Лунный лёд: хватит ли воды для больших колоний?

На дне полярных кратеров Луны вот уже четыре миллиарда лет царит абсолютная темнота. Температура в этих вечнозамёрзших впадинах не поднимается выше −163 градусов, что превращает их в идеальные «холодные ловушки»: водяной лёд в подобных условиях разрушается настолько медленно, что за миллиард лет теряет меньше миллиметра толщины. Но откуда эта вода вообще взялась — вопрос до сих пор открытый. Одни исследователи считают её наследием кометной и астероидной бомбардировки, другие указывают на возможный синтез из частиц солнечного ветра, реагирующих с лунным грунтом, третьи допускают, что часть влаги сохранилась в недрах спутника с самого момента его рождения. Оценки общих запасов разнятся радикально — от сдержанных десятков миллионов тонн до фантазийных миллиардов. Именно эта неопределённость побудила учёных задаться вопросом: а хватит ли лунной воды, чтобы прокормить крупный город?

Электричество найти проще, чем кажется

Два исследователя из Гарвард‑Смитсоновского центра астрофизики — Мартин Элвис и Джонатан Макдауэлл — задались сугубо практическим вопросом: хватит ли лунных полярных ресурсов, чтобы прокормить и снабдить энергией города численностью от ста тысяч до миллиона человек.

С электричеством, к удивлению, всё складывается довольно обнадёживающе. Кромки многих полярных кратеров освещены солнцем практически без перерывов. Установив солнечные панели на башнях высотой порядка километра, можно гарантированно генерировать около трёх гигаватт в среднем за девять десятых всего времени. Для сравнения: миллионному городу с учётом всех нужд — от освещения жилых модулей до работы заводов — требуется примерно 2,1 гигаватта. Запас мощности имеется. Более того, на Луне присутствуют запасы кремния, а значит, впоследствии часть фотовольтаических панелей можно будет изготавливать непосредственно на спутнике, не завозя каждую пластину с Земли.

Обратная сторона медали — те самые 10 % времени, когда солнце не справляется. На этот период потребуются накопители фантастической ёмкости — сотни гигаватт‑часов. Массивные аккумуляторные системы придётся доставлять с Земли: месторождений лития, пригодных для их производства на Луне, пока не найдено. Выход из тупика видится в атомной энергетике: ядерные реакторы не зависят от солнечного света и не требуют гигантских батарей. NASA уже трудится над проектом лунного реактора и намерен провести его полевые испытания в 2028-2029 годах.

Вода — бутылочное горлышко лунной колонизации

Энергетику назвать нерешаемой проблемой нельзя, а вот вода — другое дело. Она нужна не только для утоления жажды и гигиены: из неё получают кислород, и, что критически важно, она расходуется на выращивание пищи. В модель заложили потребление около 500 тонн на жителя в год — и это при условии, что лунное земледелие будет существенно экономнее земного. Основная масса уходит именно на сельскохозяйственные нужды.

За отправную точку исследователи взяли миллиард тонн лунного льда — оценку на редкость оптимистичную. Для понимания масштаба: по имеющимся данным, восемь наиболее насыщенных водой кратеров вместе содержат всего около 34 миллионов тонн. И всё же даже с гипотетическим миллиардом в распоряжении прогноз безотносительно замкнутого цикла выглядит удручающе: поселение на сто тысяч жителей исчерпает весь запас лет за двадцать, а город‑миллионник — за каких‑то два.

Однако даже при этом раскладе современный уровень технологий не позволяет поднять устойчивую численность лунной колонии выше нескольких сотен тысяч человек. Чтобы миллионный город продержался тысячу лет, утечки воды пришлось бы урезать вдесятеро — то есть довести степень регенерации выше 99,75 %. Достичь подобного значения и удерживать его на постоянной основе — задача почти нереальная.

Ситуация выглядит совершенно иначе, если перейти на многократное повторное использование водных ресурсов. Действующие технологии на борту Международной космической станции позволяют возвращать в хозяйственный оборот примерно 98 % задействованной влаги — система замкнутого цикла уже доказала свою работоспособность в космосе.

С такой степенью регенерации даже сравнительно скромный объём в миллиард тонн становится внушительным резервом: для города с населением в сто тысяч человек его хватило бы на целую тысячу лет, а для мегаполиса на миллион жителей — на целое столетие. Это кардинально меняет перспективы лунной колонизации и переводит вопрос из плоскости «хватит ли воды» в плоскость «насколько эффективно мы её используем».

Есть два перспективных пути, способных заметно ослабить водную напряжённость на Луне. Первый — внедрить вертикальные фермы: они позволяют выращивать продукты, расходуя гораздо меньше воды по сравнению с традиционными сельскохозяйственными методами, привычными для Земли. Второй вариант — организовать поставки воды с иных небесных тел.

Однако даже при высокой эффективности переработки — на уровне тех самых 98 % — миллионному городу всё равно придётся ежегодно восполнять потери за счёт внешних поставок примерно на уровне 10 миллионов тонн. Такой объём грузопотока сопоставим с крупнейшими логистическими операциями на нашей планете, а в условиях космоса задача становится ещё сложнее из‑за огромных расстояний и стоимости транспортировки.

Скрытые резервы: что если мы недооценили Луну

Не исключено, что реальные запасы лунной воды значительно превосходят всё, что удалось зафиксировать на сегодняшний день. Современные методы зондирования проникают в грунт лишь на несколько метров — максимум на несколько десятков, в зависимости от способа наблюдения. Всё, что скрыто глубже, остаётся за пределами видимости, и там теоретически могут залегать неисследованные массивы льда.

Ответ на вопрос о реальных запасах лунной воды, возможно, кроется в истории появления самого спутника. Господствующая теория мегаимпакта — столкновение молодой Земли с протопланетой Тейей порядка 4,5 миллиарда лет назад — плохо справляется с объяснением поразительного изотопного сходства нашей планеты и её спутника. Это заставило учёных предложить другие модели: либо значительно более интенсивное смешение вещества в момент столкновения, либо цепочку последовательных столкновений астероидов с Землёй, в результате которых Луна постепенно аккумулировалась без тотального плавления своего вещества. А если глобального расплава не было, то и доля воды в лунном грунте должна быть близка к земной.

В рамках этой гипотезы основные запасы воды прячутся не в тёмных кратерах, а в глубинных слоях вечной мерзлоты под приполярными районами — толща льда может уходить вниз вплоть до километра. Если научные данные подтвердят такую картину, реальные объёмы лунной воды окажутся в разы — а точнее, на несколько порядков — больше тех значений, которые следуют из традиционной модели мегаимпакта.

Тогда перспектива водного дефицита для будущих лунных баз практически исчезает: ресурсов хватит, чтобы поддерживать жизнедеятельность крупных поселений без жёстких ограничений и сверхсложных систем рециркуляции.

Итог несложен: всё определяется тем, насколько богат реальный водный баланс спутника. Если принимать в расчёт только достоверно зафиксированный лёд в полярных кратерах — колонистам предстоит режим жёсточайшей экономии и практически стопроцентная регенерация каждой капли. Если же глубоко под лунной поверхностью залегают неисследованные массивы мерзлоты — водная проблема снимается или, по крайней мере, перестаёт быть критическим барьером для колонизации.

Источник: Frontiers in Space Technologies