Лунный город к 2032 году: NASA выделило 10 млрд долларов на базу и атомный луноход

В двадцатом веке все полеты людей на Луну были короткими. Астронавты прилетали в небольшом посадочном модуле, проводили на поверхности от нескольких часов до трех суток и улетали обратно. Весь запас воздуха для дыхания, питьевой воды, еды и электричества находился внутри самого корабля. Как только заряд в аккумуляторах и запасы кислорода подходили к концу, экипаж должен был взлетать.

Сейчас американское космическое агентство NASA решает другую задачу: построить на Луне постоянную обитаемую базу к 2032 году. На такой станции люди должны жить и работать долгое время. Привезти с собой запасы воды, воздуха и топлива на месяцы и годы вперед в одном корабле невозможно — он получится слишком тяжелым, и ни одна ракета не поднимет его с Земли.

Поэтому порядок действий меняется. Прежде чем на Луну прилетят строители и исследователи, туда нужно отправить автоматические аппараты. Роботы должны заранее найти запасы льда, поставить электростанции, наладить устойчивую связь с Землей и проверить работу навигации. Когда люди высадятся на поверхность, вся основная техника уже должна стоять на месте и работать.

В субботу, 7 ноября, во время авиашоу Max Power в Космическом центре Кеннеди во Флориде руководство NASA объявило о новой серии контрактов, которые обеспечат эту подготовку. Общая сумма соглашений превышает 11 миллиардов долларов. В программу вошли новая система заказа грузовых перелетов, переделка уже существующего марсохода в атомный луноход, запуск спутников связи и строительство энергетических вышек.

Как NASA меняет правила доставки грузов и зачем нужна программа CLPS 2

Раньше NASA конструировало и строило свои космические аппараты самостоятельно или заказывало их по собственным чертежам у одного-двух крупных подрядчиков. Несколько лет назад агентство решило упростить доставку небольших грузов на Луну и запустило программу коммерческих лунных перевозок — CLPS (Commercial Lunar Payload Services).

Идея этой программы проста: NASA больше не строит грузовые корабли само, а покупает услугу доставки у частных компаний. Агентство выдает подрядчику научные приборы и оплачивает их перевозку из точки А (Земля) в точку Б (поверхность Луны). При этом частная компания сама строит посадочный аппарат, сама покупает место на ракете и сама отвечает за мягкую посадку.

Однако в первой версии программы CLPS обнаружилась серьезная организационная проблема. Каждый контракт заключался жестко под одну конкретную поездку. Как объяснил глава NASA Джаред Айзекман на пресс-конференции 7 ноября, старая система работала по принципу «всё или ничего».

Что это означало на практике? NASA закрепляло определенный набор научных приборов за конкретным посадочным модулем одной компании. Но создание космической техники редко идет строго по графику: у подрядчика могут возникнуть ошибки при испытаниях двигателей, сбои в программном обеспечении или задержки с поставкой деталей. И если частная компания задерживала постройку своего посадочного аппарата на год или два, вся миссия останавливалась. Готовые научные приборы NASA просто лежали на складе, потому что по условиям договора агентство не могло быстро забрать их и переставить на корабль другой компании.

Пока NASA запускало на Луну всего один или два грузовых аппарата в год, такие задержки можно было терпеть. Но для строительства базы к 2032 году грузы нужно отправлять регулярно и в больших объемах. Задержка одного перевозчика не должна останавливать всю стройку.

Чтобы решить эту проблему, NASA объявило о запуске второй очереди программы — CLPS 2. Она рассчитана на десять лет, а максимальная сумма, которую агентство готово потратить на заказы внутри этой программы, составляет 10 миллиардов долларов. Одновременно NASA увеличило бюджет первой, уже действующей программы CLPS с 2,6 до 4,2 миллиарда долларов, чтобы без задержек оплатить ближайшие полеты на первом этапе подготовки базы.

Для участия в новой программе CLPS 2 агентство отобрало восемь частных компаний:

• Blue Origin;
• Firefly Aerospace;
• Intuitive Machines;
• американское подразделение японской компании ispace (ispace-U.S.);
• Lockheed Martin;
• Northrop Grumman;
• SpaceX;
• Voyager Technologies.

В этот список вошли как самые старые и опытные оборонные предприятия США (Lockheed Martin и Northrop Grumman), так и новые частные компании, которые уже умеют сажать аппараты на Луну или создают тяжелые корабли (Intuitive Machines, Firefly Aerospace, SpaceX, Blue Origin).

Важно понимать, что NASA не раздало этим восьми компаниям 10 миллиардов долларов сразу. Эта сумма — верхний предел бюджета на ближайшие десять лет. Все восемь участников получили право бороться за конкретные заказы. Главное преимущество новой системы в том, что она дает NASA свободу маневра. Теперь агентство может легко менять элементы местами: если у одной компании задерживается посадочный модуль, NASA передаст груз другому участнику программы. Если не готова одна ракета, аппарат запустят на другой. Это позволяет выстроить непрерывное снабжение Луны без простоев.

Как земная копия марсохода превратится в луноход PROMISE

Будущую базу планируют строить на южном полюсе Луны. Это место выбрано по одной главной причине: там в глубоких кратерах есть огромные запасы водяного льда. Вода на Луне — самый ценный ресурс. Из нее можно получать питьевую воду для людей и кислород для дыхания внутри жилых модулей. Кроме того, если разложить воду с помощью электричества на водород и кислород, получится эффективное ракетное топливо. Заправляя корабли прямо на Луне, можно в несколько раз удешевить обратные перелеты на Землю и дальнейшие полеты в космос.

Но прежде чем строить завод по добыче воды, нужно точно узнать, где именно лежит лед, на какой глубине он находится и сколько в нем примесей. Для этого на южный полюс необходимо отправить тяжелый самоходный аппарат с буровой установкой и приборами для химического анализа грунта.

Здесь перед NASA возникла проблема со временем. Если начать проектировать и собирать большой, надежный луноход с нуля, работа займет от семи до десяти лет и потребует нескольких миллиардов долларов. К моменту, когда такой аппарат будет готов, наступит 2032 год, а разведку нужно провести гораздо раньше — еще до начала основного строительства базы.

Выход из этой ситуации Джаред Айзекман предложил еще в июне, а 7 ноября проект официально утвердили. Вместо того чтобы разрабатывать новую машину с чистого листа, инженеры возьмут уже существующий на Земле испытательный образец марсоходов Curiosity и Perseverance и переделают его для полета на Луну.

Откуда у NASA взялся запасной марсоход на Земле? Когда специалисты создают сложный аппарат для отправки на Марс, они никогда не делают его в единственном экземпляре. Параллельно с основным аппаратом всегда собирают его точную рабочую копию, которая остается на Земле в специальной лаборатории. Когда настоящий марсоход на Марсе застревает в песке, сталкивается с крупным камнем или выдает ошибку в компьютере, инженеры сначала воспроизводят эту ситуацию на земной копии. Они проверяют на ней все команды и только после этого отправляют проверенный сигнал на Марс.

Именно этот наземный испытательный аппарат NASA и решило переоборудовать в луноход. Поскольку сама колесная платформа, подвеска, компьютеры и система управления уже давно собраны и проверены годами работы, инженерам остается только подготовить машину к условиям Луны и установить на нее нужные приборы. Это экономит годы труда и сотни миллионов долларов.

Новый луноход назвали PROMISE. В переводе с английского это слово означает «Обещание», а само название сложено из первых букв официального описания задач аппарата: Polar Rover for Observation, Mapping, and In-Situ Exploration («Полярный ровер для наблюдения, картографирования и исследований на месте»). Отправить его на южный полюс Луны планируют уже в конце 2028 года.

Почему на южном полюсе Луны нужен ядерный источник энергии

Конструкция марсоходов Curiosity и Perseverance идеально подходит для южного полюса Луны по еще одной важной причине: у этих аппаратов нет солнечных батарей, они работают на ядерной энергии.

На большей части Луны день длится две земные недели, после чего на две недели наступает ночь. Днем поверхность сильно нагревается, а ночью остывает почти до минус 170 градусов и ниже. Обычные луноходы, которые получают электричество от солнечных панелей, могут работать только днем. С наступлением темноты они вынуждены отключать все приборы, чтобы не разрядить аккумуляторы, и часто выходят из строя от сильного мороза.

На южном полюсе условия для солнечных батарей еще хуже. Из-за наклона Луны Солнце там никогда не поднимается высоко над головой. Оно все время двигается вдоль самого горизонта. Любая возвышенность или край кратера отбрасывает длинные тени, а на дно глубоких впадин солнечный свет не попадает вообще никогда — там миллионы лет держится полная темнота и температура ниже минус 200 градусов.

Именно в этих темных и холодных кратерах сохранился водяной лед: в других местах Луны он давно испарился под лучами Солнца. Обычный луноход на солнечных батареях просто не сможет заехать в такой кратер — как только он окажется в тени, он потеряет источник энергии и замерзнет.

Луноход PROMISE лишен этого недостатка. Как и марсоходы, на базе которых он создан, он получает энергию от радиоизотопного генератора. Простыми словами, это защищенная капсула с радиоактивным веществом (обычно плутонием), которое при естественном распаде постоянно выделяет много тепла. Специальные элементы превращают часть этого тепла в электрический ток, а оставшееся тепло обогревает электронику и механизмы внутри корпуса.

Благодаря такой атомной батарее луноход PROMISE не зависит от Солнца. Он сможет работать круглосуточно, заезжать на дно самых темных и холодных кратеров, бурить там мерзлый грунт и искать воду и замерзшие газы (водород, метан, аммиак и другие вещества, которые легко испаряются при нагреве).

Поскольку PROMISE — тяжелая машина размером с легковой автомобиль, для его спуска на Луну нужен крупный грузовой корабль. Эту задачу NASA поручило компании Blue Origin. Она доставит луноход на своем посадочном модуле Blue Moon Mark 1. Базовая стоимость контракта на доставку составляет 94 миллиона долларов, а если компания успешно выполнит дополнительные задачи и уложится в сроки, она получит еще 140 миллионов долларов.

Перевозки между орбитами, навигация и летающие разведчики: программа VADR

Доставка тяжелого лунохода — лишь часть общей транспортной задачи. Чтобы сделать перелеты между Землей и Луной более дешевыми и частыми, NASA выделило еще около 1,3 миллиарда долларов в рамках программы VADR (программа закупки целевых и попутных запусков). Шесть отдельных заказов по этой линии получили три компании: Arrow Science and Technology, Blue Origin и Impulse Space.

Как устроена эта часть перевозок? Отправлять каждый груз с Земли прямым рейсом до самой поверхности Луны дорого и невыгодно. Гораздо удобнее разделить маршрут на участки. Сначала большая ракета-носитель поднимает с Земли сразу несколько разных аппаратов и выводит их на орбиту вокруг Земли. Для этих запусков NASA выбрало три ракеты от трех разных компаний:

• уже активно летающую ракету Falcon 9 от компании SpaceX;
• тяжелую ракету New Glenn от компании Blue Origin;
• новую ракету Terran R от компании Relativity Space.

После того как ракета вывела грузы в космос около Земли, в работу включаются специальные транспортные корабли — орбитальные буксиры (ими занимается, в частности, компания Impulse Space). Такой буксир забирает нужный груз на орбите Земли, включает свои двигатели и перевозит его к Луне, выводя на окололунную орбиту. Оттуда груз либо начинает работать как спутник, либо спускается на поверхность на посадочном модуле.

Помимо самой перевозки грузов, в контракты программы VADR включены два важных технических испытания:

1. Проверка навигации (аппарат CAPSTONE 2). На Земле любой телефон или автомобиль легко определяет свое местоположение с помощью спутников GPS. Вокруг Луны такой системы пока нет, поэтому положение каждого корабля приходится постоянно вычислять с Земли с помощью больших наземных антенн. Кроме того, притяжение Луны неоднородно: в одних местах под поверхностью залегают более плотные породы, в других — менее плотные. Из-за этого спутники на орбите Луны постепенно сбиваются с курса. Аппарат CAPSTONE 2 должен отработать систему самостоятельной навигации, которая позволит кораблям точно определять свое положение на орбите Луны без постоянных подсказок с Земли.
2. Разведка поверхности с помощью дронов MoonFall. Даже самый проходимый колесный луноход не может проехать везде: на крутых каменистых склонах кратеров или в очень рыхлой пыли колеса могут застрять, а сам аппарат — перевернуться. Чтобы осматривать такие опасные места, NASA профинансировало отправку беспилотных аппаратов MoonFall. Поскольку на Луне нет воздуха, обычные винты, как у земных квадрокоптеров, там бесполезны. Лунные дроны летают и зависают над поверхностью за счет небольших реактивных двигателей. Они могут быстро перелететь через препятствие, опуститься на дно кратера, снять местность на камеру и передать данные ученым, чтобы те решили, безопасно ли отправлять туда тяжелый луноход.

Как обеспечат связь и электричество на месте будущей базы

Даже если доставить на южный полюс Луны лучшую технику и людей, они не смогут работать без двух базовых вещей: постоянной радиосвязи и внешнего источника электричества.

С радиосвязью на южном полюсе есть серьезная природная проблема. Из-за того, что база будет находиться на самой макушке спутника, Земля для наблюдателя на полюсе всегда висит очень низко, у самого края горизонта. Пока аппарат стоит на открытой ровной площадке, его антенна «видит» Землю и может передавать сигнал напрямую. Но стоит роверу или астронавту спуститься в низину, заехать в кратер за льдом или просто оказаться за высоким холмом, как гора полностью перекроет прямую видимость Земли. Радиосигнал сквозь толщу камня не проходит, и связь мгновенно оборвется.

Чтобы связь на южном полюсе не пропадала ни на минуту, NASA заказало создание двухуровневой системы коммуникаций и энергоснабжения.

Первый уровень — космический. NASA заключило отдельный логистический контракт с компанией SpaceX. В 2028 году эта компания с помощью своей сверхтяжелой ракеты Starship выведет на орбиту вокруг Луны группу спутников связи. Эти аппараты создаются на основе тех же технологий, которые SpaceX использует в своей земной спутниковой сети интернета Starlink. Спутники будут постоянно пролетать высоко над южным полюсом и заглядывать прямо на дно глубоких кратеров. Когда луноход или астронавт внутри кратера захочет передать данные, сигнал пойдет не к горизонту, а вверх — на пролетающий спутник, а тот без помех перешлет его на Землю.

Второй уровень — наземный. На самой поверхности Луны нужно раздавать связь и электричество между жилыми модулями, роверами и буровыми установками. Прокладывать длинные тяжелые провода по камням и в условиях сильного мороза неудобно и ненадежно. Поэтому NASA выдало контракты трем компаниям — Honeybee Robotics, Redwire и Yank Technologies — на разработку деталей для наземных вышек под названием miniCAST.

Система miniCAST представляет собой компактную вертикальную мачту, которая устанавливается на возвышенности рядом с местом работ. Эта вышка выполняет сразу две задачи: вырабатывает электроэнергию (поднимая солнечные панели высоко над поверхностью, где меньше теней от рельефа) и работает как местная станция радиосвязи, объединяя всю технику вокруг базы в единую сеть.

План работ по шагам: три фазы до 2032 года

Все объявленные 7 ноября контракты и технические разработки сведены в единый график, который NASA разделило на три последовательных этапа:

• Первая фаза (продлится до 2029 года). На этом этапе вся основная работа на Луне поручена автоматическим аппаратам. Частные компании начнут регулярные рейсы по доставке грузов, SpaceX запустит вокруг Луны спутники связи на корабле Starship, аппарат CAPSTONE 2 проверит навигацию, а атомный луноход PROMISE приземлится на южном полюсе и начнет бурить грунт в поисках льда. Также в эти годы на Луне испытают первые элементы энергетических вышек miniCAST и разведывательные аппараты MoonFall.
• Вторая фаза (с 2029 по 2032 год). Когда разведка закончится и инженеры точно выберут самое удобное и богатое водой место для базы, начнется этап основного строительства. Используя уже проверенные грузовые корабли восьми компаний из программы CLPS 2, NASA начнет свозить в выбранную точку тяжелое оборудование, жилые блоки, системы жизнеобеспечения и постоянные электростанции.
• Третья фаза (начиная с 2032 года). Станция будет полностью собрана, подключена к источникам энергии и введена в рабочий режим. Начиная с этого момента база сможет принимать экипажи астронавтов для длительного проживания и регулярной работы.

Новый план NASA показывает, как именно изменился подход к освоению космоса. Агентство больше не тратит годы на то, чтобы самостоятельно спроектировать каждый грузовик, спутник связи или посадочный модуль. Вместо этого государство выступает как главный заказчик и организатор: оно ставит конкретную цель к 2032 году, выделяет понятный бюджет и распределяет задачи между частными подрядчиками. А там, где можно сэкономить время — как в случае с переделкой земной копии марсохода в луноход PROMISE, — инженеры используют уже готовые и проверенные решения. В результате к моменту высадки людей на южном полюсе Луны их будет ждать полностью подготовленная рабочая площадка со связью, навигацией, электричеством и разведанными запасами воды.