Исследовательская работа "Освоение Луны"

Освоение Луны

ОГЛАВЛЕНИЕ

Пояснительная записка……………………………………………………………………  3

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………….4

1.Лунные базы……………………………………………………………………………….4

1.1 Первые проекты лунных баз…………………………………………………………     4

1.2 Гражданские проекты лунных баз……………………………………………………   5

1.3 Лунная программа в СССР ……………………………………………………………  5

1.4 Военные проекты лунных баз ………………………………………………………….7

1.5 Использование Луны в качестве источника энергии для Земли………………………9

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………… 11

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………   11

ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………………………   12

Пояснительная записка

Тема работы «Освоение Луны»

Цель моей работы - изучить концепцию освоения Луны.

Проблема исследования  видится  в нахождении непредсказуемых источников энергии.

Предмет исследования: Луна.

Методы работы: изучение литературы, анализ, сравнение.

База исследования: поверхность Луны.

Гипотеза исследования: если использовать природные ресурсы поверхности Луны (реголит), то можно решить вопрос о новых источниках энергии и обезопасить себя от негативных воздействий на организм человека радиоактивных отходов.

Практическая значимость нашего исследования заключается в необходимости знаний о Луне для человека.

Актуальность - поиск нового  источника энергии.

ВВЕДЕНИЕ

В конце 2018 года глава «РОСКОСМОСА» Дмитрий Рогозин сообщил о новой концепции освоения Луны, по его словам, перед РФ стоит задача более масштабная, чем стояла перед США в 1970-е годы [1].  Документ этот обозначен так: «Решение Президиума Научно-технического совета Госкорпорации  «Роскосмос» и Бюро Совета Российской академии наук по космосу по вопросу: «Концепция российской комплексной программы исследования и освоения Луны». На шести страницах «Лунной концепции» до деталей расписаны все этапы покорения и освоения спутника Земли – вплоть до строительства там базы, напоминающей те, что созданы в Антарктиде. 

По его словам, сейчас стоит более масштабная задача, чем та, что была у США в семидесятые годы прошлого века. Он пояснил, что России предстоит не просто высадиться на Луне, но создать там полноценную посещаемую базу.

Ранее сообщалось, что российский космический аппарат для тестирования технологий мягкой посадки на Луну «Луна-25» будет готов к запуску в 2020 году [2].   

 Помимо этой программы будут и коммерческие исследования Луны, космический туризм. 

1.Лунные базы

1.1.Первые проекты  лунных баз

О лунных базах  люди мечтали  задолго до появления космической техники. Истории о путешествиях на Луну придумывали еще древние греки (см. Лукиан Самосатский) [3],   а первая известная идея постоянного поселения появилась уже в 17 веке. В 1640 году, в третьем издании книги Джона Уилкинса "Открытие мира на Луне или рассуждение, в котором доказывается, что эта планета, возможно, обитаема" говорилось о колониях на Луне. О лунных городах размышлял Константин Циолковский, мечтали пионеры космонавтики, а после Второй мировой войны идеи лунных баз пошли потоком. Предлагались разные проекты лунных баз.

В 1954 году фантаст Артур Кларк предложил проект лунной базы - с надувными модулями, присыпанными лунной пылью для защиты от космического излучения, ядерным реактором, планктоном, вырабатывающим кислород и электромагнитными пушками для отправки грузов на Землю.

Пионер космонавтики Герман Оберт придумывал удивительные проекты лунных вездеходов - один в виде гусеницы, другой - на одной "ноге", с гироскопической стабилизацией. Считалось,  что Луна на километры в глубину покрыта  пылью  это породило проект плавающей в пыли базы.

2.Гражданские проекты лунных баз

2.1 Лунная программа в СССР

В СССР к разработке лунной программы подходили очень серьёзно. Мы были первыми, кпто начал говорить о лунных исследованиях. Мы предложили цепочку миссий – «Луна-25», «Луна-26» и «Луна-27».Последний аппарат «Луна-24»был создан в 1976 году [1] «Планировалось создание лунных баз в том числе и подземных. Разрабатывались длительные экспедиции с опорой на базу. По поручению  С.П. Королева  в 1962 году Владимир Бармин (создателю стартовых сооружений для всех тогдашних космических ракет) создал проект  лунной базы. Проект получил названия "ДЛБ" (Долговременная Лунная База), "Звезда" и неофициальное "Барминград". Работа по проекту проходила в несколько этапов. На первом этапе район обследовался автоматами - одни зонды смотрели с орбиты, другие возвращали на Землю образцы грунта, а луноходы разведывали район будущей базы непосредственно. Затем на Луну отправлялся "лунный поезд" с четырьмя космонавтами. Модули "поезда" были выполнены на луноходных колесах с приводом на каждое колесо. Это позволяло без особых трудов собрать приземляющиеся поодиночке модули, а затем, образовав своеобразный автопоезд, совершать поездки по окрестностям. Главной научной задачей базы была лунная геология, так что удобство перемещения было очень кстати. В полный состав базы, как ожидалось, должны были войти 9 модулей. Интересно, что модули имели складную часть, которая раскрывалась уже на Луне. В развернутом виде площадь каждого модуля составляла 22,5 кв.м., а полный экипаж "Барминграда" мог составлять 9-12 человек. Конструкция частично была отработана на людях - макет блока использовался в одном из экспериментов по длительной изоляции в Институте медико-биологических проблем РАН.

Генеральный конструктор всей советской космической программы В.П. Глушко также разрабатывал проект лунной базы "Вулкан-ЛЭК", где в качестве носителя предполагалась РН "Вулкан". Линейка ракет-носителей, тяжелым вариантом которой был "Вулкан", со временем превратилась в "Энергию". В 70-х годах о  советской лунной программе, о лунных базах стали мечтать гораздо реже. Новые проекты появились уже в 90-х, нулевых и сейчас.

Для полета на Луну необходимы три основных компонента:

​- Тяжелая ракета, способная отправить груз к Луне.

- Космический корабль для межпланетных путешествий.

- Спускаемый лунный модуль.

В СССР так и не решили задачу отправки человека на Луну из-за неудачных испытаний тяжелой ракеты Н-1. Лунный модуль и космический корабль при этом успешно прошли испытания. Корабль назвали «Союз», и он до сих пор используется для доставки людей на МКС.

Новая российская лунная программа изначально строилась вокруг проекта тяжелой ракеты «Ангара-А5». Разработка линейки ракет «Ангара» на экологичном топливе (по сравнению с токсичным гептилом, на котором летают «Протоны») шла с начала 90-х годов, и за все это время «Ангара-А5» была испытана всего один раз — в 2014 году. В итоге из-за дороговизны ракеты от её эксплуатации было решено отказаться.

Внимание российских инженеров переключилось на советскую ракету «Зенит», которую создатель частной космической компании SpaceX Элон Маск как-то назвал «лучшей в мире, если не считать Falcon». «Зенит» была создана как разгонная ступень для тяжелой ракеты «Энергия», теперь же её планируют доработать и превратить в самостоятельную единицу под названием «Феникс».

У «Феникса» есть несколько преимуществ перед «Ангарой». Во-первых, её создание должно обойтись в два-три раза дешевле. Во-вторых, для «Ангары» необходимо строить отдельный стартовый стол на космодроме, «Феникс» же можно запускать как с Байконура, так и с «Морского старта» — плавучей платформы, позволяющей осуществлять запуск из океана. Это дает возможность стартовать точно с экватора, что придает ракете максимальное ускорение за счет вращения Земли.

Предполагается, что для запуска пилотируемого полета к Луне можно будет использовать несколько «Фениксов», объединенных в одну ракету-носитель. Нечто подобное пытаются реализовать и в SpaceX с ракетой Falcon Heavy, правда, её испытания откладываются уже в течение нескольких лет.

Окончательно от «Ангары» в Роскосмосе отказываться не стали — по последним данным, для неё всё же построят стартовый стол на космодроме «Восточный» с прицелом на будущие пилотируемые запуски.

Запуски к Луне должны начаться уже скоро. Первый российский автоматический лунный модуль должен отправиться к месту назначения в 2019 году в рамках миссии «Луна-25 Глоб». Предполагается, что миссия позволит отработать технологии мягкой посадки на территории Южного полюса Луны — перспективного района для основания колонии.

Уже много лет ведется разработка космического корабля нового поколения «Федерация» — он должен заменить «Союзы» и «Прогрессы» и доставить на Луну четырех российских космонавтов. Первые беспилотные запуски корабля намечены на 2021 год, а первый пилотируемый полет — на 2024 год [4].

 Но хотя советские программы «Луна» и «Луноход», а несколько позже и американская программа «Аполлон» продемонстрировали практическую осуществимость полёта на Луну (будучи при этом очень дорогостоящими проектами), они в то же время охладили энтузиазм создания лунной колонии. Это было вызвано тем, что анализ образцов пыли, доставленных космонавтами, показал очень низкое содержание в ней лёгких элементов, необходимых для поддержания жизнеобеспечения.

1.4 Военные проекты лунных баз

 Концепция космоса как "возвышенности", с которой можно безнаказанно швырять атомные бомбы на противника, вызвала всплеск военного интереса к Луне. Проект "Horizon", разрабатывавшийся в 1959 году, предполагал первую высадку военных астронавтов на Луну в 1965 году, а к концу 1966 года на Луне уже несли бы боевое дежурство 12 человек. Для создания базы 147 ракет должны были доставить на Луну 220 тонн груза, а для поддержания боеготовности требовалось 64 ракеты и 120 тонн грузов в год. В проекте даже были проработаны меры защиты от десанта советских космонавтов - на дальних подступах база должна была обороняться неуправляемыми ракетами "Дэви Крокетт", а на ближних подступах советских космодесантников  ждали бы мины "Клеймор" с модифицированными для пробития скафандров поражающими элементами.

1.5 Использование Луны в качестве источника энергии для Земли

В последние десятилетия всё чаще стали использовать альтернативные источники энергии, такие как – энергия ветра, солнечные батареи, приливные электростанции. Это говорит о том, что мы находимся на пороге серьёзного энергетического кризиса. Запасы углеводородного сырья приближаются к концу. Главным остаётся   атомная энергетика. Но опыт показал, что её страшный бич — радиоактивные отходы. Сегодня атомная энергетика занимает 7 % в энергетическом балансе, но если переложить на ее плечи обеспечение всей потребности в энергии, тем более постоянно возрастающей потребности, человечество погрязнет в радиоактивных отходах.

Идеальным решением – это использование для термоядерного синтеза, основанного на реакции с гелием-3. Но сырьё для этого есть только на Луне. Запасы гелия-3 на Луне огромны — около одного миллиона тонн. Их хватит более чем на тысячу лет [5].

Энергетическая эффективность гелия-3 также грандиозна: 1 тонна Гелия-3 заменяет 20 млн. т нефти, т. е. обеспечивает в течение года мощность порядка 10 ГВт. Чтобы обеспечить потребность всего человечества, понадобится 200 т 3Не в год, а современная потребность России — 20-30 т в год. Построение базы на  Луне нужно для того чтобы добывать Гелий-3, самое экологически чистое ядерное топливо. Общее количество Гелия-3 в атмосфере Земли оценивается всего лишь в 35 000 т. Его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) составляет несколько килограммов в год. На Земле Гелия-3 не хватает. Огромное количество гелия зарождается на Солнце, но малую его долю составляет Гелий-3, а основную массу – гораздо более часто встречающийся гелий-4.Пока данные изотопы движутся в составе «солнечного ветра» к Земле, оба изотопа претерпевают изменения. Столь драгоценный для землян Гелий-3 не достигает нашей планеты, его на Земле практически нет,  так как он отбрасывается прочь магнитным полем Земли. В то же время на Луне магнитное поле отсутствует и здесь Гелий-3 может свободно накапливаться в поверхностном слое грунта.  В лунном реголите Гелий-3 постепенно накапливался в течение сотен миллионов лет облучения солнечным ветром. Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров.  В результате тонна лунного грунта содержит 0,01 г Гелия-3 и 28 г Гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04%) значительно выше, чем в земной атмосфере. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100 000 т реголита. Следовательно, для того, чтобы добыть драгоценный изотоп, необходимо переработать огромное количество рассыпчатого лунного грунта [5].

Добыча Гелия-3 – главная надежда на решение энергетической проблемы. Ядерная реакция 3Не+D→4Не+p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T+D→4Не+n.

К этим преимуществам относится в десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведенную радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора. Нейтроны (T+D→4Не+n) глубоко проникают в окружающие конструкционные материалы, делают их радиоактивными и разрушают их. Поэтому каждые несколько лет приходится заменять конструкции и «хоронить»  радиоактивные отходы. Протоны (Ядерная реакция 3Не+D→4Не+p) не проникают глубоко вглубь и не наводят радиоактивность. Практически — это поток водорода. Поэтому материалы могут служить десятилетиями. Не возникает проблема захоронения радиоактивных отходов.  Протоны — в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии. При этом и гелий-3, и дейтерий неактивны, их хранение не требует особых мер предосторожности, а при аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю. Небольшая радиоактивность связана с побочной реакцией D + D. Но в целом реакция с Гелием-3 в 50 раз менее радиоактивна, чем реакция дейтерия с тритием. Главное преимущество Гелия-3 состоит даже не в его энергетической ценности, а в уникальной экологической  безопасности основанной на нём энергетики. Ядерная реакция может быть практически «нерадиоактивной». 

При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ, — которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса. Использование лунного Гелия-3 является новой уникальной перспективой, гигантской по своим масштабам и возможному влиянию на судьбы человечества, которая открылась взору с освоением космоса. Когда мы говорим об освоении Луны и её ресурсов, надо понимать, что нет ни одного полезного ископаемого, вообще ни одного вещества, которое было бы экономически выгодно привозить с Луны на Землю, за одним исключением Гелий-3.

Его концентрация на Луне невелика — на 100 тонн грунта приходится один грамм вещества. Однако по самым пессимистичным оценкам, на Луне его должно быть не менее 500 тысяч тонн. При нынешнем уровне потребления энергии лунных запасов хватило бы миру как минимум на пять тысяч лет [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Начинается новая «Лунная» гонка, в которой большую роль отводится азиатским странам. Китайский аппарат уже на обратной стороне Луны. В декабре 2018года станция «ЧАНЪЭ-4»отправили к Луне. В начале января аппарат сел на обратную сторону спутника Земли (такое произошло впервые в истории космонавтики) и сразу прислал фото и видео. Задачи миссии – сфотографировать поверхность обратной стороны Луны, изучить состав грунта и доставить его образцы на Землю. Кроме того, внутри аппарата находится герметичный контейнер с семенами картофеля и яйцами шелкопряда. Они нужны для проведения биологического эксперимента по созданию замкнутой экосистемы. Учёные хотят проверить, как шелкопряды будут вырабатывать углекислый газ, а растения поглощать его, выделяя кислород. Этот эксперимент – задел на будущее. В случае успеха он будет положен в основу создания развёрнутой замкнутой экосистемы для постоянного поселения на Луну [1].

При освоении Луны человечество столкнётся с рядом проблем, отличающихся от земных. На Луне нет атмосферы, это создаёт радиационную и метеоритную опасность. Во время солнечных вспышек создаётся поток протонов и других частиц, способных представлять угрозу для космонавтов. Большая проблема в рентгеновском излучении. Астронавт после 100 часов на поверхности Луны с вероятностью 10 % получит опасную для здоровья дозу (0,1 Грея) и эту дозу можно получить в считанные минуты при солнечных вспышках. Лунная пыль состоит из острых частиц, а также обладает электростатическим зарядом. В результате лунная пыль проникает везде, тем самым уменьшает срок работы механизмов, а попадая в лёгкие, - становится смертельной угрозой здоровью человека и может вызвать рак лёгких.

Луна обладает и разнообразными полезными ископаемыми, в том числе и ценными для промышленности металлами — железом, алюминием, титаном; кроме этого, в поверхностном слое лунного грунта, реголите, накоплен редкий на Земле изотоп гелий-3, который может использоваться в качестве топлива для перспективных термоядерных реакторов. Найдены в приполярных областях и на дне кратеров  залежи водяного льда.

Глубокий вакуум и наличие дешёвой солнечной энергии открывают новые горизонты для электроники, металлургии, металлообработки и материаловедения. Фактически условия для обработки металлов и создания микроэлектронных устройств на Земле менее благоприятны из-за большого количества свободного кислорода в атмосфере, ухудшающего качество литья и сварки, делающего невозможным получение сверхчистых сплавов и подложек микросхем в больших объёмах. Также представляет интерес выведение на Луну вредных и опасных производств.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРТУРЫ

1.WWW/AIF.RU №3 2019г.).

2.https://www.gazeta.ru/science/news/2018/11/02/n_12237583.shtml

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Лукиан_Самосатский

4.https://vc.ru/future/25221-moon-colony

5.https://cont.ws/@serjjio/82755

ПРИЛОЖЕНИЕ
Этапы Российского исследования Луны

    1 этап: 2019-2025 гг.

1. Использование автоматических КА «Луна-25-26-27» в рамках ФКП-2025 для решения следующих задач:

1. Апробирование посадки и работы на полярной Луне, картирование Луны с орбиты;
2. Исследование физических условий на и под поверхностью Луны (пыль, радиация первичная и вторичная, электростатические поля, подповерхностные структуры);
3. Выбор мест для будущих полигонов (баз)

2. Разработка ключевых технологий, необходимых для освоения Луны (космическая медицина, робототехника, роверы, точная посадка и пр.).
3. Начало доставки к Луне попутных малых КА с разнообразными научными задачами.
4. Начало отработки отечественной транспортной системы Земля – Луна:

1. Разработка РН сверхтяжелого класса и перспективного транспортного корабля;
2. Демонстрация возможностей создаваемых РН;
3. Демонстрация возможностей перспективного транспортного корабля в автоматическом и пилотируемом полетах.

    2 этап: 2026-2023 гг.

1. Развитие программы освоения Луны автоматическими КА в рамках систематических работ по развертыванию полигонов или баз для решения следующих задач:

1. Возврат грунта из приполярных районов Луны («Луна-28»);
2. Тяжелый луноход или начало развертывания лунной полярной базы («Луна-29»);
3. Участие в создании радиотелескопа на Луне («Луна-30»).

2. Начало международного сотрудничества по созданию полигонов.
3. Детальное исследование затененных областей Луны с орбиты и на поверхности.
4. Доставка к Луне серии КА для орбитальных исследований.
5. Подготовка к пилотируемым полетам на Луну. Реализация ключевых технологий, необходимых для ее освоения.
6. Демонстрация возможностей РН сверхтяжелого класса и перспективного транспортного корабля.
7. Осуществление пилотируемых полетов на окололунные орбиты и демонстрационных полетов пилотируемых средств на Луну.
8. Обслуживание международной окололунной станции (при ее реализации).

     3 этап: 2031-2035 гг.

1. Развертывание полномасштабных научных экспериментов на Луне:

1. Создание систем лунных автономных станций;
2. Многократный возврат грунта;
3. Создание радиотелескопа и детектора космических лучей;
4. Использование луноходов.

2. Развертывание вспомогательных средств: ретрансляторов, энергетических модулей, роботов для работы на полигонах.
3. Посадка пилотируемого комплекса на Луну. Привлечение экипажей к части работ на лунных полигонах.
4. Начало экспериментов по использованию лунных ресурсов для строительства и работы базы.
5. Международное использование лунных полигонов.

    4 этап: 2036-2040 гг.

1. Начало работы полномасштабной лунной базы (баз).
2. Доставка крупнотоннажных грузов и насыщение лунных полигонов разнообразными научными экспериментами.
3. Международное использование лунных полигонов.