Городов на Луне не будет: астрофизики доказали, что запасы воды исчерпаются за 100 лет

Руководители частных аэрокосмических корпораций часто называют Луну естественным плацдармом для масштабного расселения человечества. В публичных заявлениях Джеффа Безоса и Илона Маска фигурируют проекты переноса земных промышленных предприятий за пределы нашей планеты и строительство автономных городов с постоянным населением от ста тысяч до одного миллиона человек.

Территория Луны составляет почти 38 миллионов квадратных километров. Это в полтора раза превышает площадь всей Северной Америки. Столь внушительные размеры создают представление о наличии практически неисчерпаемых сырьевых ресурсов для строительства независимой лунной цивилизации.

Астрофизики Мартин Элвис из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и Джонатан Макдауэлл из Даремского университета опубликовали в журнале Frontiers in Space Technologies детальный инженерный аудит доступных лунных ресурсов. Ученые рассчитали баланс энергопотребления и расхода воды для долговременных поселений разного масштаба.

Их вывод печален: энергетические возможности спутника позволяют обеспечивать работу крупного города, однако запасы воды делают долговременное существование миллионного населения физически невозможным. При использовании современных технологий замкнутого цикла запасы лунной воды будут полностью израсходованы примерно за одно столетие.

Сколько энергии нужно миллионному городу

Постоянное поселение на Луне требует размещения людей внутри полностью герметичных комплексов. Внутри жилых и рабочих помещений необходимо непрерывно поддерживать нормальное давление воздуха, заданный газовый состав атмосферы и комфортную температуру.

У Луны нет собственной плотной атмосферы, которая сглаживала бы температурные колебания. Лунный день продолжается две земные недели, и скалы на поверхности прогреваются до плюс 114 градусов Цельсия. Лунная ночь длится столько же, и температура падает до минус 178 градусов. Общий температурный перепад достигает почти трехсот градусов.

Чтобы рассчитать базовый расход энергии на человека, авторы статьи проанализировали показатели энергопотребления в регионах Земли с наиболее суровыми климатическими условиями. В штатах с экстремально морозными зимами или крайне жарким летом на бытовые нужды одного жителя уходит от шести до десяти киловатт-часов электроэнергии в сутки. При расчете для одного миллиона лунных жителей поддержание микроклимата в домах потребует не менее 800 мегаватт непрерывной мощности.

К этой величине исследователи добавили сопутствующие обязательные секторы:

• Промышленность: на Земле производственные предприятия расходуют примерно в полтора-два раза больше электроэнергии, чем жилой сектор. С учетом работы обогатительных заводов, ремонта техники и выплавки металлов из местного грунта потребность города возрастает до 2,1 гигаватта.
• Сельское хозяйство: растения в герметичных теплицах требуют постоянной работы светодиодного освещения и поддержания тепла. Даже по самым скромным оценкам городским теплицам понадобится еще около 84 мегаватт мощности.
• Центры обработки данных: работа крупных вычислительных комплексов требует около одного гигаватта мощности на каждый крупный объект.

Суммарная потребность крупного лунного города составляет около 3 гигаватт постоянной мощности.

Инженерия получения энергии на Луне

Для получения 3 гигаватт мощности на поверхности спутника доступны только два базовых варианта: солнечная генерация и ядерные реакторы.

Ось вращения Луны наклонена к плоскости ее орбиты вокруг Солнца всего на полтора градуса (для сравнения, наклон земной оси составляет двадцать три с половиной градуса). Из-за этого на полюсах Луны Солнце никогда не поднимается высоко над головой и никогда не уходит глубоко за горизонт. С точки зрения наблюдателя на лунном полюсе солнечный диск постоянно перемещается по кругу вдоль горизонтальной линии.

На возвышенностях полярных кратеров солнечные лучи падают на грунт почти непрерывно. Но поскольку лучи скользят под минимальным углом к поверхности, солнечные панели нельзя стелить на грунт — их необходимо монтировать строго вертикально.

Лунная гравитация в шесть раз слабее земной, а ветер и атмосферное давление полностью отсутствуют. Это позволяет строить высотные вертикальные фермы из легких несущих конструкций высотой до одного километра. Такая вертикальная мачта может плавно поворачиваться вокруг своей оси вслед за круговым движением Солнца по горизонту. Группа подобных километровых башен на южном полюсе способна надежно вырабатывать в среднем 3 гигаватта мощности на протяжении 90% времени лунного года.

Второй источник энергии — атомные реакторы деления. Их преимущество заключается в том, что их можно строить в любой географической точке, не привязываясь к полярным возвышенностям.

Однако у ядерной энергетики в космосе есть критическое ограничение: сброс лишнего тепла. На Земле лишнее тепло отводят с помощью проточной воды или обдува воздухом. В лунном вакууме отдать тепло можно исключительно через радиаторные панели, которые излучают его в пространство в инфракрасном диапазоне.

Чтобы эффективно охлаждать атомный комплекс мощностью 3 гигаватта, площадь этих панелей-радиаторов должна составлять не менее семи с половиной квадратных километров. При этом панели должны быть направлены в абсолютно холодные области пространства, не освещаемые Солнцем. Подходящими площадками служат глубокие кратеры, куда никогда не проникает прямой солнечный свет. На Луне насчитывается более четырехсот постоянно затененных кратеров с достаточной для этого площадью дна. Топливом такой реактор обеспечивается доставкой с Земли: на выработку одного гигаватта электроэнергии в год требуется около 24 тонн обогащенного урана.

Энергетический баланс показывает, что снабжение энергией не станет сдерживающим фактором для лунных поселений.

Оценки фактических запасов воды

Вода необходима для выживания людей, выращивания пищи и синтеза кислорода для дыхания.

Жидкой воды на Луне нет. В космическом вакууме она мгновенно закипает и рассеивается. На освещенной поверхности лед быстро нагревается и сразу превращается в пар, который улетучивается в космос. Залежи льда могут сохраняться только на дне приполярных кратеров, находящихся в постоянной тени. Температура в этих зонах не поднимается выше минус 163 градусов Цельсия. В условиях такого холода лед испаряется со скоростью не более одного миллиметра за миллиард лет.

В космических проектах в качестве базового ориентира часто используют оценку в один миллиард тонн воды. Этот объем соответствует одному кубическому километру льда. Авторы исследования приняли эту цифру за исходную точку, чтобы оценить максимальный потенциал лунных запасов.

При этом данные научных аппаратов показывают, что реальный объем воды на спутнике существенно ниже:

1. Нейтронные детекторы: приборы орбитальных зондов фиксируют атомы водорода в грунте на глубине до двух метров, но эти приборы имеют низкую точность определения координат и усредняют данные по площади в десятки квадратных километров.
2. Оптические камеры: камера ShadowCam смогла рассмотреть дно темных кратеров и зафиксировала явные следы чистого льда только в 3,5% холодных областей.
3. Метаанализ данных по крупнейшим кратерам: оценка восьми самых богатых льдом южных кратеров дает общий объем всего в 34 миллиона тонн летучих веществ, включая воду. Это почти в тридцать раз меньше оптимистичного миллиарда тонн.

Кроме того, водяной лед на Луне залегает не сплошными пластами, а в виде мелких крупиц, перемешанных с тяжелым скальным грунтом. На практике из таких пород удается извлечь не более 30-50% от общего объема полезного ископаемого.

Тем не менее исследователи рассчитали динамику потребления исходя из предположения, что в распоряжении колонистов действительно находится один миллиард тонн чистой воды.

Структура водного потребления человека

Расход воды в герметичной среде складывается из трех независимых компонентов.

Первый компонент — бытовое потребление. Средний житель развитых стран использует на питье, приготовление пищи, душ и санитарные потребности около 125 тонн воды в год (примерно 340 литров в сутки).

Второй компонент — дыхание. Взрослый человек вдыхает шесть литров воздуха в минуту, что составляет 62 килограмма газовой смеси в день. Легкие поглощают пять процентов кислорода из этого объема — около 1,1 тонны чистого кислорода в год. Основной способ получения кислорода на автономных станциях — расщепление воды на водород и кислород с помощью электричества. Чтобы получить 1,1 тонны чистого кислорода, требуется подвергнуть электролизу 1,8 тонны воды на каждого жителя ежегодно.

Третий и самый крупный компонент — сельское хозяйство. Доставлять готовые продукты с Земли для крупного города экономически невозможно из-за колоссальной массы грузов. Еду придется производить на месте в теплицах и гидропонных фермах.

По статистике Всемирного банка, для производства суточного рациона одного человека земное сельское хозяйство расходует от двух до пяти тонн воды. Часть ее испаряется растениями в воздух, часть уходит на технологическую промывку корневых систем. Если предположить, что в лунных теплицах удастся вдвое сократить потери по сравнению с лучшими земными практиками, на продовольственное обеспечение одного жителя потребуется не менее 375 тонн воды в год.

В сумме прямое потребление, производство кислорода и сельское хозяйство требуют минимум 500 тонн воды на одного человека в год.

Город с населением в один миллион жителей будет расходовать 500 миллионов тонн воды ежегодно. Без использования систем очистки и повторного использования весь миллиард тонн лунного льда исчезнет за два года.

При этом расчеты показали, что производство ракетного топлива не создает угрозы для запасов воды. Заправка крупного космического корабля жидким кислородом и метаном требует 1200 тонн топливной смеси. Даже при интенсивности полетов по три тяжелых старта ежедневно миллиарда тонн воды хватит на тысячу лет запусков. Основную массу воды потребляет именно биологическая инфраструктура города, а не транспорт.

Почему стопроцентная замкнутость контура невозможна

Единственный способ продлить жизнь поселения — повторная очистка и возвращение воды в оборот.

Вода проходит через человека, испаряется листьями растений, загрязняется в душе и на кухне, после чего попадает в очистные комплексы. Ни одна инженерная система в мире не способна вернуть сто процентов поступившего объема. Всегда существует процент безвозвратных потерь: часть влаги связывается химическими соединениями, часть оседает в отработанных фильтрах, часть выбрасывается в вакуум при шлюзовании отходов и выходе людей на поверхность.

Срок, за который запасы воды уменьшатся до нуля, рассчитывается прямым делением исходного времени расхода на долю потерь в системе очистки.

Если бы система не перерабатывала воду вовсе, потери составляли бы сто процентов, и миллиарда тонн хватило бы ровно на два года. Если система очистки возвращает девяносто четыре процента воды, то безвозвратные потери составляют шесть сотых долей объема. Разделив два года на шесть сотых, получаем тридцать три года. Именно столько просуществовал бы город при технологиях рециркуляции, действовавших на Международной космической станции до 2023 года.

В 2023 году инженеры NASA добились крупного технологического успеха: за счет вакуумной переработки солевого остатка мочи эффективность возврата воды на МКС довели до 98%. Безвозвратные потери удалось снизить до двух процентов за цикл.

Однако в масштабах города потеря даже двух литров из каждых ста означает постоянное сокращение базового запаса. При ежегодном обороте в 500 миллионов тонн двухпроцентные потери составляют ровно 10 миллионов тонн чистой воды в год.

Разделив начальный миллиард тонн на эти 10 миллионов тонн ежегодных безвозвратных потерь, получаем срок исчерпания запасов: ровно 100 лет.

Сто лет — это крайне малый срок для крупного города с постоянным населением. Строительство сложнейшей капитальной инфраструктуры на поверхности Луны теряет практический смысл, если все водные ресурсы колонии будут безвозвратно исчерпаны в течение жизни трех поколений.

Технические попытки обойти водный лимит

Авторы статьи последовательно изучили возможные пути решения этой проблемы:

1. Доведение эффективности очистки до 99,75%. Чтобы продлить существование миллионного города до тысячи лет, долю потерь воды необходимо снизить в десять раз по сравнению с современным уровнем космической станции — с двух процентов до четверти одного процента. На орбитальной станции работают профессиональные экипажи в строго контролируемых условиях. В крупном городе с прачечными, бытовыми стоками, переработкой растительных отходов и мелкой лунной пылью, забивающей очистные мембраны, удерживать потери на уровне четверти процента невозможно.
2. Полный переход на растительную и синтетическую пищу. Животноводство расходует значительные объемы воды: выращивание птицы требует вдвое больше воды, чем соевых бобов, а говядины — в шесть раз больше при равной массе белка. Перевод города на строгую веганскую диету или синтез искусственного мяса в лабораторных биореакторах сократит расход воды в два раза. Это продлит срок существования запасов со ста до двухсот лет, но не отменит сам факт их исчерпания.
3. Импорт воды с астероидов. Чтобы восполнять ежегодную потерю десяти миллионов тонн воды, на Луну придется доставлять лед из глубокого космоса. Если предположить, что транспортные корабли смогут доставлять по тысяче тонн льда за рейс (что в десять раз превышает проектную грузоподъемность тяжелой лунной ступени корабля Starship), то для снабжения города потребуется приемка двадцати семи таких грузовых кораблей каждый день. Организовать столь плотный график межпланетных рейсов крайне сложно технически.
4. Поиск глубоких подземных горизонтов. Орбитальные детекторы зондируют грунт на глубину до двух метров. В 1972 году астронавты корабля «Аполлон-17» провели радиоволновое сканирование лунных недр на глубину до одного километра, но не обнаружили признаков крупных залежей льда. Пока эти данные не опровергнуты глубоким бурением, рассчитывать на скрытые запасы не приходится.

Реальные демографические границы лунных баз

Расчеты Мартина Элвиса и Джонатана Макдауэлла устанавливают строгую связь между численностью лунного поселения и сроком его автономной жизни:

• Поселения от миллиона человек и выше не могут быть долговременными. Они исчерпают водные запасы за несколько десятилетий или за одно столетие даже при почти полной очистке отходов.
• Город с населением в 100 000 человек способен существовать на местных запасах около 1000 лет при сохранении текущего уровня переработки воды в 98%. Это делает поселение такого масштаба относительно стабильным проектом.
• Исследовательские станции на 1000 человек (что соответствует численности зимовщиков на всех научных базах Антарктиды вместе взятых) расходуют минимальное количество ресурсов. При потерях в два процента такая научная база теряет всего десять тысяч тонн воды в год. Даже относительно небольших реальных запасов полярных кратеров (десятки миллионов тонн) хватит этой базе на несколько тысяч лет непрерывной работы.

Физические законы и геология Луны показывают, что спутник не станет местом для переселения миллионов людей. Луна представляет собой исключительно ценную научную и промышленную площадку с жестко ограниченным запасом критически важных веществ.

Бесконтрольное использование полярного льда частными компаниями способно быстро истощить эти ресурсы. Международному сообществу потребуется выработать четкие правила квотирования и контроля за добычей лунной воды задолго до того, как на спутнике начнется строительство постоянных обитаемых комплексов.

Источник: Frontiers in Space Technologies