Инженеры и архитекторы проектируют лунные поселения

Планы колонизации Луны от НАСА и Европейского космического агентства требуют передовых систем жизнеобеспечения и защиты от космических лучей

Архитектурное бюро Skidmore, Owings & Merrill известно проектированием и разработкой башни Бурдж-Халифа, самого высокого здания в мире. Подобные знаковые сооружения – одна из специализаций компании. Но в их нью-йоркском офисе архитекторы работают над ещё более удивительным проектом – чертежами внеземных построек, первым подобным проектом для этой фирмы. Компания разрабатывает лунную базу совместно с Европейским космическим агентством (ЕКА) и MIT.

Дэниел Иноценте, ведущий дизайнер, показывает чертежи и созданные на компьютере изображения белых пухлых коконов, разбросанных по лунному ландшафту, связанных трубами переходов и окружённых роботами, солнечными панелями и астронавтами, и за всем этим с неба наблюдает знакомый голубой шар.

Эти идеи могут так и остаться нереализованными, но они помогают ЕКА продумывать возможные варианты будущего. Луна предлагает много возможностей. Планетологи хотят изучить её состав, чтобы узнать о ранней солнечной системе и происхождении Земли. Астрономы хотят построить радиотелескопы на её дальней стороне. Медицинские исследователи хотят узнать, как человеческое тело реагирует на продолжительное нахождение в низкой гравитации. Разведчики космоса хотят проверить оборудование или произвести топливо для полётов к астероидам, Марсу и далее.

Разговоры об отправке людей на Луну – впервые возникшие после окончания миссий «Аполлон» в 1970-х – недавно вновь набрали обороты. В 2016 году глава ЕКА объявил о запуске программы«Лунная деревня«, намеренно размытой идеи, вдохновляющей частных и публичных участников на совместную работу, посвящённую роботизированному и человеческому исследованию Луны. В прошлом году восемь китайских добровольцев закончили свой эксперимент, целый год проведя на базе, симулирующей лунную, под названием «Лунный дворец-1», в целях испытания систем жизнеобеспечения.

И хотя частные компании не планируют отправлять людей на Луну в ближайшее время, ракеты от SpaceX и Blue Origin могли бы значительно уменьшить стоимость такого проекта для правительств. Несколько месяцев назад вице-президент США Майк Пенс пообещал вернуть астронавтов на Луну в течение 5 лет.

Однако для обустройства людей на Луне экспертам понадобится решить некоторые, мягко говоря, проблемки. Сюда входит выживание в жёстких условиях, постройка структур из местных материалов, доведение до совершенства систем жизнеобеспечения, и решение вопроса с одним потенциально смертельным осложнением, решения для которого у нас в данный момент нет: с пылью.

Три важнейших фактора для определения места для лунного поселения, как скажет вам любой риэлтор, это: местоположение, местоположение и местоположение. В Skidmore, Owings & Merrill (SOM) решили, что наиболее привлекательно выглядит местечко на краю кратера Шеклтона рядом с южным полюсом Луны.

Существуют убедительные свидетельства того, что находящиеся в постоянной тени кратера участки поверхности содержат водяной лёд, попавший туда с древними кометами – он пригоден для питья, готовки, мытья, создания бетона и разделения на водород и кислород для получения ракетного топлива.

Но где бы они ни решили возводить постройки, космические архитекторы и инженеры сталкиваются с ограничениями, которые не волнуют обычных специалистов этого профиля. На Луне, конечно же, почти нет воздуха, поэтому любое жилище должно быть закрытым и герметичным. И если в атмосфере Земли сгорает большая часть космических камней, поверхность Луны постоянно бомбардируется микрометеоритами. В связи с этим структуры должны быть рассчитаны на такие атаки.

Гравитация примерно в 6 раз слабее земной. Это позволяет строить вытянутые структуры, но также требует больше точек опоры. Из-за слабой гравитации тяжело копать: вы давите вниз, а вас выдавливает вверх. Температуры там экстремальные, поэтому в жилищах необходимо будет обустроить мощные системы обогрева и охлаждения, а материалы, из которых они состоят, должны будут выдерживать значительное сжатие и расширение.

А ещё есть проблема радиации. Солнце постоянно испускает поток высокоскоростных протонов и электронов – солнечный ветер. И если магнитное поле Земли охраняет нас от большей его части, у Луны нет магнитного поля, поэтому все частицы сталкиваются с поверхностью. Ещё опаснее корональные выбросы массы Солнца. Во время этих событий в космос вырываются группы высокоэнергетических протонов и электронов. Сильный выброс может равняться нескольким зивертам (зиверт – единица измерения излучения) на поверхности Луны, чего достаточно для того, чтобы человек умер, если он не сможет вернуться на Землю для пересадки костного мозга. И, будто бы этих опасностей недостаточно, астронавты на Луне будут постоянно подвергаться бомбардировке космическими лучами, которые, вероятно, увеличат риск заболевания раком.

В нью-йоркском офисе SOM Иноценте рассказывает о предложении своей фирмы печатать стены вокруг коконов лунных жилищ на 3D-принтерах, и тем самым защищаться от смертельного излучения. Жильцам, долгосрочно находящимся на базе, потребуются стены толщиной до трёх метров, чтобы защититься от галактических космических лучей. Доставлять тонны цемента с Земли будет бессмысленно, поэтому астронавты применят местные ресурсы – то есть, воспользуются тем, что там уже есть.

В концепции SOM стены будут строиться из лунной почвы, которую называют реголитом, поскольку там отсутствует органика. Один из способов – 3D-печать стен, либо сразу одним куском на месте, либо по кирпичам, которые будут зацепляться друг за друга при постройке. Некоторые космические архитекторы предлагают послойно размещать цемент на основе реголита при помощи роботизированного сопла.

Но что, если жидкость в цементной смеси испарится или замёрзнет до того, как застынет цемент стены или кирпичей? Европейские исследователи совместно с архитектурным бюро Foster + Partners изучали возможность связывать жидкости и впрыскивать их так, чтобы предотвратить этот эффект, и распечатали секцию стены с использованием симулятора реголита. Однако тогда подрядчикам всё же потребуется отправлять связывающий жидкость материал или особый цементный порошок на Луну.

SOM предпочитает выдавливание расплавленного реголита через сопло на манер термоклея. Ещё один подход – спекание, или нагрев реголита выше точки плавления, чтобы он затем сплавился и застыл. В одном из проектов ЕКА под названием RegoLight исследователи концентрировали солнечный свет в мощный луч и водили им по поверхности симулятора реголита, спекая кирпичи слой за слоем. Процесс шёл медленно, а испытательные кирпичи оказались слабыми, поэтому многие исследователи считают, что выигрышной стратегией будет микроволновое спекание, использующее микроволновые печки или лучи для связи пыли. Пока что SOM исследует вариант спекания.

Для относительно невысоких жилищ реголит можно просто насыпать на металлические структуры (и оставить место для обслуживания). Ещё один, более теоретический вариант – расположить жилые модули внутри лавовых трубок Луны – крупных пустых туннелей, через которые когда-то протекал расплавленный камень.

Реголит будут использовать не только для защиты зданий, но и строительства пусковых площадок и дорог. Брент Шервуд, председатель технического комитета космической архитектуры из Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA) предлагает запекать реголитовую плитку в микроволновых печах. Космический корабль, приземляющийся на платформы, или средства передвижения, движущиеся по дорогам, вымощенным такими плитками, будут поднимать меньше пыли. Дороги также облегчат роботам передвижение по поверхности. «По сути, хочется превратить поверхность Луны в предсказуемый заводской пол, как на складе Amazon», — говорит он.

Ханна Лакк, космический архитектор из ЕКА, имеющая опыт в архитектуре и разработке текстиля, предлагает более нетрадиционное использование реголита. Им с коллегами удалось расплавить симулятор реголита и вытянуть его в нити, которыми роботы могут обвить металлические фермы, получив волокнистые коконы. Жилище, полученное таким методом изготовления, можно поместить в кратере, над которым натянута паутина, выдерживающая наваленный сверху реголит. Также они использовали робота для производства миниатюрной версии такого покрытия. В итоге многие техники использования реголита, скорее всего, будут приняты на вооружение в будущих лунных колониях.

А как будут выглядеть лунные жилые модули за этими стенами из лунного реголита? Текущие рабочие проекты SOM выросли из предложений, которые инженеры высказывали десятилетиями, обычно для куполов или цилиндров, иногда погружённых в почву полностью или наполовину.

Космические архитекторы и инженеры в основном считают, что первые жилища на Луне будут напоминать модули международной космической станции (МКС). «Технология первого поколения немного менее сексуальная» по сравнению с научно-фантастическими изображениями, говорит Хайм Бенаройя, инженер по механике и аэрокосмической технике из университета Рутгерса, автор книги «Строительство жилищ на Луне: инженерные подходы к лунным поселениям«. Первым жилищем будет некий герметичный корпус под давлением, покрытый реголитом для защиты от радиации – по сути, закопанной жестяной банкой.

Согласно Шервуду, работавшему над созданием модулей для МКС с Boeing, инженеры уже знают, как производить, испытывать, запускать и чинить подобный модуль. «Мы получили огромное количество знаний благодаря космической станции», — говорит он.

В итоге мы можем перейти на надувные модули, способные расширяться до больших объёмов, после того, как поймём, как интегрировать их с жёсткими структурами и паковать, чтобы они правильно раскладывались. Компания Bigelow Aerospace из Лас-Вегаса продала НАСА лицензии на патенты на постройку надувного модуля, который пристыковался к МКС в 2016 году для испытаний. И хотя сейчас его используют только как склад, Bigelow продолжают собирать данные о том, как он реагирует на изменения температуры, радиацию и столкновения с космическим мусором.

В своей работе с ЕКА SOM выбрала нечто среднее между консервной банкой и надувным шаром. Разрабатываемый модуль имеет примерно цилиндрическую форму и высоту в 9,5 метров. В нём есть три этажа, и вертикальное ядро, позволяющее жильцам перемещаться между ними. Три надувных части высотой совпадают с модулем и добавляют на каждом этаже жилого пространства. На нижнем уровне есть три двери, соединяющие его с соседними модулями.

В SOM пока не выбрали технологии для климатических систем, жизнеобеспечения, питания и мест отдыха персонала. Однако распространённая архитектурная практика привлечения к разработке пользователей на ранних этапах должна гарантировать, что жилище будет комфортабельным для жилья. Ларри Тупс, космический архитектор из НАСА, курирующий контракты по разработке космического жилья, говорят, что инженерам иногда нужно напоминать и о пользовательском восприятии их продукта: к примеру, переработка отходов не должна идти рядом с камбузом.

Вот о чём SOM никогда не приходилось беспокоиться при разработке Бурдж-Халифа, так это о переработке мочи. Первая лунная система жизнеобеспечения может быть «открытой», как та, что использовалась во время миссий «Аполлон»: в систему поступают кислород, еда и вода, а от отходов избавляются на месте. По подсчётам, каждому человеку потребуется от 5 до 15 тонн расходных материалов – в основном это воздух, еда и вода – в год.

Однако с большей вероятностью на первом этапе будет реализована физико-химическая система переработки отходов, как та, что используется на МКС. Космическая станция собирает мочу, сточную воду и конденсат от пота астронавтов и дыхания, фильтрует всё это и превращает в питьевую воду. Несколько сит молекулярного уровня (использующих кристаллы диоксида кремния и диоксида алюминия) удаляют из воздуха CO₂, и расщепляют электролизом воду для производствакислорода.

В проекте НАСА «Система жизнеобеспечения нового поколения» работают над новыми подходами, но «часто мы не пытаемся изобрести новую химию», — говорит Молли Андерсон, главный технолог. В основном НАСА пытается увеличивать эффективность существующих систем. Также агентству нужно облегчать оборудование, делать его более надёжным и ремонтопригодным. Что до новых игрушек, то команда тестирует прототипы компрессора для перезарядки кислородных баллонов скафандров, систему пиролиза, использующую тепло для разложения твёрдых отходов на полезные элементы, и портативные ДНК-секвенсоры для отслеживания наличия микробов на поверхностях и в воде.

Андерсон говорит, что на Луне организовать систему жизнеобеспечения проще, чем на МКС, по крайней мере, потому, что гравитация позволяет создавать нормальный душ и туалет со спуском.

Следующим шагом разработки лунных систем жизнеобеспечения будет создание биорегенеративной системы, в которой организмы в рамках жилья будут обеспечивать персонал едой, очищать воздух и воду и разлагать отходы. В рамках программы ЕКА «Альтернативная микроэкологическая система жизнеобеспечения» (MELiSSA) проводится эксперимент, в котором три крысы и водоросли живут вместе по шесть месяцев подряд. Крысы превращают кислород в CO₂, а водоросли – наоборот.

Биология, возможно, будет помогать нам даже в строительства. Лакк выращивал кирпичи из грибницы и растительных материалов, и показал, что грибок переживает и симулированную невесомость, и излучение, с которым он столкнётся на Луне. Выращиваемый на месте строительный материал потенциально сможет заменить реголит.

Мы, скорее всего, увидим гибридную систему, в которой часть еды будут привозить с Земли. Даже если учёные смогут генетически модифицировать все зерновые культуры, чтобы они выдавали все необходимые питательные вещества, астронавтам всё равно может понадобиться разнообразная еда для поддержания здоровья пищеварительной системы. Люди не захотят есть одно и то же ежедневно, а на превращение растений или водорослей в еду требуется много усилий. «Нам не хочется отправлять туда астронавтов в роли фермеров», — говорит Андерсон.

Шервуд из AIAA соглашается с необходимостью разнообразия – особенно если на Луну поедут космические туристы. «Отель не откроешь, пока в нём нельзя будет смешать мартини или приготовить омлет», — говорит он. Но нам мало известно о готовке в условиях низкой гравитации.

Чтобы люди могли жить на Луне, SOM планирует присутствие роботизированной рабочей силы. «Геодезическая съёмка, передвижение реголита, строительство, добыча ресурсов, обычное обслуживание – со всем этим лучше всего справляются не люди», — говорит Шервуд. SOM ожидает, что роботы возведут жилые помещения, и, возможно, модуль производства продуктов, и построят стены из реголита до того, как там появятся первые жители.

Однако одна трудность может оказаться смертельной как для людей, так и для машин: пыль. Миллиарды лет бомбардировка микрометеоритами измельчала поверхностный слой Луны, породив пыль, состоящую из острых и гладких осколков, в месте, где нет ни воздуха, ни воды, способных сгладить их края. Около 10-20% массы верхнего слоя реголита Луны состоит из частиц размером менее 20 мкм, что сравнимо с мелким тальком.

Эти частицы электростатически заряжаются солнечным ветром, поэтому они образуют взвешенную смесь, и прилипают ко всему, причём они слишком крохотные, чтобы их можно было заметить. Во время миссий «Аполлон» всего за несколько часов хождения по Луне пыль забила протекторы ботинок, истёрла скафандры, поцарапала линзы, уничтожила машины, забила воздушные фильтры и вызвала раздражение глаз и носов астронавтов. При вдыхании она может вызвать даже рак.

SOM предлагает организовать комнаты для избавления от пыли на входах в жилища, но даже если им удастся сделать внутренние помещения абсолютно чистыми, это не предотвратит деградацию внешнего оборудования. «Мы знаем, из чего состоит реголит, и почему он такой, какой есть, — говорит Шервуд, — но ни у кого нет ни малейшего понятия, как спроектировать надёжную систему в подобных условиях».

Добираться до Луны тяжело, а задержаться там – ещё тяжелее. Но если инженеры с архитекторами смогут преодолеть все препятствия, нас ожидает целый мир новых возможностей.