В начале XXI века открытие на полюсах Луны залежей льда стимулировало начать «вторую лунную гонку» между США (программа «Артемида»), КНР (Китайская лунная программа), Россией (Российская лунная программа), Евросоюзом (программа «Аврора»), Японией и Индией. Все эти программы предусматривают создание на Луне баз с экипажем. Освоение Марса идёт полным ходом, и наивно полагать, что космические державы забыли о Луне.
Колонизация Луны издавна является предметом научно-фантастических произведений. Состояние науки XXI века, при современном быстром развитии технологий роботизации, строительства и 3D-печати позволяет предполагать об успешной колонизации.
Из-за своей близости к Земле и хорошей изученности своей поверхности, Луна уже давно рассматривается как кандидат для места создания внеземной человеческой колонии. Для учёных лунная база представляет собой уникальное место для проведения исследований в области планетологии, астрономии, космологии, космической биологии и других дисциплин. Изучение лунной коры может дать ответы на важнейшие вопросы об образовании и эволюции Солнечной системы, системы Земля — Луна, появлении жизни. Отсутствие атмосферы и более низкая гравитация позволяют строить на лунной поверхности обсерватории, оснащённые оптическими и радиотелескопами, способными получить намного более детальные и чёткие изображения удалённых областей Вселенной, чем это возможно на Земле, а обслуживать и модернизировать такие телескопы гораздо проще, чем орбитальные обсерватории.
Лунный Клондайк
В теории добыча полезных ископаемых в космосе — весьма прибыльный бизнес. Небесные тела могут стать источником редкоземельных элементов и драгметаллов: по некоторым подсчетам, в астероиде диаметром 30 м одной только платины содержится на сумму 25-50 млрд долларов. Помимо платины там содержится никель, кобальт, железо и другие элементы.
Редкоземельные элементы используются для производства всего: от электрических и гибридных транспортных средств, ветряных турбин до электронных устройств и технологий экологически чистой энергии. Несмотря на свое название, редкоземельные элементы — за исключением прометия — относительно многочисленны в земной коре. Однако из-за своих геохимических свойств редкоземельные элементы обычно рассредоточены и не часто обнаруживаются сконцентрированными; в результате экономически выгодные рудные месторождения встречаются редко. Основные запасы существуют в Китае, Калифорнии, Индии, Бразилии, Австралии, Южной Африке и Малайзии, но на долю Китая приходится более 95 % мирового производства редкоземельных элементов.
Луна обладает разнообразными полезными ископаемыми — железом, алюминием, титаном; кроме этого, в поверхностном слое лунного грунта, реголите, накоплен редкий для Земли изотоп гелий-3, который может использоваться в качестве топлива для перспективных термоядерных реакторов. В настоящее время идут разработки методик промышленного получения металлов, кислорода и гелия-3 из реголита.
По оценкам, солнечный ветер произвел на поверхности Луны более 1 миллиона тонн гелия-3 (3He). Материалы на поверхности Луны содержат гелий-3 в концентрациях от 1,4 до 15 ppb в освещенных солнцем областях и могут содержать до 50 ppb в постоянно затененных областях. Для сравнения, содержание гелия-3 в атмосфере Земли составляет 7,2 ppt.
Начиная с 1986 года учёные предлагают использовать лунный реголит для ядерного синтеза, хотя по состоянию на 2020 год действуют электроэнергию на коммерческой основе. Из-за низких концентраций гелия-3 любое горнодобывающее оборудование должно обрабатывать чрезвычайно большие количества реголита. По некоторым оценкам, для получения 1 грамма (0,035 унции) гелия-3 необходимо переработать более 150 тонн реголита. Не все исследователи считают, что внеземное извлечение гелия-3 осуществимо, и даже если бы было возможно извлечь гелий-3 с Луны, ни одна конструкция термоядерного реактора не даст больше выходной мощности термоядерного синтеза, чем потребляемая электрическая, что сводит целесообразность на нет.
Вакуум и наличие обильной солнечной энергии открывают новые горизонты для перемещения с Земли на Луну производства электроники, металлургии, металлообработки и материаловедения. Фактически, условия для обработки металлов и создания микроэлектронных устройств на Земле менее благоприятны из-за большого количества свободного кислорода в атмосфере, ухудшающее качество литья и сварки, делающего невозможным получение сверхчистых сплавов и подложек микросхем в больших объёмах. Также есть перспективы выведения на Луну вредных и опасных производств.
Реголит (лунный грунт) получить проще всего; он может обеспечивать защиту от радиации и микрометеороидов, а также использоваться в качестве строительного и дорожного материала. Кислород из оксидов лунного реголита может быть источником метаболического кислорода и окислителя ракетного топлива. Лунный лёд может обеспечить воду для защиты от радиации, жизнеобеспечения, кислорода и ракетного топлива. Летучие вещества из постоянно затенённых кратеров могут давать метан (CH4), аммиак (NH3), диоксид углерода (CO2) и оксид углерода (CO). Металлы и другие элементы для промышленности можно получить из различных минералов, обнаруженных в реголите.
Элементы, которые присутствуют на поверхности Луны, включают в себя также водород (H), кислород (O), кремний (Si), железо (Fe), магний (Mg), кальций (Ca), алюминий (Al), марганец (Mn) и титан (Ti). Среди наиболее распространенных — кислород, железо и кремний. Содержание атомарного кислорода в реголите оценивается в 45 % по весу. Кислород в основном содержится в богатых железом лунных минералах. Были описаны не менее двадцати различных возможных процессов извлечения кислорода из лунного реголита, и все они требуют больших затрат энергии: от 2 до 4 мегаватт-лет энергии (т.е. 6-12×1013 Дж) для производства 1000 тонны кислорода.
Дневной свет на Луне длится примерно две недели, затем столько же — ночь, в то время как оба лунных полюса освещены практически постоянно. Южный полюс Луны имеет область с краями кратеров, подверженных постоянному солнечному освещению, но внутренняя часть кратеров постоянно затенена и удерживает значительное количество лунного льда внутри. Разместив предприятие по переработке ресурсов Луны рядом с южным полюсом Луны, вырабатываемая солнечной энергией электроэнергия позволит стабильно работать вблизи источников водяного льда. Kilopower — ядерный реактор для размещения на космических аппаратах и предназначенный для работы на поверхности Луны и Марса, будет готов к первым лётным испытаниям в 2022 году. Во время серии наземных испытаний в период с ноября 2017 по март 2018 года Kilopower преобразовал 30 % выделяемого тепла в электроэнергию.
Совокупная площадь постоянно затенённой лунной поверхности составляет 13 361 км2 в северном полушарии и 17 698 км2 в южном полушарии, что дает общую площадь 31 059 км2. Степень, в которой какие-либо из этих постоянно затенённых участков содержат водяной лёд и другие летучие вещества, в настоящее время неизвестна, поэтому необходимы дополнительные данные о лунных ледяных отложениях, их распределении, концентрации, количестве, расположении, геотехнических свойствах и любых других характеристик необходимых для проектирования и разработки систем добычи и переработки. После анализа орбитальным аппаратом LCROSS кратера Кабеус, был сделан вывод, что лёд имеет форму небольших (<~ 10 см) отдельных кусочков льда, распределенных по всему реголиту.
Вода могла быть появится на Луне путем регулярной бомбардировки водоносных комет, астероидов и метеоритов или производилась на месте ионами водорода (протонами) солнечного ветра, воздействующими на кислородсодержащие минералы.
Молекулы лунной воды могут быть расщеплены на его элементы, и образовать молекулярный водород и молекулярный кислород для использования в качестве двухкомпонентного ракетного топлива или для производства соединений для металлургических и химических производственных процессов.
Обширные лунные моря сложены потоками базальтовой лавы. В их минералогическом составе преобладает комбинация пяти минералов: анортитов (CaAl2Si2O8), ортопироксенов ((Mg, Fe) SiO3), клинопироксенов (Ca (Fe, Mg) Si2O6), оливинов ((Mg, Fe) 2SiO4) и ильменита ( FeTiO3), все в изобилии на Луне. Из этих минералов можно добывать чистый кальций, алюминий, кислород, железо, титан, магний и кварцевое стекло. Необработанный лунный анортит можно также использовать для изготовления стекловолокна и других керамических изделий.
Железо (Fe) содержится во всех “морских” базальтах (~ 14-17 % по весу), но в основном оно заключено в силикатных минералах (например, пироксене и оливине) и в оксидном минерале — ильмените. Добыча может потребовать много энергии, но предполагается, что некоторые заметные лунные магнитные аномалии связаны с уцелевшими метеоритными обломками, богатыми железом. Только дальнейшие исследования на месте позволят определить, верна ли эта интерпретация и насколько пригодны для эксплуатации такие метеоритные обломки.
Железо также присутствует в реголите (0,5 % по весу), естественно легированном никелем и кобальтом, и его можно легко извлечь с помощью простых магнитов после измельчения. Эта железная пыль может быть переработана для изготовления деталей с использованием методов порошковой металлургии, таких как аддитивное производство, 3D-печать, селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевая плавка (EBM).
Кремний (Si) присутствует во всем лунном грунте, с концентрацией около 20 % по весу. Имеет огромное значение для производства солнечных панелей для преобразования солнечного света в электричество, а также стекла, стекловолокна и разнообразной полезной керамики. Достижение очень высокой чистоты для использования в качестве полупроводника будет сложной задачей, особенно в лунной среде. Солнечные элементы на основе кремния, требуют также железа, оксида титана, кальция и алюминия.
Титан (Ti) может быть легирован железом, алюминием, ванадием и молибденом для производства прочных и легких сплавов для авиакосмической промышленности. Он присутствует в ильмените (FeTiO3) в диапазоне 5-8 % по весу. Минералы ильменита также улавливают водород (протоны) из солнечного ветра, так что обработка ильменита также дает водород. Огромные базальты на северо-западном побережье Моря Спокойствия обладают одними из самых высоких концентраций титана на Луне, в них содержится в 10 раз больше титана, чем в горных породах на Земле.
Алюминий (Al) содержится в анортите (CaAl2Si2O8) с концентрацией в диапазоне 10-18 % по весу. Алюминий является хорошим проводником электричества, а распыленный алюминиевый порошок является хорошим твердым ракетным топливом при сжигании с кислородом. Для извлечения алюминия потребуется расщепление анортита.
Кальций (Ca) — четвёртый по распространенности элемент в горных районах Луны, он присутствует в анортите (CaAl2Si2O8). Оксиды кальция и силикаты кальция не только полезны для керамики, но и чистый металлический кальций является гибким и прекрасным проводником электричества при отсутствии кислорода.
Магний (Mg) присутствует в магмах и лунных минералах пироксене и оливине, поэтому предполагается, что магний более распространён в нижней части лунной коры. Магний имеет множество применений в качестве сплавов для авиакосмической, автомобильной и электронной промышленности.
Углерод (C) потребуется для производства лунной стали, но он присутствует в лунном реголите в следовых количествах (82 ppm).
Азот (N) был измерен в образцах почвы, привезенных на Землю, и он присутствует в следовых количествах 5 ppm в виде изотопов 14N, 15N, и 16N. Углерод и фиксированный азот потребуются для сельскохозяйственной деятельности в закрытой биосфере.
План по захвату
Развитие лунной экономики потребует значительного количества инфраструктуры на лунной поверхности, развитие которой будет во многом зависеть от технологий использования ресурсов на месте (In situ resource utilization, ISRU). Необработанный лунный грунт (реголит) может быть превращен в пригодные для использования структурные компоненты для строительства жилых помещений, складских помещений, посадочных площадок, дорог и другой инфраструктуры. Стекло и стекловолокно легко обрабатывать на Луне, и прочность реголита может быть значительно улучшена за счет использования 70 %-ного базальтового стекловолокна и 30 %-ой смеси ПЭТГ. На Земле были проведены успешные испытания с использованием имитаторов лунного реголита MLS-1 и MLS-2.
Лунный грунт, хотя он представляет проблему для любых механических движущихся частей, может быть смешан с углеродными нанотрубками и эпоксидной смолой при создании зеркал телескопов диаметром до 50 метров. Несколько кратеров около полюсов постоянно темные и холодные, что создает благоприятные условия для работы инфракрасных телескопов.
Предлагается построить лунную базу на поверхности из модулей, привезенных с Земли, и засыпать их лунным грунтом. Лунный грунт состоит из смеси кремнезема и железосодержащих соединений, которые могут быть сплавлены в стеклообразное твердое вещество с помощью микроволнового излучения.
С 2014 года НАСА финансирует исследование Contour Crafting в Университете Южной Калифорнии с целью развития техники 3D-печати. Исследование включает в себя создание лунных структур из материала, который состоит на 90 % из лунного грунта и только на 10 % из материала земного происхождения. НАСА также рассматривает метод спекания лунной пыли с использованием маломощного (1500 Вт) микроволнового излучения. Пыль лунного материала путем нагревания до 1200-1500 ° C (2190-2730 ° F) будет сплавлен в твердый блок, похожий на керамику и не требующий транспортировки связующего материала с Земли.
Есть несколько моделей и предложений о том, как эксплуатировать лунные ресурсы, но лишь немногие из них учитывают экологическую устойчивость. Для достижения устойчивости и гарантии того, что будущие поколения не столкнутся с бесплодной лунной пустошью из-за бессмысленных действий, требуется долгосрочное планирование. Экологическая устойчивость Луны также должна включать процессы, которые не используют и не производят токсичные материалы, и должны минимизировать количество отходов за счет рециркуляции.
В мае 2019 года НАСА объявила о начале программы “Артемида”. Первый этап программы включает высадку на Луну в 2024 году, пилотируемый орбитальный облёт Луны, начало строительства международной окололунной станции “Gateway”, высадка экипажа с первой женщиной на Луне в миссии Артемида-3. Второй этап — полеты на Луну и создание лунной инфраструктуры.
План Европейского Космического Агентства под названием «Аврора», предусматривает после 2030 года экспедиции и строительство баз на Луне. Первая европейская лунная станция Смарт-1 занималась картографированием поверхности Луны, а также построением карт залегания различных минералов.
Японское агентство аэрокосмических исследований планирует к 2030 году ввести в строй обитаемую станцию на Луне. В 2007 году космическая станция «Кагуя» начала орбитальные исследования Луны. В марте 2010 года Япония решила отказаться от пилотируемой лунной программы из-за её чрезмерной затратности в пользу роботизированных поселений.
Индийская организация космических исследований представила планы по скорой отправке лунохода и совместных или независимых пилотируемых полётов к Луне в отдалённом будущем (после 2030 г.).
О своих планах освоения Луны не раз заявлял и Китай. В будущем КНР рассчитывает основать обитаемую лунную базу. Освоение естественного спутника Земли намечено на 2040—2060 годы. В 2021 году была достигнута договорённость строить Международную лунную станцию совместно с Россией. Вопрос присоединения к этому проекту рассматривает и Европейское космическое агентство.
В 2014 году стало известно о проекте концепции российской лунной программы, в которой предложены три этапа:
I-этап 2016—2025 годов. Предполагает отправку на Луну автоматических межпланетных станций «Луна-25», «Луна-26», «Луна-27» и «Луна-28». Они должны будут определить состав и физико-химические свойства лунного полярного реголита с водяным льдом и другими летучими соединениями.
II-этап 2028—2030 годов. Включает пилотируемые экспедиции на орбиту Луны без высадки на её поверхность.
III-этап 2030—2040 годов. Включает высадку космонавтов в районе потенциального размещения лунного полигона и развёртывание первых элементов инфраструктуры из лунного вещества.
Некоторые ранние частные компании, такие как Shackleton Energy Company, Deep Space Industries, Golden Spike Company, Planetary Resources, Astrobotic Technology и Moon Express, планируют частные коммерческие разведывательные и горнодобывающие предприятия на Луне.
Чья Луна?
Хоть с аппаратов «Луна» были разбросаны вымпелы Советского Союза на Луне, а астронавты «Аполлона» символически установили флаги Соединенных Штатов на местах их приземления, ни одна страна не претендует на владение какой-либо частью поверхности Луны, а международный правовой статус разработки космических ресурсов неясна и вызывает споры.
Пять договоров и соглашений международного космического права охватывают “неприсвоение космического пространства какой-либо одной страной, контроль над вооружениями, свободу исследования, ответственность за ущерб, причиненный космическими объектами, безопасность и спасение космических кораблей и космонавтов, предотвращение вредного вмешательства в космическую деятельность и окружающую среду, уведомление и регистрацию космической деятельности, научные исследования и использование природных ресурсов в космическом пространстве, а также урегулирование споров».
Россия, Китай и Соединенные Штаты являются участниками Договора по космосу 1967 года, который является наиболее широко принятым договором. Договор дает неточные руководящие принципы для новой космической деятельности, такой как разработка Луны и астероидов, и поэтому остается спорным вопрос о том, попадает ли добыча ресурсов в рамки запрещённого присвоения. Хотя его применимость к эксплуатации природных ресурсов остается предметом разногласий, ведущие эксперты в целом согласны с позицией, опубликованной в 2015 году Международным институтом космического права (ISSL) о том, что «ввиду отсутствия четкого запрета на использование ресурсов в Договоре по космосу, можно сделать вывод, что использование космических ресурсов разрешено».
Договор о Луне 1979 года представляет собой свод законов для упорядоченной эксплуатации ресурсов. Этот договор будет регулировать эксплуатацию ресурсов, если она «регулируется международным режимом» правил, но не было достигнуто консенсуса и не были установлены точные правила для коммерческой добычи. Договор о Луне был ратифицирован очень немногими странами, и поэтому он практически не имеет отношения к международному праву.
Последняя попытка определить приемлемые подробные правила эксплуатации закончилась в июне 2018 года после того, как в НАСА решили отложить переговоры по правилам добычи в Договоре о Луне до тех пор, пока не будет установлена возможность эксплуатации лунных ресурсов.
В поисках более четких нормативных указаний частные компании в США побудили правительство США легализовать космическую добычу в 2015 году, приняв Закон США о запуске коммерческих космических объектов. Подобные национальные законы, легализующие внеземное присвоение ресурсов, в настоящее время копируются другими странами, включая Люксембург, Японию, Китай, Индию и Россию. Это вызвало международно-правовые споры о правах на добычу с целью получения прибыли.
В апреле 2020 года президент США Дональд Трамп подписал указ о поддержке добычи на Луне.
Луна, благодаря своим впечатляющим ландшафтам и экзотичности, также выглядит как объект для космического туризма, который может привлечь значительное количество средств на её освоение, способствовать популяризации космических путешествий, обеспечивать приток людей для освоения лунной поверхности. Космический туризм будет требовать определённых инфраструктурных решений.
Развитие инфраструктуры, в свою очередь, будет способствовать более масштабной колонизации человечеством Луны.
Существуют планы использования лунных баз в военных целях для контроля околоземного космического пространства и обеспечения господства в космосе.
