических обсерваторий, как трамплина для прорыва человечества на Марс.

 Что же сегодня есть в копилке знаний отечественных и зарубежных ученых о естественном спутнике Земли? Что люди будут искать на Луне? Как предполагается строить научно-изыскательскую работу в этом направлении? Возникает немало и других вопросов. Попытаемся ответить на некоторые из них.

Освоение Луны началось 3 февраля 1966 г., когда советская автоматическая станция "Луна-9" впервые совершила посадку на ее поверхность и передала панораму океана Бурь. Спустя месяц наша страна вывела на окололунную орбиту станцию "Луна-10", в состав ее научной аппаратуры входил спектрометр для регистрации гамма-излучения, которое образуется в слое поверхности толщиной около 1 м от воздействия галактических лучей. На основе анализа измерений этого прибора академик Александр Виноградов, профессор Юрий Сурков и др. обнаружили спектральные детали, соответствующие линиям ядерного излучения кислорода, алюминия, магния, железа, кремния, калия и тория. Для уточнения полученных данных о составе поверхности спутника Земли было решено повторить эксперимент на автоматической станции "Луна-12" в октябре 1966 г. и установить детектор гамма-лучей на консоли вне корпуса станции. Итоги обоих полетов показали: во всех "морских" районах Луны уровень гамма-излучения естественных радиоактивных элементов соответствует земным примитивным или океаническим базальтам, а поток гамма-лучей от поверхности лунных "материков" оказался ниже и соответствовал ультраосновным породам нашей планеты. Впоследствии эти результаты подтвердили прямые лабораторные исследования фунта, доставленного оттуда на Землю автоматическими станциями "Луна-16, -20 и -24" (1970 -1976 гг.).

Безусловно, самым крупным шагом в освоении нашей ближайшей соседки стала посадка на ее поверхность 20 июля 1969 г. капсулы "Игл" американского космического корабля "Аполлон-11" с астронавтами Нейлом Армстронгом и Эдвином Олдрином. Полет "Аполлона-11" фактически завершил лунную гонку СССР и США за первенство в освоении космоса. В шести экспедициях там побывали двенадцать американцев, продемонстрировав всему миру технологическое, а значит, и военно-политическое превосходство своей страны. Руководители советской космической программы, пережив горечь поражения, убедили себя и зарубежных коллег в преимуществе использования автоматических станций и подтвердили такую позицию, трижды успешно доставив на Землю лунный грунт. Последний образец был взят с глубины около 2 м станцией "Луна-24" в августе 1976 г. Также несомненным успехом нашей лунной программы следует считать работу "Луноходов-1 и -2" в 1970 - 1973 гг.

Десятилетие космической гонки в 60-е годы XX в. между СССР и США создало условия для пионерских научных исследований природной среды спутника Земли. Оказалось, что лунный грунт имеет очень большой возраст. Он различается по составу для "морей" (базальты, возраст около 3,2 - 3,9 млрд. лет) и "материков" (анотрозиты, возраст около 4,4 - 4,6 млрд. лет), содержит фрагменты минералов, расплавленных и спекшихся от ударов астероидов. В грунте практически отсутствуют вода и другие летучие составляющие. Были обнаружены также базальты со значительным содержанием калия и редкоземельных элементов. А в образце, добытом станцией "Луна-24" с глубины 2 м, содержалось больше алюминия и меньше титана, чем в грунте, доставленном экспедициями программы "Аполлон". В ходе экспериментов выяснилось, что Луна покрыта слоем реголита толщиной до нескольких метров. Он представляет собой породу, раздробленную и перемешанную ударами космических тел и обогащенную водородом и гелием под воздействием солнечного ветра. Характерное время перемешивания составляет десятки или сотни миллионов лет.

Несомненно, результаты первого этапа исследований Луны имели очень большое значение для формирования современных представлений о ней. Однако чисто научного интереса оказалось недостаточно для продолжения лунных программ в последние три десятилетия XX в., а политическая мотивация первенства в космосе к тому времени закончилась. Кроме того, лунные проекты оказались очень дорогостоящими, а риск - слишком большим. Хотя и СССР, и США во время гонки рассматривали планы строительства лунных обитаемых баз, в 1980-е годы эти идеи отодвинулись на далекую перспективу.

После "Луны-24" полеты к естественному спутнику Земли вообще надолго прекратили. Лишь в 1994 г. американцы выполнили относительно скромный по затратам (80 млн. дол.) проект "Клементина". Его разработали в рамках исследовательской программы Стратегической оборонной инициативы (СОИ) для отработки средств слежения за военными целями на околоземной орбите. Аппарат весом около 150 кг был запущен на окололунную орбиту, так как согласно международным договорам проводить подобные испытания на околоземной орбите запрещалось.

За два с половиной месяца непрерывных наблюдений аппаратом "Клементина" было получено около 2,5 млн. изображений поверхности Луны в разных спектральных диапазонах. Благодаря лазерному высотомеру наша ближайшая соседка приобрела третье измерение - высоту рельефа. Было подтверждено, что в окрестностях северного и южного полюсов имеются многочисленные кратеры. Один из них - южный полюс-Эйткен с диаметром 2500 км и глубиной до 12 км - представляет собой самый большой ударный кратер Солнечной системы.

Одно из удивительных свойств естественного спутника Земли состоит в том, что направление оси его вращения имеет очень малый угол наклона (1,6°) к перпендикуляру к плоскости эклиптики. Для сравнения: ось Земли наклонена к нему на 23,5°, а плоскость лунной орбиты - на 15,5°. Если бы Луна имела гладкую сферическую поверхность, то вследствие такой почти идеальной "выстроенности" лучи Солнца постоянно касались бы ее полюсов. Но поверхность Луны имеет сложный рельеф и поэтому в полярных областях должны существовать как вечно-освещенные, так и вечно-затененные районы. В 1961 г. американцы Ватсон, Мюрей и Браун высказали гипотезу, что в вечно-затененных районах за время жизни Луны мог накопиться лед, который сконденсировался в них как в "холодных ловушках" из водяного пара от ее столкновений с кометами. Основным веществом комет является водяной лед, и при каждом таком ударе на короткое время образуется лунная атмосфера из водяного пара. Молекула Н2О, попавшая в "холодную ловушку", остается в ней навсегда. Слоистые залежи водяного льда, перемешанного реголитом, подобно кольцам деревьев, отражают историю столкновений Луны с кометами и астероидами.

ot-lunnoj-gonki-k-osvoeniu-luny
Карты рельефа поверхности Луны по данным "Клементины" (черно-белые) и потока надтепловых нейтронов по данным "Лунар Проспектор" (цветные) в окрестности северного (вверху) и южного (внизу) полюсов Луны. Темные области на картах рельефа соответствуют вечно-затененным областям, а темные области на картах нейтронного излучения соответствуют пониженному потоку надтепловых нейтронов.

По данным измерений высотомера и радара проекта "Клементина" оказалось: в окрестностях северного и южного полюсов Луны действительно имеются как вечно-освещенные районы на вершинах холмов, куда Солнце и Земля никогда не заходят и температура составляет от -30 до -50°C (прекрасная площадка для лунной базы!), так и вечнозатемненные долины на дне кратеров, куда согревающие солнечные лучи никогда не проникают, где температура находится на уровне - 230°C и могут находиться залежи водяного льда.

В 1998 - 1999 гг. было проведено детальное картографирование нейтронного и гамма-излучений поверхности Луны с борта исследовательского аппарата "Лунар Проспектор", созданного в рамках программы НАСА "Дискавери". Этот сравнительно небольшой аппарат (масса около 300 кг) имел на борту пять научных приборов. На основе измерений ядерного гамма-излучения были построены глобальные карты распространенности калия, титана, железа и других элементов в веществе лунной поверхности. Они показали существенную переменность состава для различных участков поверхности. Например, район моря Имбриум оказался областью с высокой интенсивностью излучения радиоактивного калия, что хорошо согласуется с данными, полученными ранее автоматической станцией "Луна-10" и приборами на орбитальных модулях космических кораблей "Аполлон-15 и -16".

Важные результаты о возможном существовании полярных ледников были получены в проекте "Лунар Проспектор" в ходе измерений потока нейтронов от поверхности Луны в районе полюсов. Напомним, космические лучи образуют в верхнем метровом слое вещества вторичные нейтроны с энергией около 20 МэВ. Значительная часть нейтронов покидает поверхность после многократных столкновений с ядрами вещества; в результате их движение существенно замедляется. Часть нейтронов покидает поверхность раньше, чем их энергия станет тепловой, - это надтепловые нейтроны. Другие (тепловые) успевают до вылета полностью термализоваться. Наиболее эффективно замедление нейтронов проходит при столкновениях с ядрами водорода, поскольку протон и нейтрон имеют одинаковую массу. Вследствие этого увеличение концентрации водорода в веществе поверхности приводит к уменьшению доли надтепловых частиц в потоке выходящих нейтронов и соответственно к повышению доли частиц с тепловыми энергиями.

Проект "Лунар Проспектор" показал: в полярных районах Луны наблюдается заметное ослабление потока надтепловых нейтронов; их можно объяснить наличием в фунте повышенного содержания атомов водорода. Была сделана оценка, согласно которой оно эквивалентно присутствию в реголите водяного льда в количестве около 1,5% по массе. Данные нейтронных измерений имели невысокое пространственное разрешение на поверхности около 100 км, и поэтому ослабление потока надтепловых нейтронов наблюдалось для больших областей поверхности и не могло служить однозначным подтверждением наличия залежей водяного льда в "холодных ловушках" на дне кратеров.

Если они все же будут обнаружены, то перспективный сценарий освоения нашей ближайшей соседки нужно строить с учетом данного обстоятельства: ведь вода необходима для поддержания среды обитания на будущей лунной базе, высвобождаемый из нее кислород обеспечит воздушную атмосферу на станции, а водород станет эффективным топливом для космических аппаратов и транспортных средств. Вот почему разведка полярных районов Луны с залежами водяного льда представляется важнейшей задачей освоения спутника Земли на предстоящие годы. Автоматические станции станут заниматься поиском залежей водяного льда и минералов на Луне для первых технологических экспериментов. Предполагается выбрать стратегически наиболее выгодный район для развертывания будущей обитаемой базы и начать строительство там необходимой инфраструктуры.

В 2008 г. США планируют отправить на окололунную орбиту автоматический аппарат "Lunar Reconnaissance Orbiter" - LRO ("Лунный орбитальный разведчик"). Он станет первым проектом новой программы НАСА по освоению Луны и подготовке полета людей на Марс. В ходе его реализации предполагается однозначно проверить предположение о наличии водяного льда в вечно-затемненных полярных кратерах. В решении этой задачи будут участвовать пять американских приборов и один российский ЛЕНД (Lunar Exploration Neutron Detector). Последний массой около 24 кг создают в Институте космических исследований РАН по заказу Федерального космического агентства. Он представляет собой сложный измерительный комплекс с девятью отдельными детекторами нейтронов. Четыре из них будут находиться внутри модуля коллиматора, который обеспечит высокое пространственное разрешение для картографирования нейтронного излучения Луны. ЛЕНД создан на основе опыта разработки другого российского прибора - ХЕНД, в настоящее время успешно работающего на марсианской орбитальной станции НАСА "Марс Одиссей"*.

LRO будет иметь круговую полярную орбиту Луны с высотой около 50 км. В этих условиях пространственное разрешение измерений прибором ЛЕНД потока нейтронов с поверхности будет соответствовать области радиусом 5 км. При этом обеспечится порог детектирования водорода в реголите Луны на уровне 100 ррт (100 атомов H на 1 млн. атомов вещества). Если ЛЕНД обнаружит локальные пятна водорода с концентрацией более 10 ppm в "холодных ловушках" в вечнозатененных кратерах, то это будет означать наличие там водяного льда в количестве более 10% по массе. Такое содержание льда достаточно для создания технологических циклов по его добыче и утилизации для строительства и поддержания лунной инфраструктуры. Если же лед не будет обнаружен, то процесс создания инфраструктуры на спутнике Земли существенно замедлится, ибо добычу воды, кислорода и водорода придется осуществлять на основе более сложных и энергозатратных процессов переработки лунных минералов. Такова интрига современного этапа освоения Луны, которая достигнет своей кульминации в 2008 г., когда российские и американские ученые начнут проводить ее исследования приборами на борту LRO.

В современной лунной космической программе также принимают участие другие страны. В 2004 - 2005 гг. Европейское космическое агентство реализовало проект "Смарт-1". Были отработаны новые технологии ионных межпланетных двигателей и выполнены исследования поверхности спутника Земли в окрестностях его полюсов. В ближайшие годы запуск исследовательского спутника "Селена" планирует Япония. Научная аппаратура на его борту позволит выполнить геологоразведку минерального состава лунного грунта. На очереди старт индийского аппарата "Чандраян" с целью решения аналогичных задач. Объявило о своих обширных планах освоения Луны во втором и третьем десятилетии XXI в. и космическое агентство Китая.

Что же касается национальной лунной программы России, то она, к сожалению, в настоящее время практически отсутствует. Пока единственная опытно-конструкторская разработка лунной аппаратуры связана с созданием прибора ЛЕНД для проекта НАСА LRO. В планах фундаментальных космических исследований присутствует проект "Луна-Глоб", но его реализация затягивается. Безусловно, большое значение для обеспечения возможностей освоения Луны будет иметь успешная реализация марсианского проекта "Фобос-Грунт" с межпланетным аппаратом нового поколения**, а также создание нового пилотируемого космического корабля "Клипер". Но эти фрагменты не образуют целостной национальной программы освоения Луны нашей страной. При обсуждении необходимости формирования ее можно услышать возражения: "западные доброжелатели опять втягивают нас в изнурительную лунную гонку". Я думаю, что это не так. Во-первых, именно мы втянули американцев в лунную гонку, осуществив первый полет человека в космос. А во-вторых, в США за последние несколько лет произошло переосмысление концепции космических исследований. Она, с одной стороны, стала более прагматичной с четко выраженными практическими целями, а с другой - предполагает реализовывать намеченное быстрее или медленнее в зависимости от достигнутых результатов и полученного научного знания. Должна ли Россия участвовать в современных исследованиях Луны? Хочется верить, что подавляющее большинство наших соотечественников ответят на этот вопрос утвердительно. Мы не потеряли пассионарность первооткрывателей, нам недостаточно гордиться успехами былых времен, мы хотим оставаться гражданами великой космической державы.

Вероятно, отечественная лунная программа должна быть встроена в систему международного разделения труда, но она обязана преследовать национальные интересы и должна быть основана на национальных приоритетах. Доставшийся нам по наследству огромный потенциал советской лунной космической техники стремительно устаревает, и отсутствие новых разработок на его основе фактически будет означать его утрату. Космические аппараты, как известно, создают и отрабатывают годами, иногда десятилетиями. Поэтому начинать создавать лунный флот следует уже сегодня. Россию никто не станет втягивать во вторую лунную гонку, однако и ждать нас тоже никто не будет. Удобных районов базирования на Луне с постоянным солнечным освещением и водными ресурсами может оказаться совсем немного, и желающих их освоить найдется немало всего через несколько лет.

В завершение хочется ответить на главный вопрос: почему же человечество стремится обосноваться на Луне? Ответов несколько. Во-первых, она предоставляет великолепные условия для создания астрономической, гелиофизической и метеорологической станций наблюдения - Лунной полярной космической обсерватории. Современная астрофизика и астрономия невозможны без космических телескопов. Но космические аппараты ограничены временем работы, их ремонт сопряжен с огромными затратами, а порой и вовсе невозможен. Размещение же исследовательской аппаратуры на нашей ближайшей соседке позволит осуществлять их профилактику и переоснащение, как говорится, на месте. Кроме того, удастся избежать воздействия фона излучения Земли, добиться идеальных условий космического вакуума в ходе проведения тех или иных экспериментов.

Во-вторых, базирование на ночном светиле поможет ученым решить проблему происхождения планетной системы Земля-Луна, которая пока не поддается объяснению. Существующие гипотезы - совместное образование этой системы, захват Луны гравитационным полем Земли, образование обоих небесных тел в результате столкновения двух протопланет - не имеют преимущественного подтверждения. Загадочно и удивительно "аккуратное" обращение Луны вокруг Земли по практически круговой орбите (эксцентритет составляет всего 0,055) и строгая выстроенность ее оси вращения относительно Солнца. Это согласуется с моделью образования двух космических объектов, хотя остается непонятным различие в их средней плотности. Не ясна и природа лунных масконов - областей повышенного гравитационного поля под ее поверхностью.

В-третьих, создание лунной базы предоставит условия для разведки и утилизации там полезных ископаемых. Дело в том, что добыча и переработка полезных ископаемых на Земле сопровождается все большим и большим загрязнением атмосферы химическими и энергетическими отходами производства, неизбежно приводящими к увеличению нагрева поверхности планеты. Уже сейчас оценка этого нагрева приближается к критической величине, после которой могут наступить необратимые изменения климата. Поэтому вынос на Луну промышленности с высоким энергопотреблением - актуальнейшая задача XXI в. К этой проблеме примыкает и целесообразность производства и доставки на Землю гелия-3 как перспективного энергетического ресурса - может оказаться более целесообразным не привозить дополнительные энергоресурсы с Луны на Землю, а, напротив, убрать туда с Земли энергоемкие и вредные производства.

В-четвертых, необходимость исследований Луны состоит в подготовке условий для экспансии людей на Марс. Вероятно, первые разведывательные экспедиции к нему можно выполнить и без использования лунной инфраструктуры. Но для освоения Красной планеты с целью создания там постоянной колонии людей без использования перевалочной базы на Луне не обойтись. Опыт ее освоения создаст основу для экспансии человека на Марс. Вероятно, в конце текущего века марсианские космические аппараты будут регулярно стартовать с поверхности Луны, получая на ней топливо и другие ресурсы.

И наконец, в-пятых, существует и гуманитарная причина необходимости освоения Луны и в перспективе Марса - гарантированное сохранение человеческой цивилизации. К сожалению, Земля в будущем вновь обязательно столкнется с крупным астероидом. Эти столкновения происходят регулярно с периодичностью около нескольких десятков миллионов лет. Предполагают, что вследствие последнего столкновения около 60 млн. лет назад произошли эпизодические изменения климата и гибель динозавров***. Оставаясь в пределах земной среды современная цивилизация может погибнуть, так как даже небольшие и кратковременные природные катаклизмы, такие, как замерзание океанов или, напротив, таяние полярных льдов, окажутся несовместимыми с производством энергии и питания для многомиллиардного населения планеты. Можно спорить о том, каковы шансы сохранения разумной жизни на Земле после очередного глобального катаклизма, но очевидно, что самообеспечивающиеся колонии людей на Луне и Марсе сделают цивилизацию землян практически (в масштабе времени существования Солнечной системы) бессмертной. И создание в XXI в. лунного форпоста с промышленной инфраструктурой станет первым шагом человечества к достижению этой цели.

* См.: И. Г. Митрофанов. Разгадывая марсианские тайны. - Наука в России, 2002, N 6; М. Л. Литвак и И. Г. Митрофанов. Времена года на Марсе. - Наука в России, 2004, N 4.

** См.: Э. Галимов. Российский проект "Фобос-Грунт". - Наука в России, 2006, N 1.

*** См.: Ю. Н. Авсюк и др. Внезапно ли вымерли динозавры? - Наука в России, 2002, N 3.


МИТРОФАНОВ И.

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD