Вода на Луне и новые технологии дают новый шанс

В середине ноября 2009 года NASA сообщило, что присутствие водяного льда в кратерах у южного полюса доказано. Именно наличие воды считается важнейшей предпосылкой быстрого освоения Луны. Кроме того, вода ещё и дешёвое сырьё для производства ракетного топлива. Не исключено, что вместе с развитием новых ракетных технологий можно ожидать нового витка освоения космоса.

Что забыли на Луне США? Во-первых, энергоресурсы. Работы по термоядерному синтезу, кажется, выходят из тупика, в котором они топтались добрых 40 лет. Между тем лунный гелий-3 выглядит куда более технологичным и рентабельным топливом для реальной термоядерной энергетики, чем дейтерий-тритиевая смесь. Во-вторых, лунная база могла бы стать идеальным местом для размещения производств, в которых желательны малые уровни гравитации.

Главное, из-за чего Луна может быть полезной, — это сочетание ресурсов, достаточных для организации космических производств, и низкой гравитации, обеспечивающей дешёвый вывод произведённого на орбиту. Это делает её идеальной стартовой площадкой для дальнейшей космической экспансии и ключом к неограниченному доминированию в ближнем космосе. При этом сейчас речь идёт не столько о его дальнейшей милитаризации, сколько об индустриализации: например, орбитальные солнечные электростанции перестают быть ненаучной фантастикой.

В итоге в 2004 году президент США Джордж Буш-младший дал отмашку 108-миллиардной программе «Созвездие», предполагавшей возвращение на Луну к 2020 году. Однако с приходом демократов весь спектр бушизмов подвергся ревизии, и космическая программа в том числе.

Согласно заключению, сделанному специально созданной комиссией, выделенных денег не хватит, издержки до 2020 года превысят запланированные на 30 млрд долларов. Вместо наращивания финансирования, демократическая администрация его срезала по известным причинам. Параллельно разработки новой ракеты Ares и корабля Orion столкнулись с техническими трудностями.

Однако, похоже, космическая программа Штатов всё равно продолжит развиваться. В августе 2009 года американский Национальный исследовательский совет призвал NASA возродить Институт перспективных концепций (NIAC). При жизни эта организация занималась более чем сотней экзотических программ.

Среди них были: двигатель на антиматерии, плазменный двигатель, космический парус и многое другое. NIAC проработал с 1988 по 2007 год, после чего был закрыт из-за сокращения бюджета и смены приоритетов: на некоторое время NASA сосредоточилось на относительно близких проектах. Однако, по мнению Национального исследовательского совета, NASA теперь вновь должно подумать о будущем.

Позиция совета вполне естественна: неизбежно коренное техническое перевооружение космической отрасли. Космонавтика изменится так же, как изменилась авиация с приходом реактивных моторов. А они уже на подходе: в сентябре 2009 года американская компания Ad Astra Rockets успешно испытала самую крупную модификацию своего магнитоплазменного двигателя с переменным удельным импульсом (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket — VASIMR) VX-200.

Привычные химические ракетные двигатели обладают колоссальной удельной мощностью, но при этом страшно прожорливы. Поэтому время их работы ограниченно, а огромная часть топлива тратится на перевозку самого топлива: чтобы перебросить тонну груза с низкой земной орбиты на лунную орбиту, нужно израсходовать почти вдвое большую массу топлива и окислителя. В случае с полётом к Марсу и обратно это соотношение будет 1:9.

Электрические, напротив, ракетные двигатели — плазменные и ионные — дают ничтожную тягу, измеряемую в граммах и долях грамма, а их удельная мощность смехотворна. Однако при этом электрические двигатели примерно в 10 раз экономичнее химических.

Ограниченных запасов рабочего тела (обычно инертного газа) им хватает на тысячи дней непрерывной работы. За это время ничтожное ускорение превращается в весьма солидную итоговую скорость. Отсутствие огромной массы химического топлива резко облегчает корабли на ионном ходу, а значит, позволяет серьёзно сэкономить при их выводе на орбиту.

Компании Ad Astra Rockets удалось создать электроракетный двигатель с приемлемой мощностью (500 г) и перспективой её дальнейшего наращивания. При этом плазма ни в одной точке не соприкасается с деталями аппарата, удерживаясь электромагнитными полями, — как следствие, он сможет работать много месяцев и даже лет без деградации конструкции.

На практике это означает, например, следующее. Химический способ «подтягивания» проседающей орбиты МКС предполагает расход 7,5 тонн горючего в год. Но на 2013 год NASA планирует переложить эту работу на новую плазму, съедающую всего около 300 кг рабочего вещества (аргона) ежегодно. При этом энергию для работы двигателя станция получит от солнечных батарей. Экономия — двадцатикратная. Если всё пройдёт успешно, США смогут резко снизить расходы на содержание орбитальной группировки и соответственно её нарастить.

Использование новых двигателей позволит создать эффективную систему грузоперевозок в системе Земля — Луна. Сейчас для переправки 34 тонн полезного груза между низкой земной и лунной орбитами требуется 60 тонн топлива. Такая экономика априори ставит жирный крест на перспективах серьёзного освоения соседки.

При использовании же плазмы (пять VF-200-1) на осуществление той же задачи уйдёт 8 тонн аргона плюс бесплатная солнечная энергия — экономия в 7,5 раз. Единственный минус: перелёт будет длиться месяцами, но большинство грузов может и потерпеть. При этом речь вовсе не идёт об отдалённом будущем. По расчётам разработчиков, коммерческие версии VASIMR должны появиться на рынке в 2014 году.

Наряду с плазменными, быстро совершенствуются и классические ионные двигатели. Отдалённая ионная перспектива тоже выглядит весьма впечатляюще.

В 2006 году Европейское космическое агентство и Австралийский национальный университет успешно провели испытания экспериментального ультраионного двигателя DS4G. Скорость истечения реактивной струи у этого мотора достигла 210 км/с. Это в 60 раз выше, чем у современных химических двигателей, и в 4—10 раз больше, чем у стандартных ионных. Между тем экономичность (удельный импульс) ракетных двигателей прямо пропорциональна скорости выбрасываемой реактивной струи.

Удешевление межпланетных перевозок — это полдела. Наиболее прожорливый участок — это доставка полезной нагрузки с поверхности Земли на орбиту. Космический лифт пока дело отдалённого будущего, хотя последние испытания в ноябре 2009 года уже позволяют говорить о некотором прогрессе. Однако наряду с лифтом есть ещё ряд направлений, обещающих результат уже в весьма близкой перспективе.

Один из вариантов — протащить на участок Земля — орбита те же ионные двигатели. Пример такого подхода — трёхступенчатая система «Дирижабль к орбите» компании JP Aerospace, частично финансировавшейся Пентагоном. Первая ступень — огромный V-образный дирижабль Ascender, наполненный гелием и взлетающий с Земли.

Вторая ступень — система звёздообразных Dark Sky Station диаметром 3,2 км, парящих на высотах до 42 км. К ним и стыкуются первичные Ascender. Третья ступень — это водородный дирижабль Orbital Ascender длиной 1,8 км, который должен стартовать со станций и выходить на низкую околоземную орбиту, используя ионные двигатели. Подъём на орбиту займёт 3—9 дней. Правда, пока компании удалось добиться успеха на второй стадии проекта.

Впрочем, космические корабли состоят отнюдь не из одних двигателей. Как обстоит дело со всем остальным? Развитие вполне гражданских технологий приближает реальность достижений в космосе.

Например, обнаружение льда на Луне стало возможным в том числе и благодаря их использованию. Весь лунный эксперимент удалось втиснуть в рамки смехотворного для лунной программы бюджета (79 млн долларов). По словам вице-президента Nortrop Стивена Хиксона, конструкторы LCROSS старались «не то чтобы уж прямо закупать все детали в хозяйственных магазинах типа Home Depot, но что-то в этом духе».

Так, спектрометр ближнего инфракрасного диапазона разработчики купили в компании, которая производит эти приборы для… оперативного контроля крепости пива на пивоваренных заводах. Хотя LCROSS — это крайний случай, тенденция вполне очевидна. При этом пивной спектрометр — это ещё не самый яркий пример.

«Адская смесь» из экономических потребностей и технологических предпосылок почти готова для нового космического броска. Азиатские гиганты — Китай и Индия — явно намерены не отставать: открывающиеся перспективы слишком привлекательны, чтобы игнорировать их даже на фоне глобальных экономических неурядиц. Вопрос о том, будем ли мы участвовать в новом витке освоения Солнечной системы, относится к разряду занимательных.