Лунният портал е лоша идея

Lunar Gateway концептуално изкуство. Източник: НАСА

Колкото и вълнуващо да е Канада да подаде ръка (или по-скоро роботизирана ръка) на усилията за изследване на космическото пространство на човека, проектът Lunar Gateway е още една задънена улица. Няма нужда от такава и няма никакъв финансов, нито научен смисъл.

Лунният портал, първоначално предложен от НАСА, е малка космическа станция, която ще орбитира Луната и поддържа операции в цислунарното пространство. На 28 февруари канадският премиер Джъстин Трюдо обяви, че Канада ще бъде първата нация, която официално се ангажира с проекта. Ако обаче целта е да се разшири човешкият обхват в космоса, необходимите ресурси биха били по-добре инвестирани на друго място, например в действително кацане на Луната.

Първо, за Лунния портал не е предвидена специална наука, която да не може да бъде проведена на земна орбита (например на Международната космическа станция), на лунната повърхност или със спътник. Той също така осигурява малко финансови, безопасни и инженерни предимства пред тези места.

На лунната повърхност астронавтите имат достъп до воден лед в засенчени зони, реголити, за да се предпазят от радиация и да използват като строителен материал и някаква гравитация. Нито едно от тях не присъства в орбита.

На нотата на радиацията Лунният портал ще бъде разположен извън магнитното поле на Земята. Магнитното поле отслабва и отклонява космическата и слънчевата радиация, намалявайки експозицията на астронавтите и живота на Земята. Обитателите на Лунния портал ще бъдат хронично изложени на пълния радиационен натиск. Незащитен астронавт на повърхността на Луната би получил подобна доза, но астронавтите могат да покрият сградите си в реголит или просто да живеят под земята, за да избегнат това. Ако е предвидено някакво радиационно екраниране за Лунния портал, той трябва да бъде транспортиран от Земята.

ESA концепция за лунните бази, защитени от радиация чрез защитна обвивка от реголит. Източник: Европейска космическа агенция (споделя се под CC BY-SA 4.0)

На лунната повърхност използването на местни ресурси, наличието на твърда земя и гравитацията биха позволили на жителите да изградят по-обширни повърхностни съоръжения, отколкото би било възможно за сглобяване в орбита. Космическа станция ще бъде претъпкана от необходимост, докато повърхностната основа може да бъде толкова голяма, колкото геоложка формация, като например естествена лава.

Като цяло е много по-лесно да се изгради на планета или луна, отколкото в орбита. Докато науката за строителството на тера фарма напредва, тъй като първите сгради се появиха в Месопотамия, строителството в орбита все още е в начален стадий и е много скъпо. Събранието на Международната космическа станция започна през 1998 г. и все още продължава; досега тя е струвала над 150 милиарда долара и ще продължи да нараства. Обърнете внимание, че тя обикаля около 400 километра над Земята и пътуването до и от него отнема само няколко часа.

Опитът да се събере космическа станция около Луната, на близо 400 000 километра и три дни от Земята, докато техниките за сглобяване в космоса все още са в зародиш, е лудост. Пренасянето на компонентите в лунна орбита от Земята изисква значително повече енергия, което изисква по-мощни ракети и по-голяма сложност на мисията. Това увеличава драстично финансовите разходи, риск и опасност; компонентите може да не бъдат доставени, докинг маневри могат да пропуснат, а аварии стават драстично по-опасни поради разстоянието от Земята.

Увреден от сблъсък слънчев панел на космическата станция Мир. Източник: НАСА

Вземете за пример огъня на космическата станция „Мир“ от 1997 г., който за щастие беше погасен успешно. Или да вземем друг пример от Мир същата година, когато товарен космически кораб се блъсна в него, причинявайки модул за понижаване на налягането и принуждавайки астронавтите да го запечатват. По-скорошен инцидент на Международната космическа станция е отказът на системата за отстраняване на въглероден диоксид през 2010 г., което може да доведе до задушаване на астронавтите. За щастие никой не е ранен или убит при тези аварии. Но представете си, ако тези инциденти са ескалирали извън контрол, са причинили тежки наранявания или са непоправимо повредили критичен компонент и ако безопасността е на половин седмица. Тези рискове биха били по-ниски на лунната повърхност, отколкото в орбита, където предпазването от радиация и отломки е по-лесно, гравитацията държи обектите надолу и улеснява контрола на огъня, а минералните ресурси са лесни за достъп.

Една от цитираните цели на проекта е да изследва влиянието на космическата и слънчевата радиация върху астронавтите извън защитното магнитно поле на Земята, като се подготвя за експедиции в дълбоки космически пространства до Марс и извън него. От провеждането на подобни експерименти в лунната орбита няма малка полза. Радиационни проучвания могат да се провеждат на лунната повърхност на астронавтите в умишлено незащитени местообитания (етиката на които е оставена като упражнение за читателя), докато всякакви експерименти с нулева гравитация могат да се провеждат на Международната космическа станция. Освен това астронавтите на или близо до Луната ще бъдат най-малко три дни от помощ при липса на ядрени двигателни системи. По-добре аварийните ситуации да се случват на добре оборудвана повърхностна база, отколкото на тесна орбитална станция.

Освен това всяка космическа станция или сателит изисква периодични маневри, за да се предотврати разпадането на орбитата му. Това е процес, известен като поддържане на станции. Международната космическа станция постига това чрез космически кораби, които стрелят двигателите си за кратки периоди от време, докато са докирани до нея, като руския космически кораб "Союз". За тази цел Lunar Gateway ще бъде оборудван с батерия с високомощни йонни двигатели, официално известна като Advanced Electric Propulsion System (AEPS). Финансовите разходи включват:

  1. Разходите за разработка на двигателя.
  2. Цената за транспортиране на хардуера и горивото (в случая ксенон) до лунната орбита. Необходимият хардуер включва слънчевите масиви, необходими за захранване на двигателите и топлинните радиатори, необходими за поддържането им на хладно.
  3. Разходи за поддръжка и попълване на горивото.

Всяка дългосрочна космическа станция трябва да отчита тези разходи или рискува да излезе извън планираната си орбита. Поддържането е допълнително затруднено, тъй като станцията е далеч от Земята и Луната няма да има промишлената база, необходима за поддържане на космическите станции в обозримо бъдеще. Понастоящем ползите от станция в лунна орбита не могат да оправдаят разходите.

Космическата станция също е по-уязвима от термична основа. Международната космическа станция трябва да отхвърли топлината, генерирана от космонавтите и оборудването, в космоса или да прегрее. Това се осъществява чрез охлаждащ контур на амоняк, който взима топлина от вътрешността на станцията, преминава през радиаторни панели и губи топлината в пространството чрез радиация. Радиацията е най-малко ефективният метод за отхвърляне на топлината в сравнение с конвекция и проводимост, тъй като последните двама използват материята като среда за транспортиране на топлина. Тъй като пространството е вакуум, само лъчението е жизнеспособна техника за термично управление, което прави охлаждането трудно.

Термични радиаторни панели на Международната космическа станция. Източник: НАСА

Неизправността на охладителната система е изключително опасна, както се доказва от близки повиквания на Международната космическа станция през 2007, 2012 и 2013 г .; охлаждащият контур на амоняка изтича, изтича охлаждаща течност в космоса и застрашава термичната система за управление. Ако беше разрешено на системата да продължи да губи охлаждаща течност, в крайна сметка станцията щеше да стане прекалено гореща, за да бъде обитаема. Повърхностната основа може по-ефективно да управлява топлинното натоварване, защото може да отхвърля топлината директно в земята. Това е потвърдено от изследванията на York et. Ал. в Харвардския университет, което показва, че температурата в лунните тръби от лава е по-ниска от -20 ° C.

Хората, подложени директно на вакуума на космоса, често се изобразяват като замръзващи мигновено в (лоши) научнофантастични филми. В реалния живот е много по-вероятно човек да остане на топло, като вместо това трябва да се притеснява от задушаване и силни слънчеви изгаряния. За придвижването на тази точка у дома се използват широко вакууми, за да се предотвратят топлинните загуби, като например в колби Thermos и Dewar, а всичко в пространството е заобиколено от почти перфектна.

Едно от потенциалните предимства на космическата станция е, че нейната орбита може да я държи в непрекъсната слънчева светлина и поглед към Земята. Обратно, лунната повърхностна основа може да бъде в тъмнина седмици наведнъж. Това може да се реши чрез разполагане на начални основи на полюсите. На полюсите има върхове, които са осветени от Слънцето до 94% през годината, както е открито от Лунния разузнавателен орбитър. Електрическото оборудване за производство може да бъде разположено на върхове като тези, осигуряващи почти постоянна мощност. Допълнително предимство е, че има и зони, които са в постоянна сянка, в които съществуват залежи от воден лед - за хората в космоса, вещество безкрайно по-ценно от златото.

Въпреки че може да има някаква полза от използването на Лунния шлюз като етап за лунните земевладелци, това вероятно е незначително. Цислунарният трафик вероятно няма да бъде висок в обозримо бъдеще, особено като се има предвид плътно нагласата на световните правителства да разпределят средства за космическо проучване. Архитектурите на мисиите, подобни на тази на програма Аполон, остават най-простото, възможно, най-ефективно финансово средство за превоз на хора и товари между Земята и Луната. По същество, земя и орбитър пътуват от Земята, земя пътува между повърхността и орбитата и орбитърът връща на Земята всичко, което трябва да бъде върнато. Орбитален посредник е просто ненужен.

Етапите на мисия за кацане на Аполон. Източник: НАСА

Друго предложено приложение на Lunar Gateway е като високоскоростно комуникационно реле. Това може да е защитимо в преди транзисторните времена на фон Браун, когато малка армия от техници щеше да е необходима за поддържане на вакуумните тръби, което изисква човешка близост. Въпреки това, с появата на солидна електроника, съзвездие от безпилотни комуникационни спътници ще постигне същата цел с много по-голяма ефективност и по-ниска цена.

Още едно предложено приложение използва Lunar Gateway за контрол на роботи на повърхността и за телеприсъствие. Отново няма причина това да не може да стане от Земята или от лунна повърхностна база. Поради ограничената скорост на светлината, съобщението, изпратено до Луната, ще отнеме малко повече от секунда, за да пристигне, а след това отговорът ще отнеме малко повече от секунда. В резултат роботите, контролирани от Земята, ще преживеят комуникационно изоставане от около две секунди. Въпреки това е далеч по-просто и по-евтино просто да се разработят протоколи за работа или автоматизация около забавянето на времето, отколкото да се изгради фантастична многомилиардна станция в лунната орбита. Две секунди може да е твърде дълго забавяне за междупланетна игра на Fortnite, но едва ли е толкова дълго, че да възпрепятства ефективната работа на робота за научни, инженерни и поддържащи цели.

И отново, забавянето на времето ще бъде намалено до незначителни нива чрез действие от лунна повърхностна база с наличието на комуникационни спътници.

И накрая, изследването на Луната се разглежда като полезен стъпал към Марс, като намалява енергията, необходима за напускане на земната гравитация и действа като депа за зареждане. От гледна точка на астродинамиката това е безсмислено.

Енергията, необходима за извършване на маневра в пространството, се измерва с количество, наречено delta-v; необходимата промяна в скоростта на космическите кораби. Колкото по-голям е делта-v, толкова повече гориво е необходимо за маневра. Например, за достигане на земна орбита от повърхността са необходими около 9 km / s delta-v. Изискванията за делта-v на мисия определят колко гориво трябва да носи космически кораб и колко добре трябва да изпълняват двигателите си.

Междупланетната мисия обикновено се изпълнява на три основни етапа:

  1. Изгаряне чрез инжектиране: Космическият кораб задейства двигателите си, за да влезе в траектория, която ще срещне местоназначението му (например Марс).
  2. Бряг: Двигателите на космическия кораб се изключват и той се отбива до местоназначението си. На този етап ще се появят всякакви гравитационни прашки.
  3. Изгаряне на вмъкване: Космическият кораб задейства двигателите си, за да се забави, или вместо това може да се забави, използвайки атмосферата на дестинацията (вижте аеробракинг).
Впечатление на един художник от аеробракинга на Марс Reconnaissance Orbiter. Източник: НАСА

При прехвърляне от земната орбита към марсианска орбита се изисква минимална делта-v от 3,8 km / s. Това предполага, че космическият кораб се забавя до местоназначението си, летейки през горните слоеве на марсианската атмосфера; техника, известна като аеробракинг. По същество космическият апарат се забавя, използвайки въздушното съпротивление вместо своите двигатели, като по този начин спестява гориво. Този метод е използван за успешно доставяне на сонди в орбита около планети с атмосфера, като например Марс Реконимас орбитър през 2006 г.

Ако вместо това космическият кораб стартира в лунна орбита, задейства двигателите си, за да отиде на Марс, а след това аеробарабани към марсианска орбита, той изисква минимална делта-v от само 2,9 км / с - спестяване на 24%. Това обаче пренебрегва факта, че всеки полезен товар, пътуващ от Луната до Марс, първо трябва да пътува от Земята до Луната. Луната практически няма атмосфера, с която да аеробара, така че всяко спиране трябва да се осъществи чрез изстрелване на двигателите на космическия кораб. Поради това за трансфер от Земята към лунната орбита са необходими 4,8 km / s делта-v; един космически кораб се нуждае от повече гориво, за да пътува до Луната, отколкото да достигне Марс!

В резултат на това общият минимален делта-v за изпращане на космически кораб до Луната, а след това до Марс, е абсурден 7,7 км / с, което е 102% повече енергия, отколкото е необходимо, за да го изпратите директно на Марс! С други думи, дори ако имаше танкове, пълни с безплатно гориво, обикалящи около орбитата на Луната, все пак би било по-малко скъпо, по-малко сложно и по-бързо да ги игнорирате и да отидете директно на Марс!

Единственият начин да се възползвате от спестяванията на delta-v е, ако част или целият космически кораб са били сглобени на Луната с помощта на лунни ресурси. Това обаче може да се окаже много по-скъпо и трудно от сглобяването му на Земята, като се имат предвид трудностите при експлоатация във враждебна среда без земната индустриална база и вериги за доставки. Освен това инфраструктурата, необходима за добив на лунни ресурси за производство на гориво и космически кораби, трябва първо да бъде изпратена до Луната и изградена, преди това да се случи, увеличавайки разходите още повече. Идеята, че Луната е удобно спиране по пътя към Марс и останалата част от Слънчевата система, е пълен фарс; това не прави нищо по-лесно и увеличава риска, опасността и разходите астрономически.

В обобщение, проектът „Лунен шлюз“ е - както е в момента - неразумен.

Следват проекти, които ще осигурят много по-голяма научна и технологична възвръщаемост на инвестициите. Те ще допринесат пряко за целта за разширяване на човешкия обхват в космоса, както и за осигуряване на потенциални ползи за живота на Земята. Това са ключови технологии, защото без тях хората никога няма да пътуват по-далеч от Земята от Луната.

Концепция за космически кораб на Марс, който се върти, за да осигури на екипажа си изкуствена гравитация. Източник: НАСА

Първо, изкуствената гравитация. Нулевата гравитация е показана чрез продължителния престой на Мир и Международната космическа станция, че е силно пагубен за здравето на астронавтите, като ефектите варират от мускулно-скелетната дегенерация до камъните в бъбреците. Астронавтите, които се връщат от дългия престой на Международната космическа станция, често са безпомощни при кацане и трябва да бъдат изведени от капсулата за кацане, защото мускулите им са изхабени далеч от употреба. Това е лукс, който няма да се предлага на Марс. Чрез завъртане на космическия кораб за генериране на центробежна сила и симулиране на гравитацията, тези ефекти могат да бъдат смекчени. Въпреки че това не е истинска гравитация, това ще предотврати пагубните ефекти, свързани с нулевата гравитация. Това е подобно на начина, по който човек може да напълни кофа с вода и да я развърти над главата си, без да губи капка.

Тази концепция може да бъде тествана на земна орбита със съществуващ космически кораб, като SpaceX Dragon или руска капсула Soyuz. Тя може да бъде прикрепена с вързак до мъртво тегло, като например ракета-бустер. След това, използвайки маневрените тласкачи, сглобката може да се завърти и астронавтите вътре в капсулата да изпитат псевдогравитация.

Свързана, важна област на изследване е реакцията на човешкото тяло на продължителни периоди на фракционна гравитация: Ефектите от нулата и земната гравитация са добре известни, но нищо не се знае за това, което се случва между тях. Данните, събрани от дългосрочни експерименти с фракционна гравитация, са жизненоважни за разбирането на здравните ефекти върху изследователите и колонистите в други светове. Подобни експерименти лесно биха могли да бъдат проведени на земна орбита с гореспоменатия апарат за изкуствена гравитация. Марс има 38% гравитацията на Земята, а Луната 17% - ще изчезнат ли човешките кости и мускули? Ще могат ли нашите безстрашни марсиански колонисти да посетят семейството си на Земята? Не знаем и трябва да разберем.

Впечатление на художника за превозно средство за връщане на проби от Марс, което се връща на Земята. Източник: НАСА

Второ, мисии за връщане на проби на Марс. Сонда се изпраща до Марс, събира проби и ги връща на Земята. Частта, която се връща на Земята, може да произвежда необходимото гориво за вързания към дома крак, използвайки марсианската атмосфера, намалявайки разходите за командировка. Това е техника, наречена In-Situ Resource Utilization (ISRU).

Изследванията на ISRU са планирани за марсохода 2020, който ще носи научния модул MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), който ще се опита да произведе въглероден окис и кислород от атмосферата на Марсиан. Това е потенциално жизнеспособна комбинация от гориво. Като алтернатива, сондата може да осигурява водоснабдяване на борда, което може да комбинира с марсианската атмосфера за получаване на метан и кислород чрез реакцията на Sabatier - друга потенциално жизнеспособна комбинация от гориво.

Мисията на пилотиран Марс вероятно ще използва подобна архитектурна мисия за пренасяне на хора и доставки на повърхността, производство на гориво с местни ресурси, след което връщане на хора и проби на Земята. Мисия за връщане на проба на Марс ще позволи тестване на тази архитектура в миниатюра.

Освен това сонди като Curiosity, Opportunity и Viking разчитаха на бордовите роботизирани научни пакети за анализ на проби от Марс. Аналитичният капацитет на тези сонди е силно ограничен от масовия бюджет на бустерите, които ги изпращат на Марс, ограничавайки научната възвръщаемост. Въпреки това, връщането на пробите на Земята, за да бъдат подложени на пълна ярост на земните лаборатории и експертните очи на висши човешки геолози, ще премахнат всички тези граници. Бихме научили повече за това как се е формирал Марс, как се е образувала Земята, как се е образувала Слънчевата система, как работят геоложки процеси както на Земята, така и на други планети, потенциално за абиогенезата и за това, което астронавтите могат да очакват, когато достигнат Марс.

Струва си да се отбележи, че само три години разделят първото кацане на сонда на Луната и първия отпечатък, както и че няма успешни мисии за връщане на проби от Луната преди Аполо 11.

Белгийският астронавт Франк ДеВин позира до експеримент с отглеждане на марули на Международната космическа станция. Източник: НАСА

Трето, затворени екологични системи за поддържане на живота (CELSS). Хората, пътуващи много по-далеч от Луната, като например до Марс, астероидите или външните планети, ще бъдат на месеци или години от презареждане. Рециклирането на целия въздух, вода и отпадъци е жизненоважно, независимо дали е на космически кораб или в лунна база. Такива системи дори не трябва да бъдат разработвани в космоса - те могат да бъдат тествани в лаборатории на Земята, след това да бъдат утвърдени на Международната космическа станция, като намаляват разходите за допълнително снабдяване и подобряват устойчивостта в случай на неизправност и аварийни ситуации.

Прототип космически ядрен реактор като част от програмата на НАСА Kilopower. Източник: НАСА

Четвърто, космическата ядрена енергия. Слънчевите панели ще могат да доставят енергия на Марс, но могат да бъдат деактивирани от мръсотия, атмосферни влияния или просто нощна падане. Освен това слънчевите панели стават безполезни отвъд Юпитер, тъй като Слънцето просто става твърде мрачно. Освен това базите на Луната, които не са разположени близо до полюсите, ще трябва да работят без Слънцето в продължение на седмици по време. Ядрените реактори ще осигурят на астронавтите и тяхното оборудване мощен, надежден източник на енергия. НАСА направи голям напредък в разработването на леки космически ядрени реактори, така че тази технология е на път към зрялост.

Пробно изстрелване на ядрена термична ракета през 1971 г. Източник: НАСА

Ракетите с ядрена мощност също биха улеснили пътуването в космоса, като намалят нуждите на гориво, въпреки че това не е жизненоважно за първоначалните експедиции до Луната или Марс. Заслужава да се отбележи, че САЩ успешно са тествали ядрени ракетни двигатели чрез програмата NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) още през 60-те години - едва ли е нова технология.

В заключение, Лунният портал е безсмислен полет на фантазия, който ще се провали, преди да започне, защото не е мотивиран от здрава инженерна преценка. Това е лоша инвестиция на ресурси и ще действа само за да отвлече вниманието от крайните цели на постоянното човешко присъствие на Луната, Марс и извън него.

Космическите агенции на САЩ и Канада трябва да се съсредоточат върху кацането на ботуши на Луната и изпращане на експедиции до Марс; насочени, съсредоточени усилия, като тези, ще отворят вратата за човечеството да се разшири в Космоса, а не безцелно бягане в цислунарното пространство. По-голямата възвръщаемост - и смея да кажа, слава - ще дойде от тях, отколкото от космическа станция в орбита около нея.

Успехът на програмата Аполон показва, че най-добрият маршрут често е най-простият, най-прекият; нямаше нужда от космически станции за сглобяване в орбита, нито изискваше изграждането на висококапитална космическа инфраструктура. Те ще дойдат по-късно, след като космическото пътуване стане толкова рутинно, колкото самолетният полет.

Препоръчително четене

Roving Mars (Steve Squyres): одухотворен, подробен отчет за преживяванията на главния следовател за гребците на Spirit and Opportunity. Той се задълбочава както в техническите, така и в човешките изисквания на такава мисия.

„Случаят за Марс“ (Робърт Зубрин): Предложение за архитектурата на мисията „Марс Директ“: Ефективна икономическа мисия с минимален риск с максимална възвръщаемост на Марс с визия за бъдещо проучване, постоянно присъствие, колонизация и тераформиране. Поради тези причини Mars Direct се превърна в референтната архитектурна мисия на НАСА за планираните марсиански експедиции.