У лунохода под самым носом

Во время перемещения прибор сможет регистрировать наличие основных породообразующих элементов на глубине от нескольких десятков сантиметров до метра, вести геологоразведку с целью поиска редкоземельных или благородных металлов. Устройство создано в 2018 – 2020 годах при поддержке Российского научного фонда, испытания на ускорителе протонов в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) прошли успешно.

«Гамма-излучение Луны, которое должен измерять прибор, возникает
вследствие бомбардировки лунного вещества галактическими космическими лучами. В основном это протоны. В нашем эксперименте в ОИЯИ в Дубне поток протонов ускорителя заменял поток галактических космических лучей», — рассказал «Стимулу» заведующий отделом ядерной планетологии Института космических исследований (ИКИ) РАН Игорь Митрофанов.

Гамма-спектрометр для планетохода

За 60 лет космической эры проведено несколько десятков экспериментов по гамма-спектральному анализу состава вещества небесных тел — на Луне, Марсе, Венере, Меркурии, астероидах. Ученые смогли определить содержание в грунте основных породообразующих элементов и естественных радиоактивных изотопов (калия, урана и тория). За исключением экспериментов на борту автоматических станций «Венера» все они проводились на орбитальных космических аппаратах. На основе этих измерений построены карты распространенности естественных радиоактивных изотопов и основных породообразующих элементов с пространственным разрешением порядка сотен километров.

Как отметил Игорь Митрофанов, сейчас все большую важность приобретают эксперименты по анализу состава вещества непосредственно на поверхности Луны и Марса с мобильных автоматических аппаратов. Что касается спутника Земли, это поможет узнать состав элементов в тех районах, где возможно размещение лунной базы, а также для разведки лунных ресурсов. В случае Марса детальная информация о составе вещества вдоль трассы движения марсохода позволит обнаружить наиболее интересные области для детального анализа его образцов бортовыми приборами. Стоит отметить, что до сих пор эксперименты по гамма-спектральному анализу состава вещества на борту планетных мобильных аппаратов не проводились.

Первой попыткой активного ядерно-физического эксперимента на поверхности другого небесного тела можно считать эксперимент ДАН «Динамическое альбедо нейтронов») на борту марсохода NASA Curiosity. Научным руководителем проекта был Игорь Митрофанов, в ходе исследований применялся метод активного нейтронного зондирования верхнего слоя марсианской поверхности, но спектр наведенного гамма-излучения не измерялся.

Сейчас разрабатываются перспективные космические гамма-спектрометры для будущих исследовательских миссий на поверхности Луны (космические аппараты «Луна-25» и «Луна-27») и Марса (космический проект «ЭкзоМарс»). В этих экспериментах измерения будут проводиться с борта стационарной посадочной платформы. По словам специалистов, аналогичные эксперименты на борту перспективных мобильных аппаратов в настоящее время не разрабатываются. Основная трудность при проведении таких экспериментов связана, во-первых, со статистической обеспеченностью измерений спектров гамма-лучей и, во-вторых, с наличием локального фона этого излучения от самого космического аппарата.

Требование статистической обеспеченности удастся выполнить, если увеличить размеры и повысить спектральное разрешение применяемых гамма-детекторов. Можно также увеличить время измерения.

«В этом случае основное ограничение — допустимая масса полезной нагрузки, которую может взять на борт автоматический мобильный аппарат, а также скорость его передвижения и в целом планируемая длительность его работы, — пояснил Игорь Митрофанов. — Обычно масса одного прибора на борту мобильного планетного аппарата составляет менее десяти килограммов, и тогда для гамма-спектроскопии могут применяться сцинтилляционные детекторы с максимально высоким спектральным разрешением, работающие при нормальных температурах (сцинтилляторы — вещества, излучающие свет при поглощении ионизирующего излучения). Если для установки на борт мобильного аппарата допустим более тяжелый прибор, около тридцати килограммов и более, то в этих случаях можно использовать более массивные полупроводниковые детекторы из высокочистого германия с системой криогенного охлаждения, которые при сопоставимых размерах чувствительного объема имеют гораздо более высокое спектральное разрешение по сравнению с самыми совершенными сцинтилляторами».

Дорогая доставка

О том, какие лунные ресурсы могут быть полезны людям, «Стимулу» рассказал кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией геохимии Луны и планет Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН Евгений Слюта. По его словам, последние три десятилетия человечество в основном волновал вопрос, получится ли добывать на Луне или на астероидах и доставлять на Землю ресурсы или полезные ископаемые, которые либо отсутствуют на Земле, либо имеются в незначительном количестве. Первым таким элементом, доставка которого с Луны на Землю обсуждалась в серьезных научных журналах и на научных конференциях еще с начала 1990-х годов, был изотоп гелий-3, который предполагалось использовать в качестве стратегического топлива для обеспечения энергией Земли в будущем. Реакция термоядерного синтеза легких изотопов гелия-3 является «чистой» в том смысле, что она не дает радиации и радиоактивных отходов. Термоядерные реакторы на гелии-3 можно было бы размещать в любом здании и на любом транспорте, а одной заправки хватало бы на весь срок эксплуатации и реактора, и транспортного средства, так как из-за высокого КПД реакции потребовалось бы малое количество топлива.

Основным научным центром исследований термоядерного синтеза с гелием-3 был и остается Институт термоядерного синтеза в Висконсинском университете в США. И хотя в этом институте построены десятки разных типов компактных экспериментальных реакторов, в том числе руками студентов, до создания промышленного прототипа еще очень далеко. Как считают ученые, если когда-нибудь в будущем такой реактор будет создан, то гелий-3 мог бы стать единственным элементом, который действительно было бы экономически целесообразно добывать на Луне и доставлять на Землю.

В последние годы идет также активное обсуждение, имеет ли смысл добывать на астероидах и Луне и доставлять на Землю редкие и драгоценные металлы и редкоземельные элементы, исходя из предположения, что их запасы на Земле истощаются.

«На самом деле это не так, — говорит Евгений Слюта. — Хотя и называются они редкими и редкоземельными относительно распространенности других элементов в таблице Менделеева, на Земле запасов этих элементов и металлов уже разведано, в том числе в России, в достаточном количестве, которого хватит на сотни лет добычи и использования. Есть хорошая русская пословица: “За морем телушка полушка, да рубль перевоз”. Добыча и доставка на Землю элементов и металлов, которые в достатке присутствуют на нашей планете, еще очень долгое время будут экономически нецелесообразными, поскольку стоимость доставленного вещества на Землю соответствует стоимости всей космической миссии, включая обслуживание наземной вспомогательной инфраструктуры».

К примеру, по приблизительным подсчетам, стоимость лунной пилотируемой программы «Аполлон» в ценах тех лет составила около 25 млрд долларов. На Землю было доставлено 381,7 кг лунного грунта для научных исследований. Можно сказать, что стоимость одного килограмма лунного грунта составила более 65 млн долларов.

Для использования на месте

«Лунные ресурсы интересны прежде всего для промышленного использования на месте, — говорит Евгений Слюта. — Это одна из прикладных задач, которая может быть обоснована исключительно экономической целесообразностью и сокращением затрат на исследование и освоение Луны и дальнего космоса».

По оценкам специалистов, для жизнеобеспечения одного человека на Луне в год потребуется воды и газов (N₂, O₂, CO₂) в сумме около 800 кг. При этом для обеспечения транспортного моста с лунной поверхности на лунную орбиту и c Луны на Землю уже на начальном этапе освоения нашего естественного спутника ежегодно потребуются в качестве криогенных компонентов ракетного топлива сотни тонн кислорода и десятки тонн водорода. Стоимость доставки на Луну одного килограмма груза в ценах 2006 года оценивается почти в 60 тыс. долларов.

«Чтобы доставить эти компоненты с Земли, потребуются серьезные затраты, которые могут поставить под сомнение вопрос целесообразности освоения Луны на современном этапе. Единственный выход — разработка технологий добычи, обогащения и хранения этих летучих компонентов непосредственно на Луне. Даже по самым грубым оценкам, это позволит не в разы, а на один-два порядка сократить затраты на освоение Луны и дальнего космоса уже в ближайшие десятилетия», — считает Евгений Слюта.

Лунные богатства

Поверхность безатмосферной Луны покрыта слоем рыхлого реголита, который образовался в результате метеоритной бомбардировки на протяжении всей истории существования спутника. Толщина этого слоя колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров.

По словам Евгения Слюты, все перспективные лунные ресурсы либо сконцентрированы в рыхлом слое реголита (летучие компоненты), либо уже находятся в реголите в обогащенном, то есть фактически уже готовом для их дальнейшего обогащения и выделения, состоянии. Это рудные минералы металлов (Al, Ti, Fe и др.), редких металлов и редкоземельных элементов. Наиболее ценными лунными ресурсами на современном этапе освоения Луны, потребность в которых будет только возрастать, являются вода, водород, кислород и другие газы и их изотопы, то есть «газовые месторождения» Луны.

«Добыча и обогащение металлов для использования на месте на Луне потребует огромных энергетических затрат и очень развитой инфраструктуры на лунной поверхности, поэтому это вопрос очень отдаленного будущего, — считает ученый. — В качестве основного строительного материала предполагается использовать местный грунт. Лунный реголит обладает низкой теплопроводностью, высокими адгезионными и когезионными свойствами, обогащен стеклом и размерной фракцией частиц в первые десятки микрон, поверхность которых активизирована космическим облучением, что делает его уникальным теплозащитным и радиационно-защитным строительным материалом».

В зависимости от формы накопления, содержания и распределения в лунном реголите выделяется три типа летучих компонентов: имплантированные, слабосвязанные и замороженные. Состав имплантированных газов определяется преимущественно благородными газами солнечного ветра, которые со скоростью внедряются в частицы лунного реголита. Кроме электронов и протонов водорода (около 95%) в солнечном ветре присутствуют альфа-частицы (ядра гелия, в среднем более 4%) и в небольшом количестве атомы других инертных газов (Ne, Ar, Kr и Xe), а также высокоионизованные ионы кислорода и других элементов. Имплантированные газы стабильны при механическом и температурном воздействии, их можно отбирать вместе с образцами лунного грунта, доставлять на Землю и изучать, что и было ранее сделано. Это наиболее изученный тип летучих компонентов в лунном реголите. В разных минералах реголита имплантированные летучие компоненты накапливаются в разном количестве, это зависит от состава и структуры самого минерала. Поэтому месторождения имплантированных летучих компонентов характеризуются неоднородным распределением на поверхности Луны, и наиболее богатые по содержанию располагаются преимущественно в экваториальной области в районах распространения вулканических базальтов, выделяющихся на Луне в виде темных областей.

Слабосвязанные газы насыщают поровое пространство лунного реголита, и их распределение не зависит от состава реголита, но зависит от степени освещенности и температуры на поверхности. Поэтому в направлении к лунным полюсам концентрация этих газов в реголите постепенно повышается. Слабосвязанные газы в реголите крайне нестабильны при температурных и механических воздействиях, и в отличие от имплантированных требуют разработки специальных методов исследования непосредственно на месте. Это наименее изученный тип летучих компонентов в лунном грунте.

В полярных районах Луны, где Солнце светит по касательной и наблюдаются очень низкие температуры, а также имеются постоянно затененные крупные депрессии (впадины) ударных кратеров, с помощью дистанционного спектрального и нейтронного зондирования с лунных орбитальных космических аппаратов были обнаружены в лунном реголите замороженные летучие компоненты, как предполагается, преимущественно водяной лед. Частицы водяного льда захоронены в лунном грунте, и их содержание может достигать в некоторых кратерах до пяти весовых процентов.

«Это самые богатые месторождения летучих компонентов на Луне, — рассказывает Евгений Слюта. — Но, как и слабосвязанные летучие компоненты, они нестабильны при механических и температурных воздействиях и тоже потребуют разработки специальных технологий разведки и добычи. Добывать их вместе с грунтом, как имплантированные компоненты, не получится. При механическом и температурном воздействии ледяные частички тут же будут сублимировать, то есть испаряться и улетучиваться. Поэтому для их добычи ученые и инженеры разрабатывают различные специальные технологии, которые будут испытываться на лунной поверхности в пилотируемых экспедициях».

Самый дефицитный ресурс

Оказывается, самый дефицитный лунный ресурс — удобные площадки для размещения научных лунных баз. По словам Евгения Слюты, необходимо решить целый комплекс научных и прикладных задач, среди требований — безопасный рельеф, подходящая степень освещенности и, соответственно, обеспечение солнечной энергией, стабильная и прямая радиосвязь с Землей, нахождение поблизости богатых месторождений летучих компонентов.

Для астрофизических и радиоастрономических исследований оптимальным местом является обратная сторона Луны, где отсутствует мешающее излучение Земли. И напротив, наблюдение за околоземным пространством и изучение Земли в различных диапазонах спектра возможно только на видимой стороне.

«С точки зрения всего этого комплекса требований оптимальным местом для размещения постоянно действующей лунной базы являются полярные области Луны, — говорит Евгений Слюта. — Здесь самые богатые запасы замороженных летучих компонентов. Освещенность определяется топографией рельефа, а температура на поверхности грунта во время освещения составляет около минус 50 градусов Цельсия».

В южной полярной области выделяется несколько таких площадок в виде возвышенностей с плоскими вершинами размером порядка 10‒12 км и с максимальной степенью освещенности. На двух таких площадках степень освещенности (продолжительность лунного дня) достигает 80%, на третьей — около 70%. В зарубежных публикациях их называют Вершинами вечного света и открыто дискутируют, каким образом эти площадки можно зарезервировать с помощью установки телескопов или других автоматических научных станций либо в ходе пилотируемых экспедиций.

Как отмечает ученый, благодаря лунной либрации с этих площадок периодически открывается вид на Землю, то есть Земля восходит над горизонтом Луны, подобно Солнцу на Земле, либо скрывается за горизонтом и можно проводить астрофизические исследования. Конечно, существуют и другие варианты потенциального размещения лунных баз, хотя и менее удобные.

В 2021‒2025 годах должна состояться посадка на лунную поверхность 12 автоматических космических аппаратов из разных стран. Из них два российских: это посадочные аппараты «Луна-25» (запуск намечен на этот год) и «Луна-27» (запуск запланирован на 2025-й). Основная научная задача российских лунных посадочных станций — изучение замороженных летучих компонентов в лунном грунте в южной полярной области Луны. Далее планируется примерно в 2027‒2028 годах запустить посадочный российский аппарат «Луна-28» с буровой установкой на борту с целью забора образцов лунного грунта с замороженными летучими компонентами и доставки их на Землю для изучения. В 2028‒2029 годах планируется запустить тяжелый луноход «Робот-геолог», концепция которого была разработана и предложена лабораторией геохимии Луны и планет ГЕОХИ РАН, с комплексом научного оборудования и буровой установкой с манипуляторами на борту для разведки потенциального места размещения будущей лунной базы и месторождений летучих компонентов.