Луна: опять двадцать пять?

Очень часто историю первой волны освоения Луны Землей представляют как сплошную череду побед и достижений. В итоге большинство людей не знают, что если бы американский космонавт не подменил автоматическую систему посадки в критический момент, то первая высадка на Луне стала бы катастрофой. Или что несмотря на мощный технологический успех, в научном смысле первая попытка изучения Селены на месте по сути провалилась.

Почему к спутнику Земли выстроилась очередь?

Да, это не преувеличение: мощный успех космонавтики стал в то же время провалом. Высадка в экваториальных широтах Луны привела ученых к ложным выводам о том, что это сухое, безводное тело почти без легких элементов. Исходя из полученных «Аполлонами» данных (и советские аппараты серии «Луна» мало что добавили), была сформулирована гипотеза: земной спутник получился при ударе о Землю другой планеты, Тейи. Удар так раскалил выброшенное в космос вещество, что легкие элементы из него испарились.

Осваивать нечто подобное в смысле базы исключительно сложно: чтобы высадить на Селене груз в тонну, нужно запускать с Земли нечто с массой топлива в четверть тысячи тонн. То есть на безводную скалу в космосе придется тащить воздух, воду и все остальное, следовательно устройство и поддержание базы там потребует титанических усилий. А без базы другое небесное тело качественно исследовать не получится.

Сегодня мы знаем, что вывод науки тех лет, основанный на ограниченном опыте лунных высадок, был полностью ошибочным. Реальная Луна имеет как минимум сто миллиардов тонн водного льда на поверхности, и это очень консервативная оценка. Есть данные и о том, что на ней есть места с сухим льдом (СО₂). Более того, ударный зонд LCROSS даже подтвердил, что он там реально есть (как и аммиак с этиленом и даже метаном). Углекислый газ для потенциальной базы и освоения тоже весьма важен: имея его и воду, на Селене по процессу Сабатье можно получать метан, ракетное топливо, в космосе имеющее существенные преимущества перед кислородом и водородом (последний слишком легко улетучивается и требует постройки очень уж габаритных носителей).

Но знания наши, мягко говоря, неглубоки. Они получены от космических зондов (в основном индийских), которые обследовали лунную поверхность радарами — и увидели там отражение сигналов, типичное для водного льда. Радары не могут проникнуть ниже считанных сантиметров лунной пыли. Поэтому в реальности наш спутник может быть куда более богатым легкими элементами, чем мы думаем.

Более того: в свете некоторых научных открытий XXI века трудно исключать даже то, что в недрах Луны могут быть условия для возникновения жизни (или, как мы покажем ниже, поддержания жизни, занесенной с Земли). Все это нельзя толком прояснить с поверхности. Нужны посадки.

Причем важно понимать: те космические программы, которые просто попробуют воспроизвести высадки 1960-1970-х, ничего всерьез прояснить не смогут. Именно это случилось с китайской лунной программой. Да, КНР высадила там аж два лунохода, почти как СССР. Уровень исполнения, правда, был чуть другой, поэтому два лунохода XXI века, в отличие от советских полувековой давности, проехали 1,1 километра, что примерно в 50 раз меньше, чем «Луноход-1» и «Луноход-2».

Но главное не в этом: оба китайских лунохода были высажены далеко от полюсов, как их советские предшественники. Их просто не спроектировали для приполярных условий, где, например, нужно совсем иначе располагать солнечные батареи (на боку аппаратов, а не сверху), поэтому быстро перенацелить их на перспективные для изучения регионы не вышло. Так отставание в научном анализе сделало довольно дорогостоящие миссии умеренно результативными. Поэтому к нашим знаниям о том, как на Селене с водой, СО₂ и метаном, они ничего не добавили. Концептуальных сдвигов ни одна из двух высадок не дала.

Нужны принципиально иные миссии. Такие, как «Луна-25», или как высадка туда людей в этом десятилетии, которую планирует NASA, и, что более важно, SpaceX.

«Луна-25»: упрощенная советская миссия полувековой давности?

На первый взгляд первая российская лунная миссия за сорок с лишним лет выглядит очень скромной. Просто напомним: это не первая миссия с таким названием. «Луна-25» уже планировалась в 1970-х, только тогда на Селену планировали доставить «Луноход-3», который мог бы проехать по ней многие десятки километров. А что теперь?

А теперь ту «Луну-25», чтобы не путаться, переименовали в «Луну-25А», а новая несет заметно более скромный груз. Едва с десяток научных приборов общим весом 31 килограмм — и неподвижная посадочная платформа для них. Все, что смогут исследовать приборы, это то, что находится непосредственно под платформой или рядом с ней.

Довольно скромным выглядит и место посадки: 69.5450 южной широты и 43.5440 восточной долготы. Для сравнения: в нашем полушарии Земли Мурманск находится на 68-м градусе. Как же быть с массовыми утверждениями российской прессы о том, что «станция станет первой в истории, которая сядет на Южном полюсе спутника»? Никак: это просто ошибка.

Миссия непосредственно на южном полюсе — по-настоящему сложная акция. И не только чисто баллистически, но и потому, что прямая радиосвязь оттуда с Землей сложнее, а время непрерывного освещения часто может быть серьезно меньше. Дело ведь еще в том, что точность высадки на новом небесном теле часто неидеальна — возможны серьезные ошибки, квадрат посадки имеет размеры 30 на 15 километров.

А рельеф в районе реального южного полюса Луны — 90 градусов южной широты — мягко говоря, неровный. Можно сесть на край кратера, можно — в сам кратер. Если угодить прямо в наиболее глубокую его часть, то есть серьезный риск вообще остаться без солнечного света (зоны вечной тени). Взглянем на энергетическую часть «Луны-25»: 100 ватт энергопотребления там обеспечивают солнечные батареи по бортам. Посадил аппарат не там — и все, работать он уже не будет.

Российская лунная программа планирует постепенно (даже чересчур) «повышать градус», забираясь все ближе к южному полюсу. Например, «Луна-27» высадится где-то на 80-м градусе южной широты, но только в 2028 году.

Вода в неподходящем месте

Тем не менее высадка на 69-м градусе, близ кратера Богуславского, на самом деле не менее интересна, чем более высокоширотная. Дело в том, что изначально считали, что вода может быть только в вечно затененных областях Луны — в самых высоких широтах, у стенок кратеров. Однако российский прибор ЛЕНД, установленный на борту зонда NASA, неожиданно выяснил, что в действительности вода содержится и в незатененных областях высоких широт Луны — как вечная мерзлота в земном грунте сходных широт.

С научной точки зрения для многих это был очень странный вывод. Можно объяснить, что вода делает в области вечной тени: попав туда кометным путем, она останется там в виде льда практически вечно. Но вне затененных зон так не выйдет: даже если комета принесет туда лед, он должен предельно быстро испариться. Занос с льдистыми астероидами выглядит тоже невероятно: удары таких тел оставляют кратеры, в условиях Луны практически вечные. А по данным ЛЕНД вода наблюдается и там, где никаких кратеров нет.

Читатели Naked Science уже не первый год знают ответ на эту загадку: просто вода на Луне не кометного происхождения (напротив — земного). Поэтому исходно она распределена по ней сравнительно равномерно, просто в более низких широтах за миллионы и миллиарды лет из поверхностных слоев испарилась.

Но интрига здесь в том, что многие ученые продолжают считать, что лунная вода принесена кометами. Поэтому прояснение загадки лунной воды в «неподходящих местах» для российской и мировой науки имеет очень серьезное значение.

Если исходить из данных ЛЕНД, полученных с окололунной орбиты, в районе посадки «Луны-25» должно быть не менее 0,1 процента воды в верхнем метре реголита (глубже АДРОН-ЛР не достанет). Но это теория, на практике водный лед под поверхностью может быть распределен и «пятнами». С орбиты ведь непонятно, сплошной ли массив лунной «вечной мерзлоты», или островковый, как во многих регионах Земли.

По данным ЛЕНД, в верхнем метре лунного реголита высоких широт в среднем до полупроцента воды. Но данные нейтронных спектрометров затрагивают только верхний метр, наиболее уязвимый для потери воды в жаркий лунный день. Если под верхним метром концентрация воды выше, существование будущих лунных баз обещает стать куда проще.

Другой важный момент: «Луна-25» высаживается близ северной границы лунного бассейна Южный полюс — Эйткен. Это самый крупный и древний из надежно идентифицированных кратеров Солнечной системы, размером 2400 х 2050 километров. Четыре миллиарда лет назад, когда он образовался, мощный удар крупного астероида должен был выбросить из глубин Луны много древних «первичных» пород. По идее, их до сих пор должно быть немало на поверхности, и изучить их — значит серьезно приблизиться к пониманию истории образования Луны.

Тренировка на тиграх

Важно понимать: садиться на Луну очень тяжело. Индийцы, израильтяне и японцы в этом столетии уже пробовали, и все разбили посадочные аппараты о ее поверхность. Причем «повторить советские миссии» у нас тоже не выйдет: там использовалась другая техника, которую разрабатывали совсем другие инженеры. Как хорошо известно из истории техники, нельзя взять чертежи сложного изделия полувековой давности и по ним все сделать: даже рабочие чертежи с производства на практике этого не позволяют. Всегда есть множество нюансов, которые в чертежах толком не отражены, но отклонение от которых приведет к срыву задачи «в поле». В «Роскосмосе» так прямо и говорят: «За это время сменились несколько поколений инженеров. Так что полноценный опыт утрачен, и не только у нас».

Поэтому конструкция «Луны-25» в основном «с чистого листа», и вероятность ошибок там большая. Дело не только в посадке, с которой со значительной вероятностью система как раз справится. В земных экспериментах с имитаторами лунного грунта выяснилось, что уже при концентрации воды 1 процент и лунных температурах он по прочности становится как бетон. Копать его очень тяжело, и роботизированный манипулятор тоже может дать осечку.

Очень непросто будет и с другими аспектами работы. Напомним: у китайцев луноходы серьезно страдали местной ночью, когда температуры могут упасть ниже минус 170 градусов Цельсия. Чуть не так инженеры рассчитали прогрев от радиоизотопного источника энергии — и все, батареи переохладятся так, что утром аппарат уже не проснется.

Лунным днем работать тоже не сахар: российский аппарат в полдень работать не будет, потому что при плюс 130 его подвижные части могут перегреться и выйти из строя. Утро и вечер четырехнедельных лунных суток — вот и все, что ему остается. И даже в этот период без поломок удастся отработать лунный год, только если все было рассчитано исключительно хорошо.

Все это значит, что с технической стороны вызовов в «Луне-25» не меньше, чем в научной.

А что так скромно?

Наши регулярные читатели вправе задать вопрос: да, высадка на Луне сложна. Да, множество развитых держав ее не осилили. Но совершенно очевидно, что если Маск будет жив, то США в 2020-х на Луне высадятся. И у них там будет не скромный посадочный аппарат на 30 килограммов аппаратуры, а здоровенный «Старшип», который привезет несколько тонн аппаратуры. Он привезет космонавтов и технику, на которой они смогут перемещаться по Луне на высокой скорости, и буровую, которая позволит добраться до очень большой глубины.

А мы в это время планируем от «Луны-25», копающей на десятки сантиметров, перейти к «Луне-27», достигающей от силы метра где-то в 2028 году. Очевидно, что ее действия на фоне ездящих в луномобилях людях в американских скафандрах будут смотреться не впечатляюще. И, что еще более важно, научная отдача от них будет меньше: огромная грузоподъемность «Старшипа» значит, что космонавты с него и доберутся до более нижних слоев Луны и доставят грунт и водный лед оттуда для анализов на Землю. А там в лабораториях не 30 килограммов приборов, как на наших аппаратах, а многие тонны. Соответственно, и результаты анализов будут совсем другие.

Что ж, доля правды во всем этом есть. Более того: трудно исключить вариант еще более обидный. Когда в образцах с Луны найдут и следы древней (и хорошо если только древней) жизни.

Это может показаться абсурдом, потому что Луна традиционно кажется нам безжизненной. Но на самом деле абсурда здесь не так уж и много. Вспомним: Селена в высоких широтах сложена из материалов с заметным содержанием льда. Известно, что на глубинах в сотни метров там начинается зона стабильных температур. А в ряде случаев зоны с температурой выше нуля подходят к поверхности весьма близко. Например, с орбиты Луны удалось выяснить, что поверхность дна крупной лунной пещеры имеет стабильную температуру плюс 17 градусов Цельсия. Глубина видимой с орбиты части этой пещеры — 34 метра. Сочетание стабильно высокой температуры и воды — это условия, в которых многие микроорганизмы вполне процветают.

Напомним: Луна образована в основном из земного материала. Между тем не то что бактерии, но даже многоклеточные могут провести в анабиозе многие десятки тысяч лет, а затем ожить и начать размножаться. Внутри обломков, выбитых из Земли астероидами, температура (как и космическая радиация) никогда не была слишком высокой: там земные организмы могут выжить и достичь Селены до того, как потеряют жизнеспособность.

Не все ли равно, какова температура на Луне и есть ли там вода в смысле жизни? Все равно ведь атмосферы там нет, а раз ее нет, любая жидкая вода тут же выкипит, а космическая радиация разложит органические остатки любых микробов, что исключает обнаружение следов жизни в лунных условиях.

Однако не все так просто. Дело в том, что в теплом грунте, близком к водному или сухому льду, поступление определенных количеств жидкой воды из постоянно подтаивающих близких мерзлых пород вполне может продолжаться очень долго. Выкипать там особенно некуда: мешает «крышка» из лежащего сверху более сухого грунта.

Все это означает, что человек-космонавт, прилетевший на Луну на «Старшипе» и спустившийся на тросе на 34 метра в местную пещеру, имеет ненулевые шансы найти образцы со «свежими» микроорганизмами. Разумеется, это всего лишь предположение, но десять лет назад попадание жизнеспособных бактериальных спор с Мадагаскара на поверхность МКС тоже могло бы быть лишь чистым предположением — а сейчас это научный факт.

В этом смысле усилия «Роскосмоса» по изучению Луны могут показаться очень скромными. Все так. И в то же время они все равно намного лучше, чем ничего. Так что сегодняшнему запуску «Луны-25» трудно не порадоваться. Безо всяких оговорок.