Живая и мертвая вода на Луне

Ученые лаборатории геохимии углерода им. Э. М. Галимова Института геохимии и аналитической химии (Геохи) им. В. И. Вернадского РАН разработали приставку к изотопному масс-спектрометру «Термо Фишер Сайнтифик» (американо-германская компания Thermo Fisher Scientific считается мировым лидером в сфере производства исследовательского и лабораторного оборудования, химреактивов и клинических препаратов). Это камера, позволяющая смоделировать в лаборатории лунные условия — вакуум и большие перепады температур, что открывает возможность для изучения поведения лунного льда. Аналогов у этой приставки нет.

Эта разработка находится на острие современных космических исследований: для строительства лунной базы вопрос воды — ключевой. С Земли возить воду очень затратно, тем более что ее можно найти на месте, о чем свидетельствует изучение лунного грунта, который доставляли на Землю советские, американские и китайские экспедиции. Лунный грунт, доставленный на Землю экспедициями «Луна-20» и «Луна-24», хранится в коллекции Геохи РАН.

Внимание ученых приковано к изучению изотопного состава лунного льда. Лед с легким изотопным составом после извлечения из породы и перевода в жидкую фазу пригоден для питья и выращивания растений, ученые называют его «живой водой», а лед с тяжелым изотопным составом — соответственно, «мертвая вода» — подходит для разложения на водород и кислород для использования в качестве ракетного топлива. Легкий лед на Луне содержится в углистых хондритах (осколки астероидов), тяжелый — в обломках комет. Ракетное топливо необходимо, чтобы использовать Луну как площадку подскока для дальних космических экспедиций.

Перед тем как строить лунную базу, необходимо разведать места скопления легкого и тяжелого льда, научиться на месте его добывать и преобразовывать.

Вакуумная камера

«Когда мы столкнулись с изучением лунного вещества, выяснилось, что условия на Луне абсолютно отличные от земной поверхности: там либо очень холодно, либо, наоборот, очень жарко, вакуум, условия освещенности очень непростые: лунный день и лунная ночь длятся по две недели, — рассказал “Стимулу” Сергей Воропаев, старший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода. — Поэтому стандартный прибор — изотопный масс-спектрометр “Термо Фишер Сайнтифик”, с помощью которого мы измеряем изотопы легких элементов — водород, кислород, углерод, изучаем земные образцы угля, нефти, морских осадочных пород, — для изучения особенностей измерения лунного реголита не годится». И ученые за два года создали приставку к этому базовому прибору, которая имитирует лунные условия и представляет собой металлическую вакуумную камеру.

Михаил Маров — советский и российский астроном, академик РАН

Wikipedia

«Мы сделали камеру из нержавейки. Камера очень хитрая, разработка учитывает способность воды выходить из металла и входить в металл. Если металл холодный, вода будет просто абсорбироваться в виде инея, — продолжает наш собеседник. — Поэтому камера обогревается, чтобы вода, которую мы туда закачиваем, “садилась” точно на нужное место — на холодный “палец”. Он опущен в жидкий азот, температуру которого мы можем контролировать — от минус 100 до нуля градусов Цельсия. И когда мы в эту камеру впрыскиваем нужное количество воды, она садится точно на этот холодный “палец”. Туда и больше никуда. Это очень важно, поскольку позволяет исключить изотопный обмен с боковыми стенками камеры и, как следствие, изотопный сдвиг». Ученые прогревали камеру, дегазировали металл и в конце концов убедились, что приставка работает как задумано. Эти разработки — обнаружение и разработка полезных ресурсов на Луне — проводились в течение двух лет на средства гранта Российского научного фонда под руководством академика Михаила Яковлевича Марова. «Вода — это самый главный и самый ценный ресурс для человека на Луне, — пояснил Сергей Воропаев. — Человеку нужно литра три в день, растениям тоже нужна вода, ракеты нужно чем-то заправлять — и воду с Земли просто не навозишься. Первое, на что мы обратили внимание, — источники возможной воды на Луне. Оказалось, их не так много — это кометы и углистые хондриты. Кометы — аномально тяжелые по изотопному составу, а углистые хондриты — аномально легкие. И ход наших исследований пошел в сторону имитации поведения водного льда различного изотопного состава. Два года мы это делали под руководством академика Марова».

Когда приставка к прибору была готова, ученые приступили к экспериментам. «Мы на холодный “палец” высаживаем воду, она превращается в лед, потом подогреваем до минус 20 градусов, и начинается интенсивная сублимация, по сути сухая возгонка. Лед сразу переходит в пар без жидкой фазы. В этом заключается особенность лунной поверхности: там нет жидкой воды, лед переходит в пар, а пар сразу в лед. В пар обычно переходят легкие изотопы — это протий (самый легкий изотоп водорода, обозначается символом 1H. — “Стимул”), а тяжелые изотопы остаются во льду. Вынимая потихонечку, шаг за шагом, пар из этой установки, мы можем оценить изотопные эффекты — как, с какой скоростью идет разделение легких и тяжелых изотопов в зависимости от температуры подложки или от скорости сублимации. Скорость сублимации при минус 20 и минус 70 градусах Цельсия различается на два порядка. Процесс идет либо очень быстро, либо очень медленно. Именно так это и происходит на Луне», — пояснил наш собеседник. В затененных кратерах на южном полюсе Луны может быть около минус 70 градусов, а когда восходит Солнце и кратер начинает прогреваться, идет активная возгонка, сублимация льда. «Эти процессы до нас никто толком не изучал, — отметил Сергей Воропаев. — Научные приборы стандартные, и, чтобы изучать особые лунные процессы, необходимы приставки. Мы такую приставку сделали, проверили, как она работает, провели первые эксперименты, и теперь мы понимаем, как ведет себя водный лед в лунных условиях, какие изотопные эффекты присутствуют».

Приставка к масс-спектрометру Thermo Fisher Scientific

Геохи РАН

Дальше — работа с лунным веществом

На втором этапе исследовательских работ ученые будут изучать лунный лед не на обычной воде, а на той, которую удается извлечь из реального лунного грунта — реголита. Начать ученые решили с земных аналогов, близким к лунным породам, чтобы отладить технологию — поймать нужные технические параметры. Лунный грунт — крайне дорогое вещество, его просто так не получить. Затем в дело пойдут лунные метеориты, которые есть в коллекции Геохи РАН. Это метеориты лунных морских базальтов анортозиты и плагиоклазы — очень дорогие и ценные материалы.

После этого объектом изучения будет непосредственно лунный грунт. Вариантов, где его взять, несколько. Советские лунные модули «Луна-20» и «Луна-24» привезли около 100 граммов лунного грунта. «Это бесценно, национальное достояние! Наш лунный грунт хранится в Геохи РАН в специальной камере, в гелии, чтобы он лишнего не испарил», — рассказывает Сергей Воропаев. С лунными метеоритами — а их в коллекции Геохи РАН много — есть проблема. Это преобразованное вещество, которое подвергалось сильным ударам о Землю при падении, и частично оно превращено в кокс, с потерей части воды газов.

У российских ученых также есть возможность обмена с китайскими коллегами, раньше была возможность обмена с коллегами из NASA. «Американцы распаковали довольно много лунного вещества, которое доставили с Луны “Аполлоны”, и теоретически раньше в обмен на наше вещество они готовы были дать свое лунное вещество для исследований. Но и у китайцев, и у NASA довольно жесткие условия приема вещества: представить доказательство, что данное вещество будет храниться в подходящих условиях — в инертной среде, в вакууме или, например, в газе аргоне, — а также гарантировать, что у исследователей есть необходимые приборы, которые могут дать какие-то интересные результаты. Ни китайцы, ни американцы альтруизмом не занимаются», — говорит Сергей Воропаев.

Тем временем в лаборатории геохимии углерода им. Э. М. Галимова готовят приемную камеру-шлюз для работы с особо ценным лунным веществом. «Я надеюсь, в скором времени она будет готова и можно будет попробовать совершить обмен с китайцами», — говорит Сергей Воропаев.

Надежда получить свежий лунный грунт с отечественных посадочных модулей у ученых связана с полетом «Луны-27», который, по оценкам, может состояться в 2027‒2029 годах. У разбившейся «Луны-25» не было задачи привезти на Землю лунный грунт. «Луна-26» будет орбитальной станцией, ее посадка на Луну не планируется. С борта «Луны-26» будет вестись съемка рельефа, на орбитальной станции планируется установить спектрометры, прибор дистанционного зондирования «Ленд», разработанный Институтом космических исследований (ИКИ) РАН. Он создан на основе «нейтронной зажигалки», или нейтронного детектора, когда пучок нейтронов выбрасывает в грунт, а потом он либо отражается, либо поглощается. «Если поглощается и эхо слабенькое, значит, в этом месте много водорода, большое скопление водного льда, но изотопный состав дистанционно определить нельзя», — комментирует Сергей Воропаев. — Этот прибор сейчас используется на марсоходе Curiosity (американский марсоход третьего поколения, разработанный для исследования кратера Гейла на Марсе в рамках миссии NASA Mars Science Laboratory, MSL). — “Стимул”)».

«Луна-26» с помощью разработки ИКИ РАН определит места, максимально богатые водным льдом, что поможет выбрать лучшую площадку для будущей лунной базы. Предполагается, что орбита «Луны-26» будет проходить через полюса Луны. «Особый интерес будет к южной полярной области. Скорее всего, аппарат спустится пониже, совершит какой-то маневр во время съемки южной полярной области и будет очень тщательно с маленькой высоты картировать поверхность — особенности рельефа, перепады высот, углы наклона, освещенность, содержание водного льда», — полагает Сергей Воропаев.

Сергей Воропаев старший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода им. Э.М.Галимова Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН (Геохи РАН)

Личный архив С. Воропаева

Получить жидкую воду

Будущая лунная база сегодня видится ученым в форме некой герметичной капсулы, возможно заглубленной в реголит, чтобы защитить своих обитателей от сильного радиационного излучения. На Земле эту роль выполняет магнитное поле; на Луне его нет.

Где-то рядом с жилым модулем планируется разместить установку для выпаривания водного льда из реголита. «При выпаривании вода конденсируется, как в холодильнике на задней стенке, потом соскребается и переносится в жилой модуль, — говорит наш собеседник. — А дальше, в зависимости от изотопного состава, эту воду можно будет использовать либо для производства воздуха для дыхания, воды для питья и выращивания растений в оранжерее — что-то полезное вроде шпината, чтобы было питание у космонавтов. Либо, если вода будет тяжелая, “мертвая”, то она пригодна только на ракетное топливо, пить ее и выращивать с ее помощью растения нельзя ни в коем случае! Это сразу смерть растениям и людям. Тяжелую воду надо будет направлять в установку по электролизу. Для ее работы нужны солнечные батареи, большая ванна. Туда опускаются два электрода c положительным и отрицательным зарядами, и вода начинает разлагаться на водород и кислород, газы выходят, собираются в отдельные баллоны, при низкой температуре их легко сжижать — вот и готовы компоненты ракетного топлива. Это позволит сэкономить огромное количество энергии, устроив базу подскока для дальних космических полетов на Венеру, Марс, Юпитер, Сатурн. Производство ракетного топлива на Луне превратит ее в огромную космическую заправку: прилетает какой-то космический челнок, заправляется и полетел дальше».