Трябва ли да се върнем на Луната?

Годината, в която честваме половин век от осъществяването на може би най-голямото инженерно-техническо постижение в историята на човечеството – стъпването на хора на Луната – е чудесен повод да се запитаме (за пореден път) – смята ли днес някой да повтори това постижение? Едва ли има космически ентусиаст, който да не си е задавал тъкмо този въпрос. Но не той е основният в случая.

Истинският, главният въпрос всъщност е:  а защо ни е да ходим на Луната?  Неговият отговор ще ни даде отговора и на първия въпрос. Така че , ако се опитаме да откроим  факторите, които доведоха до това в периода ‘69-‘72 година 12 души да посетят естествения ни спътник, ще разберем защо днес повторението на този подвиг изглежда така химерично.

Причините за успеха на „Apollo”

В края на 60-те, когато баба ви пишеше на пишеща машина, едни хора успяха да стигнат до Луната и да се върнат невредими. Нещо, което за нас е невъзможно днес, бе осъществено от дедите ни с тяхната далеч по-примитивна техника. Как стана това? Без да омаловажаваме усилията на никого, не е много трудно да оценим, че плодовете на програмата „Apollo“ са следствие от благоприятното стечение на точните обстоятелства в точното време:

1. Обявяването й за държавен приоритет от страна на най-мощната и развита икономически страна в света. Конкретният идеологически претекст всъщност няма значение, но несъмнено той е бил водещ и жизнено важен по време на Студената война.
2. Наличието на талантливи инженери и учени, способни да осъществят програмата. Това са пленените от нацистка Германия първопроходци на ракетостроенето, начело с Вернер фон Браун.
3. Развитието на програмата по време на следвоенните десетилетия на най-голямото технологично развитие в историята на човечеството. Една епоха, започнала със създаването на атомните бомби и свръхзвуковите самолети и завършила с изобретяването на първите персонални компютри.

Трудно е да акцентираме колко важен е бил всеки един от тези три фактора (да ги наречем така: воля-способност-възможност). Не би било пресилено да кажем, че без който и да е от тях, покоряването на Луната най-вероятно изобщо нямаше да се е случило към днешна дата. Изглежда те са били необходимото и достатъчно условие, за да се преодолее най-голямата спънка пред подобно начинание – отсъствието на какъвто и да е икономически стимул за това, да изпращаме хора на Луната.

И въпреки това в периода 1961 – 1973 американската държава заделя огромна част от своя БВП за програмата “Apollo”. В пиковите години над 4% от държавния бюджет отива за NASA (сравнено с 0,49% за 2019г). За 12-те години, в които се работи по “Apollo”, САЩ плащат за програмата около 25,4 млрд. щ.д. (153 млрд. щ.д. днешни пари) [1]. За да придобиете представа за финансовия мащаб, имайте предвид, че целият бюджет на NASA за 2019 е в размер на 21,5 млрд. щ.д.

От Колумб до Армстронг

Често сравняват епохата на космическото усвояване с епохата на Великите географски открития. Това е изкушаващо, но пък и донякъде измамно – независимо от някои прилики, между двете епохи има доста фундаментални разлики, които водят до качествено различни резултати. Ала все пак, ако разгледаме конкретно, мисията на „Аполо“ 11 не е трудно да забележим колко много прилича тя на една друга мисия, случила се преди 527 години. А именно – дебютното плаване на Христофор Колумб до американския бряг.

Подобно на Армстронг и Олдрин, Колумб и  екипажът му стават първите хора, добрали се до един „нов“ свят (от гледна точка на „стария“ свят). За времето си това е било огромно предизвикателство и не по-малко постижение. Интересното е, че то се е случило при наличието на същите благоприятни фактори, каквито имаме и при развитието на „Аполо“ – воля, способност и възможност.

Ако зад лунното начинание на NASA категорично застава американската държава, то експедициите на Колумб срещат финансовата подкрепа на испанската корона (след безуспешен опит да бъде спечелена Португалия за каузата). Без това финансиране Колумб изобщо нямаше да поеме към Америка, както и NASA изобщо нямаше да тръгне да праща хора на Луната, без да разполага със средствата от държавния бюджет, независимо от теоретичната възможност за това.

Същевременно Колумб е точният човек за откриването на Америка, така както Вернер фон Браун е идеалният архитект на лунната програма. С тази разлика, че Колумб не е бил изключителен специалист в областта си. Макар и още преди експедицията си в търсене на нов морски път към Индия той вече е бил опитен мореплавател, способностите му не са били кой знае какво на фона на останалите мореплаватели. От тях обаче го отличавал интересът му към картографията, който изградил у него определена (и доста погрешна) представа за размера на Земята.

Днес неправилно смятаме, че през средновековието и ренесанса официалната догма в Европа е налагала представата за плоска Земя. Всъщност поне по-образованите хора от край време са знаели, че формата й е кълбовидна. Колумб също е знаел това, но когато проучил съчиненията на древните изследователи като Ератостен и Ал-Фаргани, които били пресметнали обиколката на Земята, той допуснал грешка при конвертиране на разстоянието и изкарал обиколката й с ¼ по-малка от действителната. Освен това смятал, че Евразия е много по-обширна, отколкото (коректно) смятали повечето му съвременници. Така че това, което прави Колумб точния човек за откриването на Америка, е фактът, че той е допуснал две съществени грешки в разчетите си, които никой друг не е правел дотогава.  Едва ли ако той или който и  да е, знаеше истината изобщо щеше да потегли на подобна мисия.

И все пак Колумб не би се увенчал с успех, ако не беше и третият решаващ фактор за неговото дело – скокът в развитието на корабоводенето и навигацията в края на средновековието. Да пребродиш Атлантика и успешно да се завърнеш, станало възможно едва след създаването на леки и маневрени ветроходни кораби като каравелите и техните по-големи събратя, натоварени с провизии за дългите мисии – караките.

Oще по-решаващ бил прогресът на навигацията. До този момент единственият начин за ориентиране в морската шир бил чрез отчитане на положението на звездите или като се плава близо до брега. Но така не се прекосява океан. Без компас, с който Колумб да знае посоката на плаване, и астролабия, с която да установи географската си ширина, той би стигнал кой знае къде…

И векове по-късно никой не би могъл да отиде на Луната, без да съществува нужната технология за построяването на достатъчно голяма ракета (111-метровата Сатурн V), с достатъчно мощен двигател (Рокетдайн F-1).  Никой не би могъл да се добере до спътника ни и да се върне оттам, без да разполага с автоматизирана компютърна навигационна система (Apollo Guidance Computer), чиято разработка стои в основата на решителния тласък към миниатюризацията на компютърните технологии.

Свикнали сме да приемаме тези технологии за даденост, но истината е, че ако не внимаваме, много лесно бихме могли да изгуби това ноу-хау. Повече от 40 години след последния полет на Сатурн V вече са позабравени някои детайли относно това как точно са работели двигателите на първата й степен – F-1, най-мощните еднокамерни ракетни двигатели с течно гориво, създавани някога. Дотолкова, че преди няколко години инженери от NASA събраха от музеите части от въпросния двигател и  сглобиха наново негов модел за статични тестове, с идеята да го изучат по-добре. [3]

Но приликите между воаяжът на Колумб и този на Армстронг свършват точно тук. Историята ни учи, че след Колумб европейците започнали да прииждат към Новия свят, примамени от богатството му. Историята също на така ни показа, че след малката първа крачка на Армстронг едва още 11 души успяха да сторят същото, след което се заредиха дълги десетилетия, в които Луната се върна към своята присъща недостижима усамотеност.

И това развитие има своето съвсем логично основание. Докато Колумб се завърнал в Европа с невиждани растения и животни, злато и скъпоценности, Армсторнг, Олдрин и Колинс дошли на Земята с 22 kg лунни камъни, интересни от научна гледна точка и съвсем невзрачни от всяка друга.

Тук именно трябва да търсим отговора на въпроса защо не се върнем на Луната. А той като че ли е очевиден – просто не съществува икономическо основание, което да оправдае огромната инвестиция за подобно завръщане и последващото колонизиране.

Или не е точно така?

Има ли нещо ценно на Луната?

Луната винаги е палела въображението на хората, но въпреки поетичните названия, като „Море на изобилието“, които сме дали на характерни нейни участъци, май открай време сме били наясно, че тя е просто една гола пустиня.

Еволюцията на лунните изследвания само затвърди това схващане. Стотиците килограми лунни скали, доставени от астронавтите на програмата „Apollo” и стотиците грамове, доставени в рамките на съветската програма „Луна“, показват едно и също. Не само че Луната е безжизнена пустиня, но и нейната повърхност е изградена от съвсем обикновени скали, каквито се с срещат в изобилие и на Земята, а съдържанието на редки елементи в тях е нищожно.

Както е видно от графиките по-горе, на Луната има от същото, което си имаме предостатъчно и на Земята, в сходни пропорции. И това е съвсем очаквано предвид факта, че Луната и Земята някога са били едно общо тяло.

E, някои важни за индустрията метали като алуминий, желязо и титан се срещат по-често на повърхността на Луната, отколкото на земната повърхност. Но предвид това колко евтини суровини са те към момента, добивът им на Луната по никакъв начин не е оправдан икономически. По-скоро те са благоприятен фактор при евентуално колонизиране на Луната. Тогава би могло да се окаже, че е по-изгодно материалите, необходими за изграждане на станциите (конструктивни части, слънчеви панели), да бъдат добити и произведени на място на Луната, отколкото да бъдат доставяни от Земята.

 Но ние си говорехме доколко изгодно е изобщо колонизирането на Луната.

То би било такова, ако се окаже, че на Луната има находища от рядко срещани на Земята елементи, т.нар. редкоземни елементи. Това е група от 17 химически елемента предимно от групата на лантаноидите, които не се концентрират в минерали и в резултат на това икономически изгодните им находища са малко.

Независимо от трудността по извличането им, свойствата, които притежават част от тези елементи, ги прави съществен фактор в развитието на съвременните технологии.  Итрият и европият имат важно приложение при направата на светодиоди и CRT дисплеи. Лантанът  се използва в никел метал-хидридните батерии на съвременните хибридни автомобили. От неодим се правят най-силните постоянни магнити, които се влагат къде ли не. Диспросият пък е необходим за надеждното съхранение на данни в твърдите дискове… 

Списъкът с приложения на редкоземните елементи е неизчерпаем. От друга страна обаче добивът им е свързан със сериозно увреждане на околната среда. А също така запасите на някои от тях се оценява да привършат до 2500 години при сегашния темп на добив [4]. Така че е не е лоша идея да започнем да се оглеждаме за извънпланетарни находища още днес.

Космическият рудодобив определено не е нещо, което ще се случи утре или вдругиден. Все още идeята е в зародиш и най-често хората си представят добив на ценни метали от метеорити. Защото голяма част от малките скални парчета, хвърчащи из Слънчевата система, всъщност са съставени от метали (включително благородни), примесени със скали, или в самороден вид. Редкоземни елеменети обаче едва ли има кой знае колко в тях. А на Луната? И по-точно – има ли ги там в такива големи количества, които биха оправдали лунния рудодобив?

Към момента този въпрос е доста противоречив. В скалите, донесени от Луната, действително има следи от редките елементи. Но… те са дори в по-малки концентрации, отколкото на Земята. Освен това различните мисии, картографирали Луната (като Lunar Prospector), не са открили залежи на редкоземни елементи по лунната повърхност, които да си заслужават рудодобива.

 И все пак още има място за оптимизъм. Оказва се, че на определени участъци от Луната (и по точно – Океанът на бурите и Морето на дъждовете) концентрацията на редкоземни елемнти е по-висока от тази по останалата повърхност (вж. KREEP). Напълно възможно е бъдещи мисии, които ще извършат картографиране с по-добра резолюция в тези участъци, да открият точки, където съдържанието  на редкоземни елемнети е много високо. Разбира се, напълно е възможно и нищо да не открият…

Хелий-3 или много шум за нищо

Говорейки си за полезни изкопаеми на Луната, дойде време да отворим дума за черешката на тортата в лунния асортимент от суровини. Това е екзотичният изотоп на хелия – хелий-3.

Хелий-3 се намира на пресечната точка между науката и научната фантастика. Ако се оправдаят очакванията към този изотоп, то той би могъл да разреши енергийните проблеми на човечеството, предоставяйки ни Светия граал на енергетиката – чиста и евтина енергия.

За разлика от обикновения невзрачен хелий, който разполага с два неутрона и два протона в ядрото си, хелий-3 има два протона и само един неутрон. Което, като изключим протия (изотоп на водорода – единичeн  протон), го прави единствения стабилен изотоп, при който протоните са повече от неутроните. Хелий-3 интригува хората с теоретичната си способност да участва в термоядрени реакции, без при това да се отделя  йонизираща радиация под формата на високоенергийни неутрони.

Този изотоп обаче е изключително рядък на Земята. Практически той не се среща в природата (всъщност дори обикновеният хелий е доста оскъден ресурс) и почти изцяло се добива по „изкуствен“ път.

Как става това е доста любопитно. Тритият, който е важен компонент от ядрените бойни глави, има период на полуразпад от около 12 години, при което се превръща в хелий-3. Така че докато стоят в ядрените арсенали, у ядрените глави се натрупва хелий-3, който намалява поразяващата им способност и периодично трябва да се заменя със свеж тритий. Ето така се сдобиваме с хелий-3. Само че след края на Студената война, броят на ядрените оръжия бе съществено съкратен. И това се отразява доста негативно върху добива на хелий-3, който освен ценния си потенциал има и важно приложение в науката и медицината.

Днес годишно се добиват няколко килограма хелий-3 на цена от около хиляда долара на грам. Но ако искаме да си обезпечим енергетика с този ресурс ще са необходими тонове всяка година. Само че откъде да ги вземем?

Като че ли нашият естествен спътник крие неочакван коз. Слънчевият вятър, който носи със себе си и частици хелий-3, от милиарди години ги отлага в лунния реголит. Имайки предвид, че повърхността на Луната  също не се е променяла кой знае колко от милиарди години, това означава, че всичкият този хелий-3, довлечен там от слънчевия вятър, се намира равномерно разстлан по цялата лунна повърхност. Говорим за повече от милион тона хелий-3 на Луната според някои оценки [6].

Значи ли това, че на Луната е заровен ключът към чистата и свободна енергия? Ако се обърнем към научната фантастика отговорът определено е положителен, но реалността ни налага далеч по-трезва преценка. Пред розовите очила на лунния хелий-3 стоят няколко сериозни проблема, нерешени към днешна дата:

1.             Контролираният термоядрен синтез, при който се получава повече енергия, отколкото се вкарва, все още е далечен блян. Въпреки десетилетните усилия и огромно финансиране това е тъжен факт, който едва ли ще се промени в рамките на века. Дори най-напредналите  проекти за  термоядрен синтез – NIF, ITER, Wendelstein 7-X – имат за цел по-скоро да проучат условията, при които се случва синтезът, отколкото да създадат икономически ефективен реактор.
2.             Освен това всички тези проекти се опитват да получат най-простия  тип термоядрен синтез  – този на деутерий с тритий. Тази реакция може да се осъществи при сравнително по-ниска температура на плазмата, което опростява реактора от конструктивна гледна точка. При реакция на деутерий с хелий-3 температурата е много по-висока и още по-висока при синтез на хелий-3 с хелий-3. Това се дължи на факта, че колкото повече протони има в ядрата на синтезиращите елементи, толкова по-труден е синтезът между тях.
3.             За капак на всичко дори да имахме технологията за синтез на хелий-3, най-вероятно щеше да се окаже, че добивът му на Луната е твърде неефективен. Причината е, че ценният изотоп се намира в тънък слой от лунния реголит, а концентрацията му е толкова нищожна, че ще трябва да се обработват огромни площи от повърхността на спътника ни. Някои изследвания показват, че за да получим 1g хелий-3 трябва да обработим 150t лунен реголит! [7]

Заключение – колкото и да е привлекателна идеята, хелий-3 никак не може да оправдае икономически повторното завръщане на хора на Луната. Но поне дава поле за изява на авторите на научна фантастика.

Плюсовете и минусите на лунната колонизация

След всичко дотук вероятно се убедихте, че залежите на ценни материали на Луната не са достатъчна причина да се върнем там. Тоест, отсъства икономическо основание за човешки посещения на Луната, ала все пак има някои фактори, които биха благоприятствали създаването на една лунна база. Ето някои от тях на първо четене:

1. Построяването и поддържането на лунна база би позволило провеждането на ценни научни експерименти. Тук вече имаме прецедент – започната през далечната 1998 г., днес Международна космическа станция по някои оценки вече е най-скъпият обект в историята на човечеството.  МКС е терен на уникална изследователска дейност в космически условия, но съвсем скоро  (около 2030 г.) ще изтече експлоатационният й срок. Все още не е много ясно какво ще я замести, но построяването на лунна база изглежда като логична следваща стъпка. Макар и повечето ефекти на живота в безтегловност и космически условия вече са изучени, една база на Луната все пак би била ценна с  това, че ще бъде един вид „преходно звено“ между космическа станция и наземна станция. Там може да се експериментира при по-ниска сила на тежестта, отколкото на Земята, но по-висока от безтегловността в орбита. А това, че базата се намира на друго космическо тяло, би спестило пари от непрекъснато снабдяване с гориво, необходимо за маневриране и поддържане на височината на космическите станции. Също така би направило възможно строежът на сложни и масивни конструкции, стабилно разположени на повърхността или под нея, където като допълнителен плюс ще бъдат защитени от непрестанната бомбардировка на микрометеорити и изолирани от големите температурни вариации. И още нещо – ако случайно искаме да създадем наистина големи космически обсерватории, то Луната май предлага най-добрите условия за тази цел…
2. Втора евентуална причина за построяването на лунна база е чисто геополитическа. С такова действие някоя достатъчно сила държава (като САЩ или Китай) би могла да „маркира територия“, която може и да не носи никаква изгода към момента, но в дългосрочен план – кой знае? Подобен сценарий обаче не е много вероятен, защото построяването и поддържането на лунна станция би глътнало финансови средства, които не са по силите на нито една държава. Единственият реалистичен вариант за изграждане на такава база е тя да бъде плод на международно усилие като МКС.
3. База на Луната поне на теория би могла да бъде и ценна стартова площадка за ракетни мисии към планетите от Слънчевата система. Все пак лунната гравитация е около 6 пъти по-малка от земната, а това означава, че ракетите, които ще се изстрелват от там ще са шест пъти по-леки от земните им еквиваленти. Всъщност дори още по-леки, тъй като на Луната няма въздушно съпротивление, с което да се борят ракетите. E, икономията се губи, ако ще трябва да транспортираме ракетите и товара от Земята към Луната, но ако голяма част от тях бъде произведена на самата Луна, то това наистина би могло да бъде изгодно.

И все пак заселването на хора на Луната и дори кратковременните посещения на спътника ни са свързани с определени затруднения, които правят задачата още по-трудна.

На първо място това са рисковете за здравето, произтичащи от пребиваването на Луната. За разлика от Земята или дори космическите апарати в ниска орбита, Луната не разполага с никакво магнитно поле или атмосфера, които да спират високоенергийните частици, идващи от Слънцето и от Галактиката. В резултат радиационният фон на повърхността на Луната е многократно по-голям от този на Земята.

Тук на Земята за една година сме изложени на около 3 mSv йонизиращо излъчване, от което 2.4 mSv се дължат на естествени източници. На луната само космическото лъчение е отговорно за 110 до 380 mSv годишно в зависимост от това дали се Слънцето е в максимум или в минимум на своята активност (по време на минимум магнитното поле на звездата ни е по-слабо, така че повече високоенергийни частици от Галактиката достигат до нас, повишавайки радиационния фон). [8]

Отделно от това радиационната доза при мощни слънчеви бури може да достигне 1 Sv на лунната повърхност. Тоест, при неблагоприятно „космическо време“ на Луната човек би могъл да получи стотици пъти по-висока радиационна доза, спрямо това, на което ще бъде изложен на Земята. Доза, достатъчна да предизвика лъчева болест, макар и с не непосредствен летален край [9].

 И още нещо – поглъщайки високоенергийни частици от космоса Луната отдава вторично гама излъчване, което дори я прави най-яркият източник на гама излъчване на земното небе [10].

Така че ако искаме хора да пребивават на Луната, без това да съсипва здравето им, ще трябва да им направим добре изолирани с олово и други подобни материали станции.

Но за да стигнем изобщо до това положение, трябва да бъде намерен отговора на друг важен въпрос.

Има ли вода на Луната?

На пръв поглед това звучи абсурдно. Все пак на Луната няма атмосфера, която да задържа тази вода, така че изглежда напълно логично всяка водна молекула, случайно озовала се там, отдавна да се е изпарила обратно в космоса. И точно това би се случило, ако не беше една щастлива особеност. На лунните полюси има кратери, чиито дъна не са били огрявани от слънчева светлина в продължение на милиарди години. Време, през което в тях са се разбили още кой знае колко комети и астероиди, съдържащи голямо количество лед, който би трябвало да си е все още там и досега.

На теория в тези сенчести кратери би могло да има стотици милиони тонове лед [11]. А това е добре дошло за една лунна база. Защото водата е много повече от ресурс, без който не можем да живеем.  Всъщност тя е космическия еквивалент на нефта. Освен, че има безброй индустриални приложения (например без нея екстрацията на метали от рудата в хипотетичния лунен рудодобив би била мнооого трудно начинание), водата може да послужи и за създаване на ракетно гориво. Рецептата е проста – взимате вода и я разлагате чрез електролиза на водород (гориво) и кислород (окислител). И воала – хем ни е по-изгодно да изстрелваме ракети от Луната заради малката гравитация, хем не е нужно да мъкнем горивото там, защото ще го произвеждаме на място от водата. Дали пък няма да се окаже, че има хляб в лунното колонизиране?

Но… Изследванията по този въпрос далеч не са толкова категорични, колкото би ни се искало. В края на 90-те спектроскопът на Lunar Prospector откри в кратерите на южния полюс следи от водород, но остана загадка дали този водород се съдържа във воден лед или се намира по формата на хидроксилни фрагменти в състава на скалите. По-късно при разбиване на сонди в полюсните кратери апарати като Чандраян-1 и LRO/LCROSS установиха, че действително има следи от воден лед в отломките, вдигнати при ударите. Само че не става дума за лед, дошъл от масивни еднородни ледени късове, а по-скоро фини ледени кристали, примесени с лунния реголит. Така че ако изобщо има вода във вечно тъмните кратери на Луната, то най-вероятно тя е в прахообразно състояние, смесена хомогенно с реголита.

В края на краищата, единственият начин да сме сигурни какво точно има там е да отидем и да видим с очите си. Или поне да пратим роботи, които да се разходят вместо нас. Защото въпреки десетилетията на изследване Луната все още пази доста тайни.

Източници:

[1] https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015084762718&view=1up&seq=1277

[2] https://history.nasa.gov/SP-4029/Apollo_18-16_Apollo_Program_Budget_Appropriations.htm https://history.nasa.gov/SP-4221/ch6.htm

[3] https://arstechnica.com/science/2013/04/how-nasa-brought-the-monstrous-f-1-moon-rocket-back-to-life/2/

[4] https://www.mdpi.com/2079-9276/6/3/40

[5] https://www.atsdr.cdc.gov/toxfaqs/tfacts147.pdf

[6] https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.13182/FST92-A29718

[7] http://fti.neep.wisc.edu/pdf/wcsar9311-2.pdf

[8]  http://adsabs.harvard.edu/abs/2012P%26SS…74…78R

[9]. http://www.chernobylgallery.com/chernobyl-disaster/radiation-levels/

[10] https://www.universetoday.com/143183/when-it-comes-to-gamma-radiation-the-moon-is-actually-brighter-than-the-sun/

[11] https://www.nasa.gov/mission_pages/Mini-RF/multimedia/feature_ice_like_deposits.html