За всю историю освоения космоса человек никогда не имел возможности работать на Луне. Даже астронавты миссии Аполлон 12 должны были исследовать ее поверхность всего лишь за 80 часов. Вся информация о лунной среде, которой мы сейчас обладаем, получена в ходе исследований образцов, собранных на Луне, и лунных метеоритов, найденных на Земле. Но человечество хочет знать больше. Для этого нам необходимо вновь отправиться на спутник Луны, но уже не просто в качестве временных посетителей, а в качестве исследователей, которые смогут и будут работать на поверхности Луны.

И сегодня, впервые за прошедшие 50 лет, NASA готовится к старту новой пилотируемой лунной миссии, названной в честь древнегреческой богини Артемиды. Эта миссия позволит ученым и инженерам исследовать поверхность спутника Земли, находясь на ней. Мы сможем узнать, как безопасно перемещаться по лунному реголиту, как построить инфраструктуру на поверхности Луны, и как обеспечить безопасность человека в космосе. Вот несколько основных аспектов, которые будут изучены в ходе программы Артемида.

Как сильно мы загрязняем поверхность Луны при высадке на нее?

Высадка аппарата Аполлон-11 на поверхность Луны в представлении художника. Без атмосферы выбросы космического аппарата рассеиваются очень широко
Высадка аппарата Аполлон-11 на поверхность Луны в представлении художника. Без атмосферы выбросы космического аппарата рассеиваются очень широко

Когда космический корабль опускается на поверхность Луны, он загрязняет ее водой и газами, высвобождаемыми при торможении двигателей. Астронавтам, которые будут изучать локальные запасы воды на нашем спутнике, будет трудно отличить эти «земные» загрязнители от подлинных «лунных» запасов. Помимо этого такие загрязнители могут влиять на химические анализы лунной поверхности и ее сверхтонкой атмосферы, которая называется экзосферой.

Для защиты точности научных исследований поверхности ученые обычно строят компьютерные модели и проводят лабораторные эксперименты, которые могут помочь предсказать влияние выбросов космического корабля на лунную среду. К примеру модель Прем, разработанная планетологом Парвати Прем из Университета Джона Хопкинса, позволяет предсказать загрязнение лунной среды инородными газами, выбрасываемыми космическим транспортом.

Эта модель показывает, что выбросы от небольшого космического корабля – размером с китайский аппарат Чаньэ-3 – рассеивают около 300 килограмм воды и других газов на несколько километров от места посадки. От более тяжелого транспорта область загрязнения намного больше, поэтому астронавтам придется уходить на много километров от базы, чтобы собрать чистые образцы лунного грунта.

Сейчас Прем разрабатывает новую модель для понимания того, что происходит с водой после ее попадания в лунную среду. Задерживается ли она в экзосфере и затем сдувается в космос?  Или вода осаждается в реголите? Или распространяется по поверхности?

«Мы сейчас прорабатываем различные наборы решений, в которых рассматриваем разнообразные типы взаимодействия между молекулами воды и поверхностью Луны», — говорит Прем, — «Поэтому в следующий раз при высадке на поверхность нашего спутника мы будем иметь ввиду эти наборы решений. Это поможет нам понять, какой из них наиболее точно определяет то, что случилось».

Благодаря модели Прем ученые смогут понять, как и где в будущем необходимо собирать образцы грунта и исследовать поверхность астероидов, Марса и других небесных объектов.

«Мы не пытаемся избежать загрязнений», — объясняет Прем, — «Но нам необходимо знать, как это происходит, чтобы учитывать».

Как работать с грунтом, похожим на муку для выпечки?

Фотография лунной поверхности, полученная во время миссии Аполлон-12. Отпечаток возник вследствие отскока модуля при посадке.

Лунный реголит можно сравнить с земным песком. Но между зернами песка находятся воздушные зазоры, тогда как на Луне воздуха нет, поэтому зерна реголита более сплоченные, они прилипают друг к другу, подобно муке для выпечки.

Понимание этих свойств крайне важно для будущих миссий на Луну.

«Ученым и инженерам необходимо знать, как лучше экипироваться, чтобы работать на поверхности Луны», — говорит Кристин Хартцел, профессор аэрокосмического машиностроения Университета в Мэриленде.

Кристин Хартцел в течение нескольких лет изучает грунт на Луне и астероидах, включая астероид Бенну, где сейчас работает аппарат OSIRIS-REx.

«Если вы создаете транспорт для езды по песку, вам понадобятся очень широкие покрышки, поскольку песок сжимается и сдвигается под колесами. А для шоссейного мотоцикла нам достаточно будет узких покрышек, поскольку он будет ездить по жесткой и однородной поверхности», — объясняет профессор Хартцел, — «Нам необходимо понимать, будем ли мы ездить по гравийному покрытию или по песчаным дюнам, находясь на Луне».

Реголит состоит из рыхлых горных пород, булыжников и пыли, и он покрывает всю поверхность Луны. Он отличается от песка не только большей сплоченностью. В отличие от зерен песка, которые стали круглыми в течение многовекового воздействия ветра и воды, зерна лунного грунта острые, неровные и потенциально могут изнашивать оборудование и скафандры астронавтов.

Фотография зерен реголита, взятых с поверхности Луны в ходе миссий Аполлон
Фотография зерен реголита, взятых с поверхности Луны в ходе миссий Аполлон

Помимо этого лунный грунт электростатически заряжен за счет столкновения солнечных частиц с поверхностью спутника. Поэтому зерна лунной пыли прилипают к оборудованию. На скафандрах миссий Аполлон до сих пор есть прилипшие частицы реголита.

«Мы хотим знать, что произойдет после того, как пыль перестанет левитировать. Будет ли она засорять механизмы лунного транспорта, осаждаться на оптических инстументах?» — спрашивает профессор Хартцел, — «Мы должны принять во внимание облака липкой пыли и быть готовы иметь с ними дело».

Роботизированные исследования поверхности Луны в ближайшие годы помогут ученым найти ответы на эти вопросы и подготовиться к отправке астронавтов.

Как много воды на Луне и где она?

За прошедшие десятилетия NASA получило доказательства существования воды на Луне с помощью инструментов межпланетной станции Lunar Reconnaissance Orbiter  и других космических аппаратов. Были обнаружены молекулы воды, болтающиеся в атмосфере и на поверхности, а также водяной лед на полюсах, и очень малое количество воды, запертой внутри некоторых лунных минералов.

В любой своей форме вода чрезвычайно важна. Астронавтам миссии Артемида она понадобится для питья, а также для получения из нее кислорода и водорода, которые могут использоваться для дыхания и для ракетного топлива.

Наиболее многообещающие водные резервуары на Луне находятся по всей видимости в постоянно затененных кратерах на полюсах. Но Южный лунный полюс получает достаточное количество солнечного света, поэтому именно Южный полюс выбран в качестве целевого региона миссии Артемида.

Возможные области водяного льда на полюсе Луны

Сложность заключается в том, что с помощью удаленного исследования можно обнаружить воду или ее химические компоненты лишь в тонком приповерхностном слое. Поэтому ученые пока не знают, чем является обнаруженный водяной лед: верхушкой айсберга или малой ледяной коркой. Астронавтам будущих миссий придется проводить раскопки, чтобы ответить на этот вопрос.

И это далеко не все аспекты, которые ученым необходимо рассмотреть и изучить для успешного проведения миссии Артемида. Это колоссальный труд огромного количества ученых, причем не только ученых NASA, но и специалистов других космических организаций.

О том, кто еще готов возобновить исследования ближайшего к нам небесного тела читайте в нашей статье «Исследование Луны. Вторая космическая гонка».