До Луны и обратно: что скрывает спутник Земли

В раздобытых китайской миссией «Чанъэ‑6» образцах реголита с обратной стороны Луны обнаружили углеродные нанотрубки, которые мы можем получить только в специализированных лабораториях. Какие еще материалы и ресурсы скрывает спутник Земли и как это может изменить космонавтику?

Углеродная нанотрубка — это свернутый в цилиндр графен, одноатомный слой углерода. Обладает исключительной прочностью, высокой теплопроводностью и уникальными электронными свойствами. Благодаря этому она рассматривается как ключевой элемент технологий будущего: сверхпрочных композитов, микроэлектроники нового поколения, высокоэффективных накопителей энергии и систем теплового управления.

Симулятор пыли

Коллектив ученых Цзилиньского университета исследовал образцы, полученные летом 2024 года. «Чанъэ‑6» доставила на Землю около 1,9 кг грунта — первые в истории пробы с дальней стороны Луны. Электронная микроскопия и спектроскопия выявили в реголите графитоподобный углерод и одностенные углеродные нанотрубки. На Земле их создают в реакторах при строго контролируемых параметрах. На Луне же они сформировались сами благодаря экстремальной среде: потокам солнечного ветра и микрометеоритов, резким перепадам температуры при смене дня и ночи, а также действующим как катализаторы наночастицам железа в верхней аморфной пленке реголита.

Реголитом, смесью раздробленных пород, стекловидных частиц и космической пыли, покрыта почти вся Луна. В последние годы появились открытые базы данных с результатами десятков испытаний лунного грунта и его имитаторов. Ученые описали гранулометрический состав, прочность, деформационные характеристики, плотность, углы внутреннего трения. Эта информация важна для инженеров: планируя посадку космического аппарата, прокладку дороги или строительство экранирующего вала и купольной конструкции, можно опираться не на усредненные показатели, а на свойства грунта, характерные для конкретного района.

Российские исследователи тоже включились в эту работу. В Институте геохимии и аналитической химии РАН создали симулянт реголита, по гранулометрическому составу и механическим свойствам максимально близкий к реальному, доставленному советскими миссиями «Луна» и американским «Аполлоном» в 1970‑е. Сырьем послужили фракционированные горные породы, золы, шлаки и кварцевый песок. Компоненты подобраны так, чтобы по размеру и форме зерен получился материал, ведущий себя как настоящая лунная пыль. Симулянт применяют для испытаний посадочных модулей, буровых установок и систем передвижения космических аппаратов.

Ценная порода

По мере накопления орбитальных данных и анализа образцов ученые все точнее описывают геологию Луны. Планы колонизации спутника всерьез обсуждают в США, Китае и России, Японии и странах Европы. Исследования показывают, что в реголите и коре присутствуют потенциально важные для инфраструктуры будущей лунной станции титан- и железосодержащие оксиды, сульфиды, минералы с редкоземельными элементами и фосфором. Из них можно получать конструкционные материалы, компоненты электроники и химические реагенты прямо на месте, не дожидаясь поставок с Земли.

Дистанционные методы позволяют разведать ресурсы еще до посадки. Орбитальные аппараты с видимыми, ближними и тепловыми инфракрасными спектрометрами сканируют поверхность Луны и регистрируют в отраженном и собственном излучении характерные полосы поглощения, по которым судят о содержании веществ в породах и реголите. Это не заменит геологоразведку, но поможет выделить перспективные зоны для установки буровых комплексов и детальных исследований.

Энергия из руды

Луну рассматривают как потенциальный источник редкого и очень востребованного в промышленности и науке изотопа гелий‑3. Он нужен квантовым технологиям, медицине и энергетике — гелий‑3 может служить топливом для управляемого термоядерного синтеза. Изотоп синтезируется на Солнце и переносится солнечным ветром. На поверхности Луны гелия‑3 больше, чем на Земле: накоплению его на нашей планете мешает магнитосфера.

Общие запасы гелия‑3 на Луне оцениваются в сотни тысяч тонн, но концентрация его крайне низкая: около 0,01 г в 1 т реголита. Тем не менее некоторые компании настроены начать добычу. Так, американская Interlune разрабатывает компактные роботизированные комбайны для переработки лунного грунта, планирует демонстрационную миссию на конец 2020‑х и уже заключила предварительные соглашения о поставках гелия‑3 для квантовой криогеники и государственных программ по изотопам. Другая компания, Lunar Helium‑3 Mining, запатентовала ряд технологий добычи и переработки гелия‑3 на Луне и ведет переговоры с производителями лунных роверов о первых испытаниях на поверхности.

АЭС на небе

Чтобы колонизация Луны и добыча ресурсов не зависели от двухнедельных ночей и пылевых бурь, нужен независимый от Солнца источник энергии. Такой как атом.

В 2025 году «Роскосмос» и Китайское национальное космическое управление (CNSA) подписали меморандум о создании АЭС «Селена» на Южном полюсе Луны. Запустить станцию планируют к 2036 году. В проекте примут участие «Росатом» и Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». АЭС обеспечит работу Международной научной лунной станции.

Прототипом энергетической установки послужит компактная наземная станция «Елена‑АМ», разрабатываемая для Якутии. Жидкометаллический теплоноситель исключит необходимость в турбинах и сложном техобслуживании. Реактор мощностью около 500 кВт будет весить не больше 1,2 т и сможет работать без дозаправки 10 лет. Доставка модулей на Луну потребует трех запусков. По плану это 2033–2035 годы.

Аналогичную программу ведут в Штатах. НАСА заказало проект лунной атомной станции канадской и нескольким американским компаниям и хочет построить АЭС до 2030 года.