1433 6

Как лучше всего построить посадочные площадки на Луне?

В ближайшем будущем НАСА, Европейское космическое агентство (ЕКА), Китай и Роскосмос совершат полеты на Луну в составе экипажей. Это будет первый случай, когда астронавты пройдут по лунной поверхности со времен "Аполлона". Но в отличие от "гонки на Луну", цель этих программ не в том, чтобы добраться туда первыми и оставить после себя лишь несколько экспериментов и посадочных аппаратов (следы и флаги), а в том, чтобы установить устойчивое присутствие человека на лунной поверхности. Это означает создание на поверхности и на орбите среды обитания, которую смогут использовать сменяющиеся экипажи.

Хотя НАСА и другие космические агентства намерены максимально использовать местные ресурсы - процесс, известный как использование ресурсов на месте (ISRU) - создание лунных баз все равно потребует доставки с Земли большого количества материалов и оборудования. В недавнем исследовании Филипп Метцгер и Грег Автри рассмотрели стоимость и энергопотребление при строительстве посадочных площадок на лунной поверхности. Рассмотрев различные методы строительства, они определили, что сочетание аддитивного производства и инфузии полимеров является наиболее эффективным и экономически выгодным способом.

Филип Метцгер - младший научный сотрудник Флоридского космического института (FSI) при Университете Центральной Флориды (UCF), бывший старший физик-исследователь Космического центра имени Кеннеди (KSC) НАСА и соучредитель KSC Swamp Works. Грег Аутри - клинический профессор кафедры космического лидерства, политики и бизнеса в Школе глобального менеджмента Thunderbird при Университете штата Аризона (ASU) и председатель рабочей группы по безопасности Консультативного комитета по коммерческим космическим перевозкам (COMSTAC) при Федеральном управлении гражданской авиации (FAA).

В своем исследовании Метцгер и Автри рассмотрели различные методы строительства посадочных площадок на лунной поверхности. Каждый метод оценивался на основе трех основных факторов: необходимость доставки большого количества массы с Земли, уровень потребления энергии на лунной поверхности и время, которое потребуется для завершения строительства. Каждый из этих факторов (прямо или косвенно) вносит свой вклад в общую стоимость лунной деятельности.

Среди своих выводов Метцгер и Автри определили, что при оценке методов строительства в космосе наиболее важными являются две переменные: транспортные расходы и задержки, возникающие в процессе строительства. Как объяснил Метцгер:

"Я был удивлен, что сложность и надежность процесса строительства не сыграли большей роли. Сложная система потребует примерно на 50% больше предварительных инвестиций, чтобы сделать ее такой же надежной, как и более простые методы, и увеличение стоимости на 50% звучит как много, но по сравнению со стоимостью лунного транспорта и потерей стоимости, если вы задержите выполнение работ на Луне, оказывается, что увеличение стоимости разработки на 50% совершенно несущественно.

"Поэтому, если вы изобретаете более сложный метод выполнения задач, и этот метод быстрее и менее массовый, чем предыдущие методы, то он того стоит. Это противоречит нашей естественной тенденции как космических технологов. Мы считаем, что упрощать вещи лучше, и мы думаем, что когда мы работаем далеко на Луне, еще важнее сохранять простоту. Но когда мы смотрим на это с экономической точки зрения, оказывается, что это ощущение не соответствует действительности. В экономических условиях лунных операций более высокие технологии стоят больших первоначальных инвестиций".

Далее они обнаружили, что толщина подкладок, тепловая среда (которая различается между внутренней и внешней площадкой) и частота запусков лунной программы также являются важными факторами в установлении практических ограничений на время строительства. Короче говоря, экономическая эффективность каждого метода сводится к стоимости одного килограмма запуска полезной нагрузки и скорости строительства. Они рассмотрели несколько вариантов, основанных на требованиях к энергии и на том, как она будет меняться в зависимости от тепловой среды.

В частности, они рассмотрели последние инновации в аддитивном производстве (3D-печать) и ISRU, которые уже много лет являются предметом исследований НАСА и ЕКА. При адаптации к лунной поверхности методы включают нагрев реголита микроволнами для создания расплавленной керамики (так называемое "спекание"), которая затем распечатывается и застывает при контакте с безвоздушной лунной средой, или добавление связующего вещества в реголит (например, цемента или полимера) для создания "лунобетона".

"Некоторые методы требуют огромного количества энергии, что требует тяжелых энергетических систем на Луне. Другие методы требуют много тонн связующего вещества, доставляемого с Земли за большие деньги. А другие - очень, очень медленные процессы. Мы хотели посмотреть, как эти различные факторы соотносятся друг с другом, если рассматривать их с экономической точки зрения.

"Мы перевели все в реальные затраты: стоимость транспортировки массы с Земли; стоимость энергии, доставляемой на Луну; потеря экономической ценности, если мы будем долго заниматься строительством. Сложив все это вместе, мы смогли увидеть, какие методы строительства обеспечивают наилучшую ценность для лунных операций".

Они обнаружили, что микроволновое спекание обеспечивает наилучшее сочетание низкой массы и высокой скорости по сравнению с другими методами. Это было особенно верно для строительства внутренней, высокотемпературной зоны лунной посадочной площадки (где происходит работа двигателя). Этот метод также наиболее благоприятен для строительства внешней, низкотемпературной зоны, если и когда транспортные расходы высоки.

Однако в случае, если транспортные расходы на доставку к лунной поверхности удастся удержать на уровне 110 долларов за кг, наиболее экономически эффективный метод переключается на инфузию полимера. Они также подготовили расчеты общей стоимости строительства базового лагеря "Артемида" (229 миллионов долларов) - наземной среды обитания, которую НАСА намерено построить вокруг бассейна Южный полюс - Эйткен. Они были основаны на оговорке, что транспортные расходы снизятся с нынешнего уровня в $1 млн за кг до $300 000 за кг.

Метцгер сказал: "Мы обнаружили, что стоимость строительства посадочной площадки в рамках программы NASA Artemis вполне доступна - примерно столько же, сколько стоит космический аппарат NASA класса Discovery ($300M). Это ничтожная стоимость по сравнению со многими другими элементами программы пилотируемых космических полетов. За эти деньги программа создаст первый постоянный объект, построенный на другой планете, а также доставит на Луну роботов-строителей, чтобы они могли приступить к выполнению других задач, таких как строительство среды обитания человека".

Эти оценки снижаются до $130 млн, если транспортные расходы могут быть снижены до $100 000 за кг или до $47 млн, если они упадут ниже $10 000 за кг. В конечном итоге, Метцгер и Автри продемонстрировали, что лунная база может быть построена по доступной цене, и ее стоимость будет зависеть от того, в какой степени стоимость запуска продолжит снижаться в ближайшие годы. Эти выводы имеют особое значение, учитывая количество космических агентств, желающих построить аванпосты в бассейне Южный полюс - Эйткен в этом и следующем десятилетии.

В дополнение к базовому лагерю "Артемида" ЕКА планирует создать постоянную базу, известную как Международная лунная деревня. Будучи духовным преемником Международной космической станции (МКС), эта база будет предназначена для размещения сменяющихся экипажей астронавтов, длительного пребывания и проведения научных операций на Луне. Не так давно представители китайской и российской космических программ собрались вместе, чтобы объявить об общем видении лунной базы - Международной лунной исследовательской станции (ILRS).

В преддверии наступления эры освоения Луны НАСА и другие космические агентства продолжают исследовать технологии, которые позволят построить на Луне экономически эффективные объекты. Это включает в себя процесс производства ISRU, известный как система адаптивной модификации реголита (RAMs), впервые разработанный исследователями из Техасского университета A&M. Этот процесс направлен на создание инфраструктуры на ранней стадии, которая облегчит транспортировку оборудования для спекания или полимеризации.

Существует также концепция лунной посадки, разрабатываемая компанией Masten Space Systems при поддержке Института передовых концепций (NIAC), Honeybee Robotics, Texas A&M и Университета Центральной Флориды (UCF). Эта концепция включает в себя процесс, известный как бортовой метод напыления глинозема (FAST), при котором посадочный аппарат впрыскивает частицы алюминия в сопла своих двигателей для создания собственной посадочной площадки, что также смягчает проблему поднятия лунной пыли.

В этом и следующем десятилетии человечество вернется на Луну, на этот раз, чтобы остаться. Космические агентства не только отправят астронавтов, но и привлекут коммерческих партнеров для предоставления услуг по доставке полезной нагрузки и экипажей. Лунные туристы и даже поселенцы могут в конечном итоге последовать за ними, что приведет к постоянному присутствию человека и появлению первого поколения "лунитов".

Эти многонациональные усилия способствуют развитию инноваций в различных отраслях и позволяют найти применение жизни на Земле. В конце концов, если мы хотим, чтобы люди смогли преодолеть экологическую проблему, с которой мы сталкиваемся на Земле, и жить в космосе, нам необходимо быть изобретательными.

(Добавил: Sly)

Поддержи AstroNews           Читайте AstroNews в Яндекс.Дзен