Привет, Хабр! Пока кто-то думает, что полеты к другим небесным телам слишком дороги, в Америке уже давно посчитали: они обойдутся не дороже МКС, от которой, соответственно, американцы хотят избавиться. Но если здесь с расчетами у США все хорошо, то вот место, куда они планируют высадить своих астронавтов через 2,5 года выбрано не очень продуманно. На самом деле оно находится в точке, прямо противоположной нужной.
Меня зовут Александр Березин, я научный журналист и автор команды спецпроектов МТС Web Services. Пока весь мир напряженно следит за земными планами американцев, я решил обратиться к куда более важной для будущего теме: их высадке в предположительно самой богатой ресурсами и научными данными части Луны. Ну или им так кажется — скоро читатели сами составят представление о том, насколько это верно.
Как улететь в тысячу раз дальше за те же деньги
Классический аргумент противников любых пилотируемых полетов (а их, кажется, с каждым годом все больше, как и лунозаговорщиков) хорошо известен: нужно эти деньги тратить на улучшение ситуации на Земле. Правда, почему-то так выходит, что страны с высокими тратами на космос заодно и одни из самых обеспеченных, а вот те, что экономят, вскоре начинают испытывать проблемы с экономикой. Но не будем о грустном. Лучше зададимся вопросом: насколько дорого летать к другим небесным телам на фоне полетов к МКС?
Вопрос может показаться смешным: Луна в 400 тысячах километров, для полета на нее и обратно нужно на 60% больше энергии, чем до орбитальной станции. К тому же на земном спутнике сложнее работать: там пыль, из-за которой скафандры пропускали воздух после первого же выхода наружу, электростатика, угрожающая электронике, проблемы с терморегуляцией (от +130 до −190). То есть все сложнее и, по логике, дороже, чем на околоземной орбите. Ежу понятно, что полеты к Луне выйдут дороже, чем до МКС.
В современных долларах шесть полетов на Луну обошлись США полувековой давности в 160 миллиардов, 27 миллиардов за штуку. МКС — всего в 120 миллиардов долларов, явно дешевле. Но как только мы обратимся к ценам не самих программ, а полетов, ситуация встанет с ног на голову.
Дело в том, что почти все расходы по лунной программе были на НИОКР, и после того как их сделали, новые были не нужны. Переменные издержки на каждый полет к Луне, включая и ракету, и скафандры, и луномобили, и все остальное, были всего лишь 2,9 миллиарда долларов. Переменные издержки NASA на МКС сегодня выше этой цифры. Вдумаемся: американцы летают на 400 километров по той же цене, по которой могли бы раз в год летать на 400 тысяч километров.
Разумеется, так получилось случайно. Когда американский президент свернул полеты к Селене полвека назад, он сделал это потому, что думали, будто так можно что-то сэкономить. Но сложные отрасли с большими постоянными издержками устроены совсем иначе: сэкономить на них можно, только если свернуть полностью. Попытка «срезать косты» приведет не к тому, что вы заплатите меньше, а к тому, что летать вы станете куда ниже.
Белый дом в 1970-х решил, что шаттлы и орбитальная станция получатся дешевле, чем полеты к Луне. Но на практике станция за восемь миллиардов долларов вн��запно выросла в цене в 15 раз, и американские СМИ открыто писали об этом еще до старта работ по МКС. Уже в начале XXI века один из бывших глав NASA наконец заметил этот парадокс и констатировал, что для Штатов было бы дешевле продолжать летать к Луне на «Сатурнах»/«Аполлонах», чем пытаться «сэкономить» на их отмене.
Обратимся к цифрам по новому средству полета к Луне: на всю программу по лунному «Старшипу» NASA выделило лишь 2,9 миллиардов долларов. Это точно равно цифре переменных издержек при полетах на Луну в эпоху фон Брауна, с той разницей, что теперь туда вошли и постоянные издержки. Что важно, «Старшип» способен взлететь с Земли, добраться до Луны, высадить там людей и вернуться с ними. Весь остальной «обвес» в виде корабля «Орион», выводимого в космос ракетой SLS — это техника, сделанная по ТТХ NASA, и SpaceX не планирует использовать ее в своих полетах к земному спутнику в 2030-х.
То есть после отказа от МКС в конце 2020-х американцы смогут тратить на полет к Луне на «Старшипе» не больше, чем полвека назад. И меньше, чем тратят на МКС сегодня. При этом вместо одной тонны, как 50 лет назад, новый «посадочный модуль» сможет прилунять до 100 тонн полезного груза за раз. Одновременно он будет лунной базой с внутренним гермообъемом больше МКС. Если Хьюстон захочет проводить эксперименты как на МКС сегодня — это вполне можно будет сделать параллельно с лунной программой.
Итак, мы выяснили, что регулярные полеты на Селену скорее сэкономят США деньги, чем увеличат их траты. А в чем будет научный и технический выхлоп от всего этого?
Луна: водный оазис в космосе
В эпоху Королева земной спутник считали полностью безводным. Поэтому когда первые данные, добытые астронавтами на Луне, показали на наличие там воды, их предпочли просто проигнорировать, списав следы H2O в лунном грунте на «земное загрязнение» контейнеров с образцами. На четверть века это действительно закрыло научную дискуссию по вопросу, но затем оказалось, что там слишком много следов воды, чтобы их можно было игнорировать.
Сложность возникла с другим вопросом: откуда там эта вода? Доминировавший тогда в науке сценарий рождения Луны от удара Тейи показывал энергию соударения в миллиарды триллионов мегатонн. Если он верен, то воде там взяться неоткуда: по расчетам, этой энергии достаточно, чтобы не только испарить всю воду из будущего лунного вещества, но и чтобы обезводить земную поверхность, превратив ее в океан лавы.
Сторонники гипотезы Тейи сначала были вынуждены придумать, откуда в таком случае вода осталась на Земле. Они предложили считать, что ее принесли кометы и астероиды уже после застывания сплошного лавового океана на земной поверхности. Но как повторить такой трюк с Луной? Дело в том, что в лунных условиях только ничтожная доля воды от падения кометы может остаться на земном спутнике. И не только в силу слабости лунной гравитации, позволяющей нагретому кометному веществу быстро улететь в космос. Российские ученые выяснили еще и то, что кометы, падающие в приполярные зоны Луны, могут доставить на нее в норме менее процента своего вещества: остальное покинет наш спутник просто из-за больших углов падения.
«Артемида-3» (и последующие экспедиции) поможет не только решить этот вопрос окончательно, но и выяснить: достаточно ли много на Луне воды и можно ли просто ее там добывать, чтобы наладить производство ракетного топлива в этих районах? В конце концов, энергия вывода одного и того же груза в космос с Луны и Земли, различается в шесть раз. Понятно, что США, как и любая серьезная космическая держава, не отказалась бы от возможностей «космической бензоколонки».
Где поставить вышку?
В NASA миссию планируют на южный полюс Луны, а конкретнее — поблизости от одной из 13 зон-кандидатов, показанных на карте ниже:
Все эти места имеют много общего: они около южного полюса Луны, рядом с каждой из этих зон, размерами примерно 15 на 15 километров, есть кратер вечной тени. Так условно называют зоны, куда солнце почти никогда не заглядывает, и где, соответственно, самая низкая средняя температура грунта.
Напомним: в NASA все еще исходят из идеи, что водный лед, следы которого удалось засечь в подобных кратерах с окололунной орбиты, прибыл туда с кометами или астероидами. В таком случае чем холоднее в «зоне хранения» льда, тем больше там будет воды — потенциального сырья для получения кислорода и водорода, компонентов ракетного топлива.
Но, как я уже отметил выше, идея о кометном происхождении лунной воды довольно спорная с научной точки зрения. Я поговорил с физиком Николаем Горькавым. В 2007 году он представил иную гипотезу возникновения Луны, в рамках которой происхождение воды там совсем не кометное. Кстати, через много лет те же мысли повторили и западные исследователи на страницах Nature Geoscience.
Напомним вкратце уже известные хаброжителям моменты теории: Л��на возникла не в результате удара Тейи с энергией столкновения в миллиарды триллионов мегатонн, а от соударений Земли с множеством банальных астероидов, по размерам много меньших, чем планета, буквально в километры диаметром. Естественно, что такие события имели совсем другую энергию и не могли расплавить не только земную поверхность, но и выбитые из нее обломки, которые впоследствии сложили Луну.
А раз так, вода должна быть не столько в кратерах на лунной поверхности, сколько под этой поверхностью, причем вне кратеров. Под ней лежит толща вечной мерзлоты как в северных широтах Земли. Николай Горькавый рассказал, что ему удалось найти на снимках Луны следы временного таяния вечной мерзлоты, аналогичные подобным следам в отдельных районах Марса. Сейчас ученый готовит статью для рецензируемого научного журнала об этом открытии.
Ученый отметил, что в этой парадигме максимум водного льда находится совсем не в кратерах вечной тени. Напротив: удар астероида, образовавший кратер, мог испарить честь льда под поверхностью. То есть слой льда толще как раз не в кратерах, где лед будут активнее всего искать, а рядом с ними.
Здесь самое время вспомнить об одной особенности лунной географии. Если большинство кратеров от ударов астероидов не особенно велики, то на Южный полюс Луны приземлился когда-то настоящий гигант, образовавший бассейн Южный полюс — Эйткен. Размеры получившегося гигакратера — 2400 на 2050 километров. Разница высот между дном и высочайшей точкой вала из лунного материала, созданного взрывом, — 16 километров. То есть край вала кратера возвышается над его дном чуть ли не вдвое больше, чем Эверест над уровнем моря на Земле.
Из этого ясно, что удар древнего тела здесь был по-настоящему мощным. Толщина лунной коры в гигакратере — 30 километров, а вот рядом с ним кора не меньше 50–60 километров в толщину. Очевидно, что даже очень толстый слой лунной воды в этом районе не мог не быть в огромной степени испарен или выброшен в окружающий космос еще 4,2–4,3 миллиарда лет назад, когда возник бассейн Южный полюс — Эйткен.
Все это закладывает в американские лунные миссии определенную интригу. «Артемида-3» высадит людей как раз в той части приполярной Луны, где минимальное количество собственно лунной воды, поиски которой и возбудили у ученых новую волну интереса к Селене. Получается, новых научных данных здесь может оказаться куда меньше, чем рассчитывают в NASA.
Что мы имеем в виду? Скажем, чтобы точно выяснить происхождение лунной воды, надо замерить соотношение в ней дейтерия (тяжелого водорода) к обычному водороду. В кометной воде дейтерия намного больше, чем на Земле. А вот вода, образующаяся за счет захвата водородного компонента солнечного ветра (одна из ранних гипотез о природе лунной воды была именно такой), напротив, должна иметь очень мало дейтерия, потому что в Солнце доминирует легкий водород. Гипотеза мультиимпактного образования Селены означает, что доля дейтерия на Луне будет как на Земле. Но как это узнать, если в зоне высадки собственно лунная вода испарилась больше четырех миллиардов лет назад?
Сходно и с другими интересными с научной точки зрения вещами. Из гипотезы мультиимпакта следует, что на Луне должно быть полно материала со следами былого магнитного поля, по силе равного земному. Между тем на самом земном спутнике магнитного поля такой силы не могло быть: он слишком мал для запуска геомагнитного динамо. Ведь доля астероидов в ее составе совсем небольшая, основная часть — выбитые в космос куски земной коры. В гипотезе Тейи массовой намагниченности лунных пород тоже не может быть, потому что при достижении температур точки Кюри следы намагниченности стираются. А удар в миллиард триллионов мегатонн неизбежно поднял бы температуру выброшенного в космос материала намного выше точки Кюри.
Казалось бы, отличная возможность разобраться в том, как на самом деле возникла Луна и насколько она перспективна ��о водным ресурсам. Однако в районе бассейна Южного полюса — Эйткен среди них может быть немало кусков древнего астероида, создавшего бассейн. Ясно, что его материал не несет следов влияния земного магнитного поля. Как в такой обстановке можно сделать определенный с научной точки зрения вывод?
Кто унаследует лунную воду?
И в то же время вероятная ошибка американского космического агентства не может затенить главное: оно решилось исследовать Луну и у него есть возможность начать делать это с помощью людей, показавших себя в этом отношении эффективнее автоматов (да-да, пилотируемая программа «Аполлонов» дала много больше научных работ о Луне, чем все автоматы, что ее исследовали).
Первая высадка людей на Селене в XXI веке может случиться не в оптимальном месте. Ну и что с того? Исследование земного спутника с полезной нагрузкой в сто тонн на один рейс можно проводить такими темпами, что вскоре за Южным полюсом Луны посещения не миновать и Северному. На котором никаких кратеров в 2,5 на 2,05 тысячи километров нет, толщина коры нормальная. Нетрудно догадаться, что и водного льда там побольше.
И тот, кто первым это осознает, может получить серьезное преимущество в выборе мест для изучения и — кто знает — возможной последующей эксплуатации Луны.