Как будет выглядеть повседневная жизнь на Луне: почему ученые предлагают делать еду из космических камней

Обеспечение жизнедеятельности человека в космосе исторически строилось по принципу полной доставки. Все ресурсы, необходимые для выживания экипажа — от питьевой воды и кислорода до продуктов питания, загружались в космический корабль на Земле. Для околоземных орбитальных станций, находящихся на расстоянии около 400 километров от поверхности планеты, эта схема остается рабочей благодаря регулярным рейсам грузовых кораблей. Однако при планировании долгосрочных миссий на Луну, расположенную в 380 тысячах километров, классическая схема снабжения сталкивается с непреодолимыми экономическими и физическими ограничениями.

Главным препятствием является земное притяжение. Чтобы преодолеть гравитацию Земли и доставить полезный груз на Луну, ракета-носитель должна сжечь колоссальное количество топлива. В результате стоимость транспортировки одного килограмма материалов на лунную поверхность сегодня составляет около 1,2 миллиона долларов. Снабжение базы, где экипаж будет находиться непрерывно в течение месяцев или лет, потребует сотен тонн припасов, что делает миссию финансово невыполнимой. Кроме того, сохраняется высокая зависимость от надежности запусков: любая техническая авария ракеты-снабженца на этапе старта мгновенно ставит под угрозу жизни людей на лунной станции.

Решением этой проблемы занимается космическая инженерия в рамках концепции ISRU (In-Situ Resource Utilization — использование ресурсов на месте). Суть подхода заключается в том, чтобы развернуть на Луне автономные производства, способные добывать воду, генерировать кислород, синтезировать пищу и строить укрытия непосредственно из местного сырья.

Добыча воды в экстремальных условиях лунных полюсов

Ключевым ресурсом для создания жизнеспособной базы является вода. Долгое время Луна считалась абсолютно сухим небесным телом, однако данные со спутников и посадочных аппаратов подтвердили наличие больших запасов водяного льда. Они сосредоточены на полюсах, преимущественно в южной полярной области, на дне глубоких кратеров.

Особенность этих зон заключается в том, что из-за малого наклона оси вращения Луны солнечный свет никогда не проникает на дно полярных кратеров. Эти области называют зонами вечной тени. Температура там опускается до -250 градусов Цельсия, что делает местный лед твердым как базальт и сильно перемешанным с лунной пылью (реголитом).

Добыча воды в таких условиях требует решения нескольких сложных инженерных задач:

1. Разработка методов извлечения. Обычные механические экскаваторы быстро изнашиваются из-за высокой абразивности реголита в условиях экстремального холода. Инженеры разрабатывают методы термического извлечения, когда лед испаряют прямо внутри грунта с помощью сфокусированного тепла, а затем улавливают и конденсируют водяной пар в специальных коллекторах.
2. Очистка. Полученный конденсат будет содержать примеси лунной пыли и летучих химических соединений. Перед использованием вода должна пройти многоступенчатую систему фильтрации.

После очистки вода решает сразу три критические задачи. Во-первых, она используется для гидратации экипажа и бытовых нужд. Во-вторых, методом электролиза (расщепления молекул воды под действием электрического тока) из нее получают кислород для дыхания. В-третьих, выделенный водород и кислород сжимают и сжижают, превращая их в высокоэффективное ракетное топливо. Это позволит заправлять возвращаемые аппараты прямо на Луне, существенно снижая массу ракет при старте с Земли.

Проблема дефицита кислорода и масштабирование технологий

Хотя электролиз воды является надежным источником кислорода, его объемы напрямую зависят от эффективности добычи льда. В качестве альтернативного или резервного источника инженеры рассматривают извлечение кислорода непосредственно из сухого лунного реголита, который более чем на 40% состоит из оксидов различных металлов (кремния, железа, алюминия, титана и кальция).

Чтобы высвободить этот кислород, требуются сложные физико-химические процессы, такие как высокотемпературный электролиз расплавов солей. Лунную пыль нагревают до температур свыше 900 градусов Цельсия в присутствии агрессивных химических реагентов, что позволяет разорвать прочные химические связи между металлами и кислородом. На выходе инженеры получают чистый газообразный кислород и металлический порошок, который можно использовать в металлургии и строительстве.

Основная трудность здесь заключается в масштабировании оборудования. Для дыхания одного взрослого человека требуется около 800 граммов кислорода в сутки. Существующие космические установки по извлечению кислорода из неорганических соединений пока работают в тестовом режиме и производят незначительное количество газа.

Например, прибор MOXIE, работавший на Марсе, продемонстрировал принципиальную возможность извлечения кислорода из углекислого газа местной атмосферы, но его максимальная производительность составляла всего 12 граммов в час. Для жизнеобеспечения лунной базы потребуются промышленные реакторы непрерывного действия, способные работать в условиях вакуума и слабой гравитации без постоянного технического обслуживания со стороны человека.

Биохимический синтез калорий из углеродсодержащего сырья

Обеспечение экипажа питанием — наиболее сложная часть программы автономности. Традиционное растениеводство в условиях лунной базы сталкивается со следующими ограничениями:

• Дефицит полезной площади. Для выращивания достаточного объема овощей и зерновых культур требуются огромные герметичные теплицы.
• Высокое энергопотребление. Растениям необходим постоянный мощный искусственный свет определенного спектра.
• Биологические риски. Любая инфекция или сбой в системе полива могут мгновенно уничтожить весь урожай, оставив базу без еды.

Для решения продовольственной проблемы группа исследователей под руководством профессора Джошуа Пирса предложила технологию биохимического синтеза питательных веществ, исключающую использование фотосинтеза. Источником углерода для этого процесса должны стать углеродсодержащие метеориты (углеродистые хондриты), которые можно добывать на поверхности Луны или перехватывать на окололунных орбитах.

Процесс производства пищи разделен на два строго контролируемых этапа:

Этап 1: Термическое расщепление (пиролиз)

Добытое углеродсодержащее сырье загружают в герметичный реактор и нагревают до температур порядка 500-600 градусов Цельсия без доступа кислорода. В этих условиях сложные органические молекулы, содержащиеся в метеоритном веществе, разрушаются. На выходе образуется смесь газов и жидкая маслянистая фракция углеводородов (пиролизное масло). Этот процесс полностью контролируется физическими параметрами (температурой и давлением) и не зависит от биологических факторов.

Этап 2: Бактериальный синтез в биореакторе

Полученные жидкие углеводороды очищают от вредных примесей и подают в биореактор в качестве питательной среды. В реакторе находятся колонии непатогенных быстрорастущих бактерий. Эти микроорганизмы используют углеводороды для построения собственных клеток. Они размножаются значительно быстрее любых высших растений: масса бактериальной культуры в благоприятных условиях удваивается за несколько часов.

После завершения цикла бактериальную массу отделяют от питательной среды, промывают, высушивают и пастеризуют. Полученный сухой порошок состоит на 50-60% из полноценного белка, а также содержит необходимые аминокислоты, жиры (липиды) и углеводы.

С точки зрения гастрономии такой продукт представляет собой однородную белковую пасту без ярко выраженного вкуса. Однако он полностью усваивается организмом человека и покрывает его базовые энергетические потребности. Данная технология позволяет производить пищевые калории в промышленных масштабах внутри компактных установок, которые занимают в десятки раз меньше места, чем классические гидропонные теплицы, и расходуют минимальное количество воды благодаря замкнутому циклу ее циркуляции.

Тонкопленочная энергетика и аддитивное строительство

Любое производство на Луне требует надежного и мощного источника электроэнергии. Использование традиционных солнечных батарей на основе жестких панелей из кристаллического кремния неэффективно из-за их высокой массы и хрупкости. При транспортировке они занимают слишком много полезного объема ракеты.

Инженеры предлагают перейти на использование гибких тонкопленочных фотоэлектрических элементов на основе аморфного кремния. Технология их производства заключается в нанесении кремнийсодержащего газа в вакуумной камере на тончайшие подложки из нержавеющей стали или термостойких полимеров. Толщина рабочего слоя полупроводника составляет менее одного микрометра.

Такие солнечные батареи обладают следующими преимуществами:

• Низкий удельный вес. Они в десятки раз легче жестких стеклянных панелей аналогичной площади.
• Удобство транспортировки. Гибкие ленты можно сворачивать в плотные рулоны, что позволяет доставить на Луну мегаватты генерирующей мощности за один рейс грузового корабля.
• Устойчивость к повреждениям. Отсутствие хрупкого защитного стекла делает их нечувствительными к вибрациям при посадке корабля и ударам мелких частиц пыли.

Энергия от этих панелей будет питать не только системы жизнеобеспечения и биореакторы, но и роботизированные строительные комплексы. Доставлять готовые жилые модули с Земли экономически невыгодно, поэтому стены будущей базы будут печатать на 3D-принтерах из лунного реголита.

Процесс строительства выглядит следующим образом: мобильные роботы собирают лунный грунт и подают его к рабочей головке 3D-принтера. Специальный лазер высокой мощности точечно нагревает реголит до температуры плавления (около 1100-1200 градусов Цельсия). Расплавленная пыль при остывании спекается в прочный стеклокерамический монолит, по структуре напоминающий земной базальт. Робот послойно наносит этот материал поверх надувных герметичных полусфер, доставленных с Земли.

Создание защитного купола из спеченного реголита толщиной от одного до двух метров необходимо для решения важнейших задач безопасности:

1. Терморегуляция. Температура на поверхности Луны колеблется от -170 градусов Цельсия ночью до +120 градусов днем. Толстый грунтовый слой работает как эффективный теплоизолятор, поддерживая стабильную температуру на внешней оболочке герметичных модулей.
2. Защита от микрометеоритов. По причине отсутствия атмосферы даже мельчайшие космические частицы, летящие со скоростью в десятки километров в секунду, способны мгновенно разгерметизировать незащищенную станцию. Спеченный реголит поглощает энергию их ударов.
3. Радиационная безопасность. Космическое излучение (солнечный ветер и галактические лучи) представляет главную угрозу для здоровья астронавтов. Слой грунта толщиной в два метра снижает уровень радиационной нагрузки внутри базы до безопасных значений.

Для проверки эффективности радиационной защиты исследователи планируют использовать технологии «орган на чипе». Это миниатюрные пластиковые платформы, содержащие живые человеческие клетки (например, клетки кровеносных сосудов, печени или костного мозга), через которые прокачивается питательная среда. Размещая такие микросхемы внутри строящихся модулей, ученые смогут в реальном времени анализировать степень повреждения ДНК живых клеток космическим излучением, не подвергая опасности здоровье людей.

Переход к полной автономности

Разработка и внедрение технологий использования местных лунных ресурсов (ISRU) означает цивилизационный переход от эпохи кратковременных исследовательских экспедиций к эпохе полноценного освоения космического пространства. Луна в этой концепции выступает в роли глобального полигона.

Условия спутника — отсутствие плотной атмосферы, слабая гравитация, экстремальные температурные перепады и дефицит органического сырья — заставляют ученых проектировать инженерные системы с беспрецедентным уровнем надежности и замкнутости циклов. Все процессы переработки сырья, генерации энергии и синтеза пищи должны быть полностью автоматизированы и требовать минимального вмешательства со стороны человека.

Если инженерам удастся доказать работоспособность и безопасность этих систем на Луне, человечество получит универсальные технологические инструменты для дальнейшей экспансии. Отработанные методы добычи воды, бесконтактной 3D-печати защитных сооружений и биохимического производства продуктов питания из неорганического сырья позволят запустить аналогичные процессы на Марсе, астероидах и других объектах Солнечной системы, сделав будущие базы полностью независимыми от поставок с Земли.