Najzimniejsze miejsca na Ziemi i najbliższe nie stoją blisko temperatury księżycowej nocy - a stworzenie bazy, która będzie w stanie ochronić osadników przed taką temperaturą, jest bardzo trudne. Myśl o skolonizowaniu Księżyca od wielu dziesięcioleci niepokoi naukowców i ludzi dalekowzrocznych. Na ekranach telewizorów i monitorach pojawiły się różne koncepcje kolonii księżycowych.
Być może kolonia księżycowa będzie następnym logicznym krokiem dla ludzkości. To nasz najbliższy sąsiad w gwiazdach, który znajduje się około 383 000 kilometrów od nas, co upraszcza obsługę zasobów. Ponadto na Księżycu występuje nadmiar helu-3, idealnego paliwa do reaktorów termojądrowych, którego na Ziemi jest bardzo mało.
Trasa do stałej kolonii księżycowej została teoretycznie nakreślona przez różne programy kosmiczne. Chiny wyraziły zainteresowanie lokalizacją bazy po drugiej stronie Księżyca. W październiku 2015 roku okazało się, że Europejska Agencja Kosmiczna i Roscosmos planują szereg misji na Księżyc w celu oceny możliwości umieszczenia stałych osad.
Niemniej jednak nasz satelita ma wiele problemów. Księżyc dokonuje jednej rewolucji w 28 ziemskich dni, a księżycowa noc trwa 354 godziny - ponad 14 ziemskich dni. Długi cykl nocny oznacza znaczny spadek temperatur. Temperatury na równiku wahają się od 116 stopni Celsjusza w dzień do -173 stopni w nocy.
Noce w świetle księżyca będą krótsze, jeśli baza znajduje się na biegunie północnym lub południowym. „Istnieje wiele powodów, dla których warto budować taką bazę na biegunach, ale oprócz godzin nasłonecznienia należy wziąć pod uwagę inne czynniki” - mówi Edmond Trollope, inżynier ds. Operacji kosmicznych w Telespazio VEGA Deutschland. Podobnie jak na Ziemi, na biegunach może być bardzo zimno.
Na biegunach księżycowych Słońce będzie poruszać się po horyzoncie, a nie po niebie, więc będziesz musiał budować panele boczne (w postaci ścian), co skomplikuje konstrukcję. Duża płaska podstawa na równiku gromadziłaby dużo ciepła, ale aby dostać się do ciepła na biegunie, trzeba budować w górę, co nie jest łatwe. „Dzięki rozsądnej lokalizacji różnice temperatur można łatwo kontrolować” - mówi Volcker Meiwald, naukowiec z Niemieckiego Centrum Lotniczego DLR.
Film promocyjny:
Duża zmienność temperatur w cyklu dziennym i nocnym oznacza, że bazy księżycowe będą musiały być zaopatrzone nie tylko w wystarczającą izolację przed mrozem i piekącym upałem, ale także w celu radzenia sobie z naprężeniami termicznymi i rozszerzalnością cieplną.
Ochrona termiczna
Pierwsze misje robotów na Księżyc, takie jak radzieckie misje na Księżycu, miały trwać jeden dzień księżycowy (dwa tygodnie na Ziemi). Lądownik misji NASA Surveyor mógłby wznowić pracę następnego dnia księżycowego. Jednak uszkodzenia komponentów w nocy często uniemożliwiały uzyskanie danych naukowych.
Łaziki księżycowe radzieckiego programu kosmicznego o tej samej nazwie, który był realizowany na przełomie lat 60. i 70., zawierały elementy ogrzewania radioaktywnego z genialnym systemem wentylacji, dzięki czemu pojazdy mogły żyć do 11 miesięcy. Łaziki księżycowe hibernowałyby w nocy i startowały razem ze słońcem, kiedy dostępna była energia słoneczna.
Jedną z opcji uniknięcia dużych wahań temperatury jest zakopanie budynku w księżycowym regolicie. Ten sproszkowany materiał pokrywający powierzchnię Księżyca ma niską przewodność cieplną i wysoką odporność na promieniowanie słoneczne. Oznacza to, że ma silne właściwości izolacyjne, a im głębsza kolonia, tym wyższa ochrona termiczna. Ponadto, ponieważ podstawa się nagrzeje, a ciepło na Księżycu jest słabo przenoszone z powodu braku atmosfery, zmniejszy to dalsze naprężenia termiczne.
O ile jednak pomysł „pogrzebania” kolonii został w zasadzie zaakceptowany z sukcesem, w praktyce będzie to niezwykle trudne zadanie. „Nie widziałem jeszcze projektu, który by sobie z tym poradził” - mówi Volcker. „Mają to być zrobotyzowane pojazdy budowlane, którymi można sterować zdalnie”.
Osadzić czy zakryć?
Inna metoda, dzięki której udało się osiągnąć pożądany rezultat, polega na samym gruncie. Penetratory zdolne do penetracji powierzchni podczas uderzenia zostały już zaproponowane (ale na mniejszą skalę) dla kilku misji księżycowych, takich jak japońska Lunar-A i brytyjska MoonLite (projekt jest obecnie opóźniony, chociaż pomysł lądowania penetracyjnego był na tyle przekonujący, że ESA zdecydowała się użyć za mechanizm szybkiego dostarczania próbek do analizy z powierzchni i podpowierzchni planety lub księżyca). Zaletą tej koncepcji jest to, że podstawa jest zakopana przy uderzeniu, co oznacza, że przed zabezpieczeniem będzie narażona na stosunkowo umiarkowane warunki termiczne.
Pozostanie jednak problem z zaopatrzeniem w energię, ponieważ typowy projekt penetracyjny oferuje tylko bardzo ograniczone opcje energii słonecznej. Istnieją również problemy związane z dużymi obciążeniami przyspieszenia kolizji i dużą dokładnością wymaganą do prowadzenia. „Siła zderzenia wymagana do zakopania konstrukcji będzie bardzo trudna do dopasowania do wymaganych funkcji bazy załogowej” - mówi Trollope.
Alternatywą byłoby wylanie księżycowego regolitu na szczyt kolonii, prawdopodobnie przy użyciu maszyn takich jak koparki hydrauliczne. Ale żeby robić to skutecznie, trzeba działać szybko.
Jeśli księżycowy regolit nie może zostać wylany na kolonię, można na nim założyć czapkę z wielowarstwowej izolacji (MLI), która zapobiegnie rozpraszaniu ciepła. Materiały termoizolacyjne MLI są szeroko stosowane w statkach kosmicznych, chroniąc je przed zimnem kosmosu.
Zaletą tej metody jest to, że pozwala ona na wykorzystanie paneli słonecznych do gromadzenia i przechowywania energii w ciągu dwutygodniowego dnia księżycowego. Ale jeśli nie zostanie zebrana wystarczająca ilość energii, trzeba będzie rozważyć alternatywne metody wytwarzania energii.
Generatory termoelektryczne mogą dostarczać kolonii energię podczas cyklu nocnego: chociaż mają niską wydajność, nie mają jednak problemów z konserwacją, ponieważ nie mają ruchomych części. Generatory termoelektryczne radioizotopowe (RTG) oferują dużą wydajność i mają bardzo kompaktowe źródło paliwa. Ale podstawa będzie musiała być osłonięta przed promieniowaniem, pozwalając jednocześnie na przenoszenie ciepła. Logistyka instalacji wyjmowalnego generatora izotopów promieniotwórczych jest pełna problemów: ryzyko będzie całe, od startu z Ziemi do lądowania na Księżycu, a także kwestie polityczne i związane z bezpieczeństwem.
Można by zastosować reaktory rozszczepialne, ale będzie z nimi jeszcze więcej problemów, w tym wymienione powyżej.
A jeśli opracowane zostaną reaktory termojądrowe, można je również wykorzystać na Księżycu, biorąc pod uwagę nadmiar helu-3. Baterie - takie jak akumulatory litowo-jonowe - również mogą się przydać, pod warunkiem że w dwutygodniowym cyklu nocnym wytwarzana jest wystarczająca ilość energii słonecznej.
Istnieje pomysł, aby zasilać stację na powierzchni podczas cyklu nocnego za pomocą satelity na orbicie, który będzie przesyłał energię za pomocą mikrofal lub lasera. Ten pomysł został zbadany 10 lat temu. Badanie wykazało, że dla dużej bazy księżycowej, wymagającej setek kilowatów energii dostarczanej z orbity przez laser o mocy 50 kilowatów, rectenna (rodzaj anteny, która przekształca energię elektromagnetyczną w stały prąd elektryczny) będzie miała 400 metrów średnicy, a na satelicie - 5 metrów kwadratowych. kilometrów paneli słonecznych. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna ma około 3,3 m2. km paneli słonecznych.
Pomimo znacznych trudności w budowaniu kolonii, która będzie musiała wytrzymać ciężki nocny cykl księżycowy, nie są one nie do pokonania. Dzięki odpowiedniej ochronie termicznej i właściwemu systemowi wytwarzania energii podczas długiej dwutygodniowej nocy moglibyśmy mieć księżycową kolonię w ciągu najbliższych dwudziestu lat. I wtedy możemy spojrzeć dalej.
