Мы могли бы получить большое количество воды на Луне
Одна из наиболее часто обсуждаемых проблем в начале путешествия нашего вида в космос — как получить ресурсы, необходимые для жизни, за пределами Земли. Обычно речь идет о двух вещах — воде и кислороде, но, к счастью, кислород может быть получен путем расщепления молекулы воды, поэтому самый важный ресурс, который мы можем найти в космосе, — это вода. Обычно называемая «летучим» на языке космических ресурсов, вода была в центре многих планов по использованию ресурсов на месте на Луне, Марсе и в других местах. Некоторые из этих планов были хорошо продуманы, другие нет. Один из них показал некоторые перспективы, когда он был выбран в рамках финансирования Института передовых концепций НАСА (NIAC) еще в 2019 году, и здесь мы рассмотрим его подробнее.
Концепция, опубликованная в отчете под названием «Тепловая добыча льдов на холодных телах Солнечной системы», но далее именуемая «термическая добыча», является детищем Джорджа Сауэрса, эксперта по космическим ресурсам и профессора машиностроения Колорадской школы. Шахты (CSM). Основная концепция удивительно проста и знакома всем, кто играл с увеличительным стеклом в детстве. Если вы направите солнечный свет на определенное место с помощью гигантского зеркала или другой технологии, это место нагреется. Если вы нагреете область, содержащую лед, и она находится в вакууме, этот лед сублимирует в водяной пар и начнет выделяться с нагреваемой поверхности. Затем этот водяной пар может быть уловлен с помощью охлаждающей ловушки или аналогичного механизма, а затем вода может быть собрана для использования в исследовательской деятельности, такой как питье, дыхание или даже заправка ракет.
Таким образом, базовая системная архитектура идеи термального майнинга проста и состоит из трех основных компонентов. Во-первых, это большое зеркало (известное как гелиостат), чтобы направлять солнечный свет в определенную область другого мира. Вторая представляет собой гигантскую палатку, которая улавливает сублимированную воду, а третья представляет собой холодную ловушку/транспортную систему, которая улавливает воду, когда она убегает с поверхности. Ничто из этого не является гигантским технологическим скачком — нам не нужно разрабатывать причудливые технологии для производства этих трех компонентов. Тем не менее, они никогда не использовались для этого раньше, поэтому стоит некоторое время снизить их риск. Это именно то, что доктор Сауэрс и его команда сделали в своем отчете NIAC.
Во-первых, они рассмотрели потенциальные места, где система может быть полезна. На первое место вышли четыре потусторонних тела — Марс, где неоднократно было доказано наличие водяного льда; Церера, где с ее поверхности выбрасываются струи водяного пара; и два астероида главного пояса - 24 Фемида и 65 Кибела, оба из которых, как полагают, покрыты льдом из-за их отражательной способности. Все они находятся во внутренней части Солнечной системы, что делает их относительно легкой мишенью для миссий по исследованию и эксплуатации ресурсов с использованием этой техники. Но место, которое обещает дать толчок использованию ресурсов человечества в космосе, — это Луна. Второй задачей доктора Сауэра и его команды была разработка архитектуры для использования в постоянно затененных областях Луны, которые, как считается, содержат большую часть из 600 миллиардов кг воды на нашем ближайшем соседе.
Луна имеет некоторые преимущества перед астероидами, такими как 24 Themis, для этого метода термической добычи. Во-первых, силы тяжести достаточно, чтобы использовать стандартные вездеходы для транспортировки льда туда, где он необходим. Другой причиной является отсутствие атмосферы, которая может снизить эффективность передачи солнечной тепловой энергии на место добычи. Но также, это просто намного ближе. Однако его близость не меняет общей архитектуры — три основных компонента по-прежнему необходимы независимо от того, где находится место майнинга. Таким образом, третья задача группы доктора Сауэра заключалась в проверке концепции разработанной ими архитектуры. Они собрали имитатор лунного реголита и вручную скололи кусочки льда, которые затем превратили в шарики и смешали с реголитом. Они поместили версию этой смеси с различной концентрацией льда в вакуумную камеру, которая охлаждалась в ванне с жидким азотом. Затем они применили источник тепла от лампы, имитирующей перенаправленный солнечный свет, и измерили результирующую потерю веса образца, и использовали это для расчета количества сублимированной воды. Выполняя эти эксперименты, они столкнулись с двумя интересными проблемами: одна была связана с их тестовой установкой, а другая могла помешать реальному использованию на Луне.
Испытательная установка CSM была относительно небольшой, с системой охлаждения жидким азотом относительно близко к образцу, который должен был сублимироваться. Таким образом, большая часть тепла от лампы, которая должна была нагревать образец, вместо этого нагревала жидкий азот, который действовал как радиатор. На Луне этого бы не произошло, так как все тело настолько холодное, что под вашим образцом нет теплопроводного материала, который бы поглотил большую часть энергии, предназначенной для нагрева воды. И поэтому CSM строит большую испытательную камеру, чтобы попытаться ограничить влияние этой проблемы на их эксперименты. Однако другая проблема является более сложной: через относительно короткое время метод термической добычи создал высохший слой поверх реголита, который действует как тепловой барьер для воды, которая может задерживаться глубже. Мало того, что меньше тепла достигает нижних уровней реголита, высохший слой по существу расплавляется в пароизоляцию, что делает почти невозможным сублимацию воды в палатку и сбор в холодных ловушках.
Такие трудности, безусловно, не являются непреодолимыми, и, возможно, один из наиболее важных аспектов отчета показывает, почему они действительно не хотят быть преодолены — экономическое обоснование. По оценкам команды доктора Сауэра, общая стоимость разработки термальной добычи разумного размера в PSR на Луне составляет около 800 миллионов долларов, при этом дополнительные затраты на продукцию составляют 613 миллионов долларов. Это также будет включать эксплуатационные расходы в размере около 80 миллионов долларов в год. Эти расходы приносят довольно большие выгоды, особенно если они экономят на стоимости доставки воды с Земли до любого раннего выхода на Луну. Согласно расчетам в отчете, внутренняя норма доходности (IRR — показатель прибыльности проекта) составила бы примерно 8%, если бы системные операторы продавали исключительно коммерческим источникам (т. е. тем, которые пытаются заниматься другой экономической деятельностью). на Луне). Это немного ниже, чем многие финансисты считают инвестиционным уровнем, особенно для заведомо рискованного проекта. Однако предположим, что НАСА или другие национальные космические агентства станут клиентами для поддержки их лунных операций. В этом случае IRR подскакивает до ~ 16%, что значительно ближе к уровню, который может заинтересовать финансистов.
Д-р Сауэрс признает, что экономическое обоснование является одной из самых рискованных частей общего предложения, поскольку оно требует спроса, которого в настоящее время не существует, поскольку лунных операций, требующих воды, практически нет. С миссиями НАСА «Артемида» это обязательно изменится в следующем десятилетии, но неясно, обеспечит ли это достаточный спрос, чтобы сделать технологию экономически жизнеспособной. Есть и другие риски, в том числе неопределенность в отношении общего количества и местонахождения воды на Луне. Несомненно, что-то есть в ПСР, но, возможно, недостаточно близко к поверхности, где его можно собрать путем термальной добычи, чтобы поддерживать длительное проживание людей, и воду и другие «летучие вещества» приходится доставлять. с Цереры или из другого места в поясе астероидов. Если это так, то до сих пор существует аргумент, что лежащий в основе метод термального майнинга может быть полезен — просто он может быть невыгодным.
На данный момент вся система находится только на стадии планирования, и не похоже, что технология получила NIAC Фазы II, и неясно, какой прогресс был достигнут за последние несколько лет. Однако технология запатентована, и CSM предлагает ее для лицензирования на своем веб-сайте передачи технологий. И по мере развития технологий идея добычи на Луне будет становиться все более и более привлекательной. Так что есть хороший шанс, что эта технология в конечном итоге осуществится, даже если это может занять некоторое время.
