В ближайшие годы NASA и другие космические агентства планируют расширить возможности исследования человеком. Это будет включать создание инфраструктуры на Луне, которая позволит регулярно отправлять пилотируемые миссии. Эта инфраструктура позволит NASA и его международным партнерам сделать следующий большой скачок, отправив пилотируемые миссии на Марс (не ранее 2039 года). Поскольку миссии работают так далеко от Земли в течение длительных периодов, возможности для пополнения запасов будут редкими и редкими. В результате экипажам придется полагаться на использование ресурсов на месте (ISRU), когда местные ресурсы используются для удовлетворения основных потребностей.
Помимо воздуха, воды и строительных материалов, важна способность создавать топливо из местных ресурсов. Согласно нынешней архитектуре миссии, она будет заключаться в сборе водяного льда в полярных регионах и его разрушении для создания жидкого кислорода (LOX) и жидкого водорода (LH).2). Однако, согласно новому исследованию, проведенному инженерами из Университета Макгилла, ракетное топливо можно изготавливать и из лунного реголита. Их выводы могут предоставить новые возможности для будущих миссий на Луну, которые больше не будут ограничиваться полярными регионами.
Исследовательскую группу возглавил Себастьян К. Хэмпл, кандидат наук в области машиностроения в Университете Макгилла и часть Лаборатории альтернативных видов топлива. К нему присоединились многочисленные коллеги из Департамента машиностроения Университета Макгилла, а также исследователи из Департамента аэрокосмической и машиностроительной инженерии Техасского университета в Эль-Пасо, Исследовательского института передовых материалов в Сеуле и Технологического университета Эйндховена в Нидерландах. Их статья «Концептуальное проектирование ракетных двигателей с использованием топлива, полученного из реголита», недавно появилась в Акта Астронавтика.
Производство топлива из лунных ресурсов — одна из нескольких мер, призванных снизить стоимость миссий в дальний космос. В то время как миссии по пополнению запасов на Международную космическую станцию (МКС) могут быть организованы в течение нескольких часов, отправка одной из них на Луну займет около трех дней. Исходя из текущих затрат на запуск, отправка одного из них на Луну обойдется более чем в 35 000 долларов за кг (15 909 долларов за фунт). Если учесть время, необходимое для совершения транзита на Марс в одну сторону с использованием нынешних двигательных технологий – от 6 до 9 месяцев – важность ISRU становится еще более очевидной.
Необходимость производства топлива на месте также снизит требования к массе и полезной нагрузке кораблей. Как установлено в уравнении ракеты, ракеты генерируют тягу, выбрасывая часть своей массы (т. е. топливо). Количество топлива напрямую связано с полной массой и полезной нагрузкой космического корабля, что делает топливо единственным наибольшим источником массы космического корабля. Рассмотрим вариант Block 1 системы космических запусков NASA (SLS) — ракета отправила беспилотный Артемида I космический корабль за пределами Луны и дальше от Земли, чем любой корабль с экипажем в истории.
В то время как SLS весит 1588 метрических тонн (3,5 миллиона фунтов) без топлива (так называемая сухая масса), он весит до 2603 метрических тонн (5,74 миллиона фунтов) с полным топливом. Звездолет и сверхтяжелыйсамая мощная система запуска в мире, имеет общую сухую массу 285 метрических тонн (~630 000 фунтов), но весит колоссальные 4885 метрических тонн (10,77 миллионов фунтов) полностью заправленной. Короче говоря, масса топлива составляет 64% и 94% от массы запуска этих космических аппаратов соответственно. Как Хэмпл объяснил Universe Today по электронной почте:
«Нам необходимо производить ресурсы локально, поскольку они занимают много места с точки зрения полезной нагрузки на ракете. Это ограничивает количество ресурсов, которые мы можем доставить на лунную поверхность. Без дозаправки дальность полета очень ограничена, поскольку каждая капля топлива должна быть предусмотрена в бюджете, и если что-то пойдет не так, и потребуется дополнительное топливо, астронавты могут не вернуться обратно на Землю. Систему, которую мы сейчас имеем, можно сравнить с автомобильной инфраструктурой, где вы можете заправиться только в одном месте на всем земном шаре, и любая «исследовательская миссия», которую вы хотите выполнить, должна быть тщательно спланирована, и каждая ошибка может поставить вас в затруднительное положение».
Концепция ISRU проверена временем, хотя в эпоху Аполлона, когда астронавты в последний раз находились на поверхности Луны, никаких попыток не предпринималось. В настоящее время основная концепция ISRU предусматривает сбор водяного льда из поверхностного реголита и его электролиз для получения водорода и кислорода. Но, как указал Хэмпл, поверхностные воды локализованы на Луне и существуют в постоянно затененных регионах (PSR) вокруг полюсов. В бассейне Южный полюс-Эйткен такие кратеры, как Шумейкер, Шеклтон и Фаустини, действуют как «холодные ловушки», гарантируя, что водяной лед не сублимируется под воздействием Солнца.
Кроме того, добыча водорода является сложной задачей, а хранение водорода в течение более длительных периодов времени очень проблематично. Это накладывает множество ограничений, поэтому Хэмпл и его коллеги начали исследовать альтернативу, которую НАСА исследовало еще в 80-х годах (но так и не разработало). Как объяснил Хэмпл:
«Мы предложили использовать лунный реголит для получения повсеместного топлива. Из реголита можно извлечь металлические компоненты (которые будут топливом) и кислород (который будет использоваться в качестве окислителя). Мы также исследуем, как извлечение серы (которой достаточно, хотя и не так много, как металлические компоненты) расширяет наши возможности для конфигураций ракетных двигателей. Поскольку производство кислорода из реголита жизненно важно для поддержания лунной среды обитания, разрабатывается технология восстановления для извлечения кислорода из реголита. Металлический порошок будет побочным продуктом процесса, и мы предлагаем использовать его в качестве ракетного топлива».
Преимущество этого процесса в том, что он будет опираться на технологии космической добычи, разработанные стартапами, которые надеются воспользоваться преимуществами коммерциализации низкой околоземной орбиты (НОО) и окололунного пространства в ближайшие десятилетия. Процесс также является «топливным», что означает наличие большего количества окислителя, чем топлива в ракетном двигателе. «В нашем случае небольшое количество металлического порошка и большое количество кислорода», — сказал Хэмпл. «Соотношение окислителя и топлива можно регулировать, и оно значительно влияет на параметры сгорания, такие как температура и производительность».
Преимущества предложенной ими системы многочисленны. Во-первых, это позволит будущим миссиям производить топливо в любой точке лунной поверхности с помощью электричества. «Очевидно, что единственное, что понадобится, — это производственное оборудование и электролит, который, вероятно, придется доставить с Земли (но количества можно контролировать)», — сказал Хэмпл. «Существуют методы сокращения, требующие только электроэнергии, но они менее эффективны и, похоже, не работают (исследования продолжаются). Кроме того, топливо легче хранить, оно более плотное, чем водород, и его легче транспортировать».
Более того, в настоящее время разрабатываются двигатели, которые полагаются на металлическое пороховое топливо, особенно с прямоточными воздушно-реактивными двигателями и приложениями для воздушно-реактивного движения. Единственным компромиссом является то, что прогнозируемая производительность ракеты, использующей это топливо, ниже, чем у ракеты, полагающейся на LH2/LOX может доставить. Однако «бедная» природа их топлива приводит к гораздо более низким температурам сгорания, вызывая меньшую нагрузку на материал и снижая стоимость ремонта и восстановления. Кроме того, снижение производительности по сравнению с LH2/LOX при более низких температурах горения не так выражен.
Этот предлагаемый метод может открыть новые двери для ISRU на Луне и большую гибкость, когда дело касается миссий по дозаправке. «Наша работа была сосредоточена на термодинамических расчетах и предложении способов, как это может быть реализовано, а также на обосновании преимуществ этой технологии», — сказал Хэмпл. «Мы надеемся, что кто-то подхватит идею и начнет разрабатывать и испытывать такой двигатель, поскольку мы твердо верим, что это будет лучшая концепция, чем использование водорода/кислорода, и заслуживает большего внимания».
Вполне закономерно, что в своих планах вернуться на Луну (на этот раз, чтобы остаться) космические агентства, такие как НАСА, пересматривают концепции, которые были предложены в эпоху Аполлона, но так и не получили развития. Эти концепции, включающие в себя все: от металлического топлива до ISRU, среды обитания с замкнутым контуром и ядерных двигателей, также будут иметь жизненно важное значение для исследования Марса и за его пределами. Они также будут иметь жизненно важное значение в наших усилиях по расширению присутствия человечества за пределами Земли и системы Земля-Луна.
Дальнейшее чтение: Акта Астронавтика
