Сверхмалая, острая и смертоносная: лунная пыль стала главной проблемой колонизации Луны

1.00

Нет

Раньше она вдохновляла фантастов, заставляла спорить учёных и угрожала астронавтам. Сейчас тысячи людей работают над решением проблемы, которая может помешать путешествиям на Луну. Пока учёные и инженеры решают проблему — как избежать воздействия лунной пыли на колонистов.

В ноябре 2021 года NASA объявило [2] о переносе отправки людей на Луну с 2024 на 2025 год, напоминает TJournal [3]. Программа «Артемида» вернёт [4] астронавтов на спутник Земли, где они создадут небольшую колонию для изучения космического пространства. Глобальная цель проекта — построить пункт для дальнейших путешествий по Солнечной системе, например, на Марс.

В «Артемиде» участвуют многие страны Европы и частные компании. О планах колонизировать Луну заявляли [5] «Роскосмос» [6] совместно с Китайским национальным космическим управлением. Индия работает [7] над собственной пилотируемой миссией к спутнику Земли.

На эту тему: Лунный заговор США. Почему многие верят, что высадка на Луну - фейк, и как их переубедить [8]

Перед участниками новой «Лунной гонки» стоит множество вызовов — от регулярной отправки провизии своим космонавтам до походов в туалет [9] в условиях микрогравитации. Пока учёные и инженеры решают другую проблему — как избежать воздействия лунной пыли на колонистов. Она опасна и для людей, и для техники, а на борьбу с ней предстоит потратить миллионы долларов.

На фото лунная пыль похожа на земной песок. В реальности она ведёт себя иначе и гораздо опаснее. Фото NASA

Споры фантастов и доводы учёных

В 1960-х культовый писатель-фантаст Артур Кларк написал роман «Лунная пыль», где в 21 веке люди колонизировали спутник Земли и передвигались по поверхности на «пылеходах». В середине 20 века некоторые учёные и мыслители предполагали [10], что Луна покрыта десятиметровым слоем пыли.

О структуре лунного грунта спорили советские учёные. Иногда Сергею Павловичу Королёву приписывают резолюцию «Луна — твёрдая» на одном из документов. Вероятно, так упрощают записку академика, в которой он распорядился [11] рассчитывать посадку автоматических лунных модулей на твёрдую поверхность «типа пемзы».

Запуск Ranger 7. Программа беспилотных аппаратов помогла сделать вывод об относительной безопасности нахождения людей на лунной поверхности. Фото NASA

В США при подготовке высадки людей на Луну работала [12] программа «Рейнджер» — непилотируемые аппараты запускали для фотографирования и видеосъёмки поверхности. «Рейнджер 7», запущенный в июле 1964, сделал [13] высококачественные снимки и разбился о поверхность. Так стало ясно, что толщина слоя пыли достигает нескольких сантиметров.

Для NASA [14] это был успех, так как ранее аппараты либо пролетали мимо, либо разбивались, не успев передать информацию. Задача отправить астронавтов на Луну существовала с 1960-х, но у инженеров не было достоверных данных о поверхности, куда должны высадиться американцы.

Первые снимки спутника с близкого расстояния СССР получил с аппарата «Луна 9», который прилунился в феврале 1966 года. Устройства этого типа фотографировали Луну с конца 1950-х, но в основном с дистанции. Фото «Роскосмос»

Теперь NASA предстояло [15] совершить первую мягкую посадку, то есть снизить скорость при прилунении до такой, чтобы аппарат не пострадал. Первый робот системы «Сёрвейер» сел на Луну в июне 1966 года, отстав от советского аппарата «Луна 9» на несколько месяцев.

Фотографии «Сёрвейер » позволили лучше изучить свойства поверхности Луны. Фото NASA

Следующие аппараты «Сёрвейер» научились «прыгать» на несколько метров в сторону, что позволило лучше изучить грунт спутника Земли. NASA с помощью беспилотников получило тысячи фотографий, на основе которых сделали первые карты и выбрали [16] место для посадка пилотируемого аппарата.

Пыльный «Аполлон»

Параллельно беспилотной кампании развивалась [17] пилотируемая часть лунной экспедиции. В NASA не знали, будет ли пыль прилипать к скафандрам и оборудованию, как повлияет на передвижение людей и не помешает ли отстыковке посадочной ступени от взлётной.

Инженеры предполагали, что двигатели поднимут пыль при посадке, поэтому экипаж «Аполлон 11» [18] готовили к плохой видимости, а корабль снабдили множеством датчиков. Прилунение задумывалось максимально мягким, чтобы уменьшить воздействие грунта на корабль.

Лунный модуль с позывным «Орёл» на Луне. Фото NASA

При посадке Нил Армстронг и Эдвин Олдрин (сменил имя на Базз в 1988 году) заметили [19] пылевое облако на высоте 30 метров над поверхностью. Оно не блокировало обзор, но астронавты говорили, что «были сбиты с толку постоянным движением песка вокруг», из-за которого трудно фокусироваться на статичных объектах.

К моменту полёта Армстронга и Олдрина большинство теорий об опасности поверхности Луны уже опровергли. Все расчёты показывали, что место для посадки безопасно, но астронавты могли не знать точные свойства спутника из-за погрешностей при составлении карт.

Луну измерили, сравнили с другими планетами и ткнули в неё. Предубеждения (о её свойствах) умирали одно за другим. Широко распространялось мнение, что Луна представляет собой зыбучие пески. Со временем все теории отвергли и осталось беспокойство только по поводу пыли. Посадки «Сёрвейер» показали, что поверхность уплотнена и выдержит нас. Так что это была небольшая проблема. Конечно, никто не мог знать это наверняка, пока мы не прилунимся.

Базз Олдрин, астронавт

Первые люди на Луне быстро обнаружили [20], что лунная пыль очень мелкая и острая. Из-за отсутствие ветра и воды пылинки не сглаживаются, а остаются зазубренными. Адгезия настолько сильная, что астронавты «Аполлона» сравнивали прилипание пыли с ползучей субстанцией, которая покрывает ноги, руки и шлем тонким слоем мелкой пыли.

Программа [21] «Сёрвейер» и эксперименты [22] «Аполлона» помогли учёным сделать вывод, что микрочастицы как бы парят над поверхностью Луны, почти не взаимодействуя друг с другом. Постоянно образуются новые слои — метеороиды бьют по поверхности Луны, нагревают и смешивают породу, состоящую в основном из кремния.

Попытки убрать загрязнения заканчиваются глубокими царапинами на скафандрах и оборудовании. Налипание пыли на технику может вызвать её перегрев из-за активного поглощения солнечного излучения.

На фотографии хорошо видны загрязнения скафандра астронавта во время внекорабельной деятельности. Фото NASA

Для изучения свойств лунного реголита (верхнего слоя грунта) астронавты брали [23] образцы в разных местах и упаковывали их в герметичные алюминиевые контейнеры. На Землю хранилища возвращались с повреждениями — пыль царапала стенки и герметизирующие элементы.

В начале 1960-х руководство NASA опасалось космической радиации, слабой гравитации и психологических проблем астронавтов, но пыль принесла больше всего проблем. Многие астронавты вспоминали её как главную сложность на Луне.

Я думаю, что пыль, вероятно, является одним из сложнейший препятствий для нормальной работе на Луне. Я думаю, что мы можем преодолеть физиологические, физические или механические проблемы, но не пыль.

Юджин Сернан - последний побывавший [20] на Луне астронавт

Экипаж финального запуска программы «Аполлон 17» сделал ещё одно важное наблюдение. Юджин Сернан увидел [24] светящееся пылевое облако на высоте около 100 километров, которое образовывалось на линии терминатора (встречи света и тени). Подобное свечение позже подтвердили в лаборатории [25] и с помощью орбитального аппарата [26] LADEE («Исследователь лунной атмосферы и пылевого окружения»).

Положительно заряженные частицы дневной стороны сталкиваются с отрицательно заряженными частицами ночной стороны. Так электростатические поля двигают мелкую взвесь пыли, которая образует экзосферу Луны.

Грязная работа

Астронавты привозили [27] лунную пыль не только в герметичных переносках, но и на себе. В середине 1960-х, когда выводы о составе лунной пыли делали на основе фотографий, медики предложили возвращающимся экипажам проходить карантин.

В NASA опасались [28], что частицы лунной пыли могут содержать патогены, угрожающие не только людям, но и растениям. 21 день вернувшихся астронавтов держали в изоляции, поэтому встречи с журналистами, семьями и первыми лицами государства выглядели немного комично.

Во времена полётов «Аполлонов» медики не знали, навредит ли вдыхание пыли — только один прибывший жаловался [29] на боль в лёгких и описывал симптомы бронхита. Болезнь назвали лунной лихорадкой, которая не требовала терапии и прошла сама по себе.

Большинство относились к карантину скептически, но людей пугала неизвестность космоса. У властей не было специальных процедур, поэтому применили типовой сценарий после контакта с неизвестными веществами.

Изначально в NASA думали, что понадобится только чистая комната, где можно будет собрать все доступные образцы в вакуум. Позже они начали ломать над этим голову (над инопланетным заражением), говоря, что никогда не делали ничего подобного. Я думаю, что многие учёные не верили в этот риск.

Джудит Хейс, глава [30] отдела биомедицинских исследований и изучения среды в NASA

Для учёных был важен каждый грамм космического вещества, которое на себе привезли [30] астронавты, поэтому их просили не сильно чистить скафандры при возвращении на Землю. Пыль проникала в лунный, а затем и в командный модуль, где экипаж вдыхал её несколько дней на пути домой.

Астронавты сравнивали [31] запах лунной пыли с порохом. Сравнение вызывает вопросы — по составу лунная пыль не соответствует пороху, а на Земле запах исчезает. Возможно, причина во влажности, которая на Луне почти нулевая.

Подробности о влиянии лунной пыли на людей начали открываться позже, после подробного изучения свойств. Рассел Кершман, работающий патологоанатомом в NASA, рассказывал [32] о силикозе, который часто поражает шахтёров и может аналогично навредить астронавтам. Частицы лунной пыли соединяются с земными силикатами и вызывают фиброз лёгких.

Впрочем, навредить реголит может не только лёгким человека. В 2018 году появилось [33] исследование, что в лабораторных условиях лунная пыль уничтожает до 90% клеток мозга, при этом механизм её действия до конца неясен. Учёные посоветовали продумать многоуровневые системы защиты, прежде чем отправлять людей в новые экспедиции.

На эту тему: Кому принадлежит Луна и ее полезные ископаемые? [34]

Скользкие инструменты и ультразвуковой очиститель

В 1969 году «Аполлон 12» вооружили щётками, тряпками и пылесосом для борьбы с пылью. Ни один из этих методов не работал — отложения не очищались с техники и скафандров. Астронавты иронично возмущались, а Пит Конрад называл [35] происходящее «полнейшим фарсом».

Член экипажа «Аполлон 12» Алан Бин с контейнером для сбора образцов лунной пыли. Фото NASA

Впрочем, экипаж Конрада часто называют самым весёлым — они сломали камеру, наведя её на солнце, постоянно шутили [36] над невозможностью нормально работать из-за загрязнений и пронесли на борт фотографии из Playboy. Иногда им приписывают [37] возвращение на Землю голыми (в одних шлемах) из-за слишком грязных скафандров.

На Луне сложно использовать клейкую ленту, которой астронавты и космонавты многое ремонтируют на космических кораблях. Экипаж «Аполлон 17» починил [38] заднее крыло лунохода серым скотчем, но получилось у них это не с первого раза. Пыль мгновенно налипала на клейкую часть, разрывала её и скрепляемые детали не держались.

Комок пыли сломал крыло над колесом, а без него абразив летел в оборудование и в спину экипажу. Фото NASA

Сейчас опыт «Аполлона» и беспилотных миссий пытаются адаптировать сотни учёных и изобретателей. За последние 50 лет человечество освоило производство новых материалов и механизмов, которые будут либо противодействовать налипанию пыли, либо окажутся устойчивыми к её воздействию.

Разработчикам надо уложиться в жёсткие ограничения по весу оборудования и ремонтопригодности. Грузоподъёмность [39] ракеты SLS, на которой планируются полёты миссии «Артемида» — от 27 до 46 тонн в зависимости от задачи (Saturn V в 1970-е поднимала [40] до 48 тонн).

Экипаж не сможет взять много инструмента и запасных частей, поэтому важно соблюсти баланс между прочностью и лёгкостью. Инженеры работают над предотвращением налипания пыли на разные поверхности и уборкой уже осевших частиц.

Не будет какого-то одного решения для всех проблем. Для каждого материала, который будет там наверху, мы придумаем что-то особенное.

Мы используем разные наработки многих подразделений NASA.

Шерон Миллер, инженер [41] и глава [42] группы экспериментов с лунной пылью NASA

Новый лунный скафандр xEMU (Exploration Extravehicular Mobility Unit) проектируют [43] с минимальным количеством соединений типа молний, заклёпок и кнопок, чтобы пыль не проникала в них. Материалы сделают из мембраны и пропитают составом для антистатического эффекта.

Инструменты и некоторую технику обработают химией, которая имитирует [44] эффект лотоса — грязь будет как бы скользить по поверхности. Пока непонятно как долго эффект продлится и как скажется на эргономике ручного инструмента.

Бороться с уже образовавшимися загрязнениями планируют с помощью ультразвукового устройства, создающем вибрацию. «Пылесос» задумали [45] ещё в 1991 году, но план не реализовывали из-за ненадобности. В 2021 году есть несколько прототипов, один из которых разрабатывают [46] студенты по программе сотрудничества с NASA.

Там, где постоянные вибрации не сработают, учёные предлагают [41]отталкивать мелкие частицы с помощью электрического поля. Крупные, напротив, будут заряжаться и притягиваться к специальным уловителям.

Такие технологии применят в луноходах и других устройствах с вращающимися деталями, где важно не допустить скопления пыли и трудно очистить загрязнения другими методами.

Астронавт Джон Янг во время теста лунохода, названного «гран-при». Видно как сильно разлетается пыль и оседает на всех поверхностях «Ровера», особенно в районе колёс

В новой «Лунной гонке» принимают участие множество компаний и стран — у каждого участника есть наработки по борьбе с пылью. Власти ОАЭ совместно с Boeing разрабатывают [47] беспилотный луноход, колёса которого невозможно повредить реголитом.

В России работают [48] над механизмом, который позволит заходить в скафандр через собственный малый шлюз. Костюм будет как бы висеть снаружи вместе с пылевыми отложениями, а космонавт сможет сразу попасть на корабль или в жилой модуль.

NASA моделирует лунную пыль с помощью компьютеров и синтетической имитации, а Китай доставил [49] на Землю почти два килограмма лунных камней и пыли для изучения. Новые образцы из Океана Бурь отличаются от привезённых ранее, что позволит получить новые данные о пыли на поверхности Луны и лучше проработать средства защиты.

Поведение лунной пыли часто привлекает сторонников теории заговора. Их смущает [50] чёткая форма следа ботинка на фотографии, которую сделал Базз Олдрин. Якобы след вылепили на обычном песке для эффектной и запоминающейся картинки.

На Земле песок быстро осыплется, а для чёткой фигуры нужна влага, которой на Луне почти нет. Лунная пыль у поверхности держит сама себя, сцепляясь острыми гранями и статическим электричеством Фото NASA

Также скептики спорят о следах на поверхности Луны, которые должны были оставить двигатели и опоры при посадке и взлёте. Они указывают, что на фото миссий «Аполлон» модули стоят на относительно ровных площадках без признаков разлёта реголита.

Астронавты и исследователи отвечают [51], что на видео с посадкой в конце всегда есть взвесь, но из-за вакуума она быстро рассеивается, а аппараты прилуняются очень мягко, недолго двигаясь по вертикали. Взлётная ступень сначала отстреливалась пиротехникой от посадочной и только потом включался двигатель, поэтому пыль не сильно мешала астронавтам при возвращении домой.

В планируемой «Артемиде» будет другой подход. По одной версии ракеты смогут сами делать [52] стартовые площадки при посадке. Химический процесс «запечёт» поверхность Луны и она станет твёрдой.

SpaceX предлагает другой путь — при посадке заработают двигатели наверху корабля. Взлётная площадка должна быть подготовлена заранее другим экипажем. Иллюстрация SpaceX

На эту тему: NASA оприлюднила план польотів на Місяць і на Марс [53]

Новая «Лунная гонка» больше не строится на противостоянии двух государств и режимов. Сейчас в процесс вовлечены тысячи инженеров, учёных и изобретателей из разных стран и компаний. Ежегодно появляются новые технологии, которые вернут людей на Луну и, возможно, помогут попасть на Марс [54].

Пока человечество не знает помогут ли наработки по борьбе с пылью на спутнике Земли в освоении «красной планеты». У Марса есть атмосфера, а пыль совершенно отлична по составу. Для новых покорителей космоса Луна должна стать базовой станцией, откуда они отправятся к другим планетам. Вероятно, что на них они вступят со следами лунной пыли.

—

Дмитрий Новик [55], опубликовано в издании TJ [3]

На эту тему: