Оценив, смогут ли запасы водяного льда на Луне обеспечить будущие города с населением от сотен тысяч до миллиона человек, ученые выяснили, что даже при весьма оптимистичных условиях у заселения нашего спутника есть серьезные ограничения.
На дно кратеров в полярных областях Луны солнечный свет не попадал приблизительно четыре миллиарда лет. Поскольку в некоторых таких областях температура не поднимается выше минус 163 градусов Цельсия, они действуют как «холодные ловушки». По оценкам, за миллиард лет находящийся там лед из-за сублимации может потерять менее миллиметра своей толщины.
Правда, точное происхождение лунной воды до сих пор не установлено. Ее могли доставить астероиды и кометы, часть могла образоваться при взаимодействии лунного грунта с солнечным ветром, а некоторое количество воды уже присутствовало в недрах спутника. Оценки ее запасов тоже сильно различаются.
Чтобы оценить перспективы жизнеобеспечения крупных поселений на Луне, Мартин Элвис (Martin Elvis) и Джонатан Макдауэлл (Jonathan McDowell) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (США) рассчитали потребности таких колоний в воде и энергии. Ученые рассмотрели города с населением от 100 тысяч до миллиона человек. Результаты научной работы опубликованы в журнале Frontiers in Space Technologies.
Расчеты показали, что с энергией серьезных проблем возникнуть не должно. Края некоторых полярных кратеров практически постоянно освещены солнцем. Так, башни высотой около километра с фотоэлектрическими панелями могли бы обеспечивать в среднем около трех гигаватт мощности на протяжении 90 процентов времени. Этого достаточно для города с миллионом жителей, которому с учетом бытовых и промышленных нужд потребуется примерно 2,1 гигаватта. Сами панели в перспективе можно производить на Луне — там есть необходимый для этого кремний.
Однако оставшиеся 10 процентов времени солнечного света будет недостаточно, поэтому городу понадобятся аккумуляторы емкостью в сотни гигаватт-часов. Такие системы будут иметь огромную массу, а доставлять их, скорее всего, придется с Земли: доступных запасов лития для производства на самом нашем спутнике пока не нашли. Все это заметно усложняет снабжение крупной колонии только за счет солнечной энергии.
Альтернативой могут стать атомные электростанции, которым солнечный свет и столь крупные накопители энергии не нужны. NASA уже разрабатывает ядерный реактор для длительной работы на поверхности Луны и испытает его в 2028-2029 годах.
Главным ограничением оказалась вода. Помимо питья и бытовых нужд, она понадобится для производства кислорода и, прежде всего, выращивания пищи. С учетом этого исследователи заложили в расчеты около 500 тонн на человека в год. Основная часть этого объема приходится на сельскохозяйственные нужды, причем ученые уже исходили из того, что выращивать растения на Луне будут более экономными способами, чем на Земле.
Для расчетов взяли миллиард тонн лунной воды (весьма щедрая оценка). Между тем суммарное содержание воды в восьми кратерах, которые считаются наиболее богатыми летучими веществами, оценивают примерно в 34 миллиона тонн. Но даже если предположить наличие миллиарда тонн воды, без ее переработки город с населением 100 тысяч человек исчерпает запас примерно за 20 лет, а город-миллионник — всего за два года.
Изменить ситуацию поможет повторное использование воды: на Международной космической станции, например, удается вернуть в оборот примерно 98 процентов. При такой эффективности миллиарда тонн хватило бы городу с 100 тысячами жителей примерно на тысячу лет, а с миллионом — на столетие. Однако при нынешних технологиях население гипотетической лунной колонии ограничится несколькими сотнями тысяч человек.
Чтобы город-миллионник мог существовать на спутнике тысячу лет, потери воды пришлось бы сократить примерно в 10 раз по сравнению с нынешним уровнем на МКС, то есть эффективность переработки должна превышать 99,75 процента. Правда, добиться такого показателя и постоянно поддерживать его будет сложно.
Одно из возможных решений — сокращение расхода воды. Вертикальные фермы, к примеру, могут потреблять значительно меньше воды, нежели традиционное сельское хозяйство. Воду также можно доставлять с других небесных тел. Но для миллионного города даже при 98-процентной переработке ежегодно придется привозить около 10 миллионов тонн воды.
Может оказаться и так, что воды на Луне больше, чем удалось обнаружить до сих пор. Существующие методы позволяют исследовать грунт на глубине от нескольких метров до нескольких десятков метров в зависимости от способа наблюдений. Значит, глубже могут скрываться пока неизвестные запасы льда.
Многое зависит и от происхождения самой Луны. Согласно гипотезе гигантского столкновения, примерно 4,5 миллиарда лет назад Земля столкнулась с протопланетой Тейей, а из выброшенного вещества сформировался спутник. Но первоначальная версия этой модели плохо объясняла, в частности, большое сходство изотопного состава Земли и Луны.
Отсюда возникли другие сценарии — например, более мощное столкновение, при котором вещество Земли и Тейи перемешалось сильнее, — а также гипотеза о множестве последовательных ударов астероидов о Землю, постепенно собравших Луну без расплавления ее материала, неизбежного при мегаимпакте. Раз нет расплавления, и количество воды в лунном материале должно быть сравнимо с земным.
В таком сценарии вода на земном спутнике находится в основном не в холодных ловушках кратеров вечной тени, а в вечной мерзлоте, уходящей в приполярных зонах на глубину до километра. Если эта гипотеза верна, общий объем лунной воды на несколько порядков больше, чем в теории мегаимпакта, а причин беспокоиться о водном дефиците у будущих лунных поселений, скорее всего, нет.
Таким образом, выводы авторов научной работы зависят от того, сколько воды на самом деле скрывает Луна. Если ее запасы ограничены уже известным льдом в полярных кратерах, крупным поселениям придется крайне бережно расходовать и почти полностью перерабатывать воду. Если же значительные запасы льда существуют глубже под поверхностью, проблема водного дефицита может оказаться не настолько острой.
Автор: Любовь Соколова