КИСЛОРОД ИЗ ЛУННОГО ГРУНТА И НОВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ГОНКА: КТО СОБРАЛСЯ СТРОИТЬ ИНФРАСТРУКТУРУ НА ЛУНЕ

Луна покрыта реголитом — слоем пыли, камней и песка от двух метров до десятков. Так вот, из реголита, кажется, научились добывать кислород. Blue Origin заявила о разработке реактора, переплавляющего лунный грунт в кучу полезных минералов с бонусом в виде заветного O?. 

Детище Джефа Безоса в подобной технологии не пионер, но компания стала первой коммерческой, добывающей кислород таким образом.

И это лишь небольшая часть огромного плана по освоению спутника. Разбираю тему: о кислороде из пыли, будущем лунных миссий и сложностях построения космической инфраструктуры.

Как из лунного грунта добывают кислород

Обыватель может представить полости с воздухом, покрытые слоями грунта у поверхности Луны, или что-то в этом духе. Всё несколько сложнее.

В лунном реголите огромное количество кислорода, но есть нюанс: в основном он в оксидах, то есть химически связан с металлами и кремнием. 

Чтобы извлечь O?, грунт нагревают примерно до 1600°C, превращают в расплав, а потом пропускают через него ток. Отрицательные ионы кислорода мигрируют к одному электроду, положительные ионы металлов и кремния — к другому. Кислород выделяется в виде газа, его собирают и используют.  

Побочные продукты плавления — железо, кремний, стекло, керамика и другие полезные материалы. Их тоже хотят использовать на месте, но об этом ниже. 

В технологии есть и загвоздка: ее тестируют не на лунном грунте, а на реголитном симулянте — имитации в земных условиях. Настоящего лунного реголита слишком мало, он дорогой и ценный для науки. 

Симулянт делают по нескольким рецептам: состав лунного грунта неоднороден и может серьезно отличаться в зависимости от места добычи.

Копии отличаются от оригинала: лунный реголит миллиарды лет обходился без атмосферы и магнитного щита — под солнечным ветром, космическими излучениями, радиацией, микрометеоритными ударами и прочими прелестями открытого космоса. Это влияет на оптические и магнитные свойства грунта, в частности на способность поглощать, отражать и излучать свет.

А сырье для симулянтов берут из земных пород, где могут быть продукты выветривания, вода (в том числе из воздуха) и просто примеси, которых на Луне нет. 

Однако базовая химия земного симулянта и его минералогия аналогичны оригинальным образцам, и этого достаточно для верных экспериментов по добыче кислорода электролизом.

Зачем на Луне кислород

В космосе кислорода дефицит.

Кроме дыхания (в воздухе не только кислород, но без него не обойтись) много кислорода нужно, чтобы окислять ракетное топливо и топливные элементы.

Как только пойдет речь о стабильных лунных миссиях (а она уже пошла), потребуются ресурсы на их создание и поддержку. Возить их с Земли дорого. Поэтому добыча кислорода и переработка реголита может лечь в основу автономной инфраструктуры: O? — дышать и окислять топливо, ископаемые — делать солнечные энергосистемы и силовые кабели.

У реактора есть название — Air Pioneer. Он часть проекта Blue Alchemist, задача которого — по максимуму использовать космические ресурсы. Помимо переработки лунной пыли проект ищет водяной лед на южном полюсе Луны — добывать водород и заправлять посадочные аппараты.

В этом году Blue Origin планирует показать работу реактора в близких к лунным условиях — в больших вакуумных камерах.

И не только Blue Origin…

Как бьются за кислород в космосе

NASA думала, как добывать кислород, еще в начале 1990-х и проводила исследования с расчетами. Дальше теории дело особо не пошло — возникла существенная проблема с расплавом.

Температура плавления реголита, как я говорил, ?1600°C. На ней реголит ведет себя как агрессивная кислота: разъедал стенки любого реактора за несколько часов.

GaLORE

В 2019-м к идее вернулись в космическом центре Кеннеди с проектом GaLORE. Задача та же: плавить реголит, чтобы получать газообразный кислород и металлы.

Проблему коррозии решили методом холодного тигля. Вещество греют только в центре чаши, между электродами. Слой реголита у стенок остается твердой и холодной оболочкой (в металлургии она называется гарнисаж), которая защищает установку от расплава. 

Первый успешный опыт случился в 2024-м: 25 кг имитатора лунного реголита (марки ICN-LHT-1G, если вам вдруг пригодится) поставили плавиться с электролизом на 24 часа.

В среднем добывали 100 граммов кислорода в час. Должно хватать на трех астронавтов: человек вдыхает около 800–900 граммов кислорода в сутки.

Расчетная норма для таких систем около 5,7–10% массы расплава.

То есть из 25 кг сырья выходит от 1,5 до 2,5 кг кислорода, а стало быть, по эффективности система выдавала примерно 0,6 моля O? на затраченный кВт?ч.

CaRD

Аналогичный проект. Только ученые пошли по другой технологии: вместо электролиза используют карботермическое восстановление. Поясню: огромная линза или система зеркал фокусирует солнечный свет в точку, разогревая реголит внутри реактора.

И в реактор добавляют немного углерода. При температуре выше 1600°C реголит плавится, а углерод вытягивает кислород из силикатов (минералов лунной пыли), образуя угарный газ (CO). Этот газ пропускают через реактор Сабатье, где из него получают чистый кислород. Углерод же возвращают в цикл — для новой плавки.

В 2023–2025 годах прошла серия тестов в гигантской вакуумной камере в Космическом центре Джонсона. Чтобы не зависеть от земных облаков, инженеры имитировали концентрированный солнечный свет мощным 2-киловаттным лазером. 

В феврале 2026-го объявили успешное завершение тестов интегрированного прототипа. Система доказала, что стабильно выделяет CO.

NASA развивает оба проекта параллельно. Если на Луне будет мало солнца (например, в полярных кратерах), сработает GaLORE. Если же база на освещенном плато, выгоднее CaRD, не тратящий ценное электричество на нагрев.

Во всех трех проектах есть трудности: износ электродов, доставка углерода, энергообеспечение. Предполагается, что 3D-принтеры из добытых материалов смогут восполнять компоненты для строительства, энергетики и электроники (например, солнечные панели и провода), но энергии нужно много и еработу нельзя прерывать.

С проблемами борются: скажем, BlueOrigin разрабатывает целую экосистему ракет, модулей и топливной архитектуры. Другой вопрос — зачем такие колоссальные усилия?

Кислородная генерация должна удешевить лунные посадки на 60%, а массу топливных элементов и батарей снизить на 30% (по заявлениям BlueOrigin). Но садиться-то туда ради чего?

Так зачем мы стремимся на Луну

Безжизненный камень, где практически нет ничего ни для жизни, ни для ее возникновения. Какова причина строить там что-то за сотни миллиардов долларов?

Мотивов много: от банально-экономических до научных и даже идеологических.

NASA в идеале стремится к постоянному присутствию человека на Луне.

Она отличный промежуточный пункт для дальних перелетов, например на Марс. На ней удобнее отрабатывать азы дальних миссий: автономную энергетику; долговременные системы жизнеобеспечения; добычу и переработку местных ресурсов; строительство, логистику и работу в частично замкнутой инфраструктуре. 

Также на Луне важно изучать влияние на организмы космонавтов космической радиации, неизбежной в дальних полетах.

Касаемо полетов есть тоже масса нюансов: окно марсианских миссий открывается примерно раз в 26 месяцев из-за положений небесных тел и кучи других факторов, а посадка на красную планету очень и очень сложна — из 19 робомиссий успешны 12. Луна может стать более безопасным и дешевым полигоном взлетов и посадок. 

С лунной поверхности легче поднять груз на лунную орбиту — и затем использовать для посадочных аппаратов, буксиров, возвратных ступеней или даже для дальних перелетов. Дело в том, что у Луны нет нормальной плотной атмосферы: это крайне разреженная экзосфера, где молекул примерно в 10?? раз меньше, чем в земной атмосфере, — настолько редки, что почти не сталкиваются друг с другом. Значит, при старте не нужно пробиваться через толстый воздушный столб, бороться с плотным аэродинамическим сопротивлением и тепловыми нагрузками, которые на Земле съедают немалую часть энергетики запуска.

Кроме того, доставить килограмм груза на лунную поверхность стоит около $1,2 миллиона.

Хотя есть и сложность старта с Луны: тот же реголит. Без атмосферы струя двигателя легче разбрасывает грунт. Самые мелкие частицы реголита струя может разгонять до 3 км/с, то есть даже выше лунной скорости убегания 2,38 км/с. Это опасный абразивный поток для техники, оптики, солнечных панелей и инфраструктуры.

Вы наверняка слышали о противостоянии Безоса и Маска: они конкурируют в работе с NASA. В 2021-м Blue Origin подавала иск против правительства США из-за выбора SpaceX как единственного подрядчика проекта для миссии Artemis III. После иска NASA пересмотрела тендерную политику и взяла Blue Origin вторым подрядчиком следующей Artemis — V.

Оба лидера смотрят на освоение космоса по-разному. Безос сконцентрирован на ближней космонавтике: его больше интересует Луна, потому что освоить ее намного проще и реалистичнее с текущим уровнем науки и инженерии. Маск же хочет терраформировать и колонизировать Марс — как позиционирует он сам, чтобы дать человечеству резервную локацию для выживания. Хотя в этом году он тоже смещает фокус на постройку лунной базы: возможно, из-за форсированного противостояния Китая и США, о котором я писал ранее.

В любом случае они оба часть одной цепочки: без освоения Луны не получится наладить сообщение с Марсом. 

В освоении Луны есть и чисто научный мотив: южный полюс и моря рядом не исследованы и могут хранить информацию о ранней истории спутника, Земли и даже Солнечной системы. На Земле эти данные давно стерли тектоника и атмосфера. 

И на Луне есть места стыков постоянного освещения и затененности: удобно для долгой работы техники и экспедиций для поиска новых ресурсов — например, льда. Если он там есть, Луна даст практически все элементы для изготовления топлива по схеме O?/H?.

Еще обратная сторона Луны экранирует от помех с Земли и ее ионосферы, что позволит развернуть низкочастотные радиотелескопы. В такой уникальной среде телескоп уловит сигналы эпохи Cosmic Dark Ages — до появления звезд и галактик. Возможно, это покажет, как зарождалась вселенная.

Кто еще собирается освоить Луну

Blue Ring

Как вам выражение «многоцелевая платформа с гибридной солнечно-электрической и химической тягой, способная работать на высокоэнергетических орбитах»? 

По-простому это ещё один экосистемный проект Безоса Blue Ring: маневренная космическая платформа для дозаправки, транспортировки и обслуживания спутников. Работает на комбинации химического и электрического двигателей, несет солнечные панели размахом 44 метра. Может достигать геостационарных орбит, точек Лагранжа, цислунного пространства и потенциально межпланетных траекторий.

Первый орбитальный запуск планируется в этом году (в марте были новости о финальных проверках на заводе). Миссия военная: выйдут на геостационарную орбиту и разместят разведывательные сенсоры для Космических сил США. 

В комплекте с «голубым кольцом» идет беспилотный посадочный аппарат (Blue Moon MK2) и Cislunar Transporter — буксир для сбора остатков топлива со второй ступени ракеты New Glenn (доставляет водород и кислород на лунную орбиту). Все аппараты должны полететь в космос в ближайшее время — Безос серьезно озадачен целью покорить Луну.

SpaceX

У Маска в запасе есть Starship HLS, модификация «Старшипа» для лунных миссий. Он должен возить астронавтов из лунной орбиты на поверхность и обратно для Artemis III и Artemis IV. Ему же предстоит доставить туда строительные блоки для долгосрочной базы. 

Как видим, в отличие от многокомпонентной системы Безоса с орбитальной дозаправкой и кучей аппаратов на буксире, Маск хочет решить лунную задачу одной тяжелой платформой.

Китай

КНР планирует высадить двух астронавтов на Луну до 2030-го с помощью тяжелой ракеты Long March 10, пилотируемого корабля Mengzhou и посадочного модуля Lanyue. Лунной программой занимается государство, и китайцы уже пару десятков лет следуют единой дорожной карте.

Параллельно к южному полюсу Луны отправится Change-7 — орбитальный аппарат, посадочная платформа, ровер и прыгающий зонд, задача которого — искать водяной лед в постоянно затененных кратерах. За группой аппаратов в 2028-м последует еще одна — Change-8 с роботом, тестирующим 3D-печать строительных блоков прямо из реголита.

Две эти миссии — фундамент следующего этапа, международной лунной исследовательской станции. Китай строит ее с Россией и рядом других стран. Проект разбит на фазы: роботизированная разведка до 2030 года, базовая версия станции к 2035-му, расширенная — к 2045-му.  

Россия

У нас ближайший запуск на Луну планируется в 28 году — орбитальной станции «Луна-26».

Отечественная программа осторожнее США и КНР: только детальная разведка. Основные задачи — картографировать поверхность, искать водород и водяной лед в полярных районах, изучать минералы и подповерхностную структуру, собирать данные для выбора посадочных площадок.

После аварии «Луны-25» осваивать спутник решили планомернее. «Луна-26» должна стать ретранслятором для младших модулей: 27-й и 28-й серии «Луны» с посадкой на поверхность. 

Что ждет колонизацию космоса

Мы не знаем, как будут работать реакторы в лунных условиях с настоящим реголитом. А из недавних достижений видели только миссию Artemis II, когда 4 астронавта на пилотируемом корабле пролетели вокруг Луны.

Однако подвижки есть. Текущие разработки и полеты — путь к серьезным миссиям, а прототипы технологий уже достаточно хороши. И есть конкуренция: среди подрядчиков NASA и между программами разных стран.

Но вот хороший вопрос: если мы, человечество, взялись осваивать свой спутник, то — чья инфраструктура там закрепится и станет мостом к следующему рубежу — марсианской колонизации? Или мы договоримся ради общей цели?..