Роботы-геологи ― следующий этап освоения Луны. Интервью с заведующим лабораторией ГЕОХИ РАН Евгением Слютой

Человечество стремится на Луну ― на этот раз, в отличие от миссий полувековой давности, не отдельными экспедициями, а с целью ее эффективного освоения и создания исследовательских баз. Но прежде необходимо тщательно разведать и изучить распределение ресурсов, их состав, концентрацию: это задача для роботов. Ученые Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН разработали многоэтапный проект подобных исследований и концепцию необходимых луноходов.

Какие регионы Луны интересуют ученых? Возможно ли транслировать земные методики геологоразведки для их применения на Луне? Какие задачи стоят перед луноходами-геологами? Об этом ― в интервью с заведующим лабораторией геохимии Луны и планет ГЕОХИ РАН Евгением Николаевичем Слютой.

― Луну исследуют с помощью телескопов, орбитальных и спускаемых аппаратов не одно десятилетие. Какие задачи будут поставлены перед перспективными миссиями с применением луноходов?

― В сравнении с другими небесными телами Луна остается наиболее изученным объектом. Ее поверхность исследовали многочисленные автоматические станции, включая советские луноходы и пилотируемые экспедиции программы «Аполлон». Прежде чем ставить новые задачи по исследованию Луны, как фундаментальные, так и необходимые для ее непосредственного освоения и планирования будущих миссий, мы продолжаем детально анализировать результаты прошедших экспедиций. На основе этой информации мы понимаем, какие данные о геологии, геохимии и лунных ресурсах будут крайне необходимы уже на начальном этапе освоения Луны. А освоение Луны без использования местных ресурсов практически невозможно.

Фундаментальные исследования Луны — вопросы ее геологии, геохимии и геофизики — тесно переплетены с научно-прикладными задачами, поскольку именно они могут дать информацию о распределении на поверхности нашего естественного спутника необходимых ресурсов, которые потребуются буквально в ближайшие годы.

― В ГЕОХИ РАН была разработана концепция трех роботов для исследования Луны. Что это за проект?

― Существует такое понятие, как методика геологической съемки и разведки, объединяющее фундаментальные исследования и поисково-разведочные работы, с помощью которых возможно оценить, какие ресурсы и в каких концентрациях распределены на территории. Эта методика хорошо отработана на Земле: наша планета — точно такой же космический объект, как и другие, поэтому применяемые геохимические, геологические, геофизические методы универсальны и подходят для исследования и Луны, и Марса, и других планет, в том числе малых космических тел.

Для решения таких задач требуется модернизация технических средств и научной аппаратуры с учетом ее работы в космосе. Например, для региональной геологической съемки и разведки был предложен проект тяжелого лунохода-геолога, способного пройти маршрут не менее 500 км. Разработку этого робота начали еще в 2006–2007 гг.: была опубликована серия статей, были определены концепция и технические требования с учетом того, чтобы аппарат смог выполнить все задачи по региональной геологической, геохимической и геофизической съемке и разведке на длительном маршруте, прежде всего в местах на поверхности Луны, наиболее интересных с точки зрения геологии и геохимии.

― И какие регионы в первую очередь интересуют ученых?

― Очень интересен с геологической точки зрения район вулканической провинции горы Рюмкера в экваториальной области Луны, в районе Океана Бурь. Там сосредоточены морские базальты от самых древних до молодых, возрастом от 4 до 1 млрд лет. Кроме того, в этом районе распространены различные типы пород, поэтому он так перспективен и с точки зрения исследования роботом-луноходом.

Весьма любопытны и приполярные районы Луны: с точки зрения науки ― уникальное явление. Дело в том, что ось Луны к эклиптике практически вертикальная, соответственно, Солнце освещает ее полярные области по касательной, а смена дня и ночи определяется рельефом. Таким образом, возникают места, где лунный день длится 80%–90% всех лунных суток; ученые называют их вершинами вечного света. В таких местах можно обеспечить практически постоянное обеспечение солнечной энергией, например при размещении научных лунных станций. Кроме того, в лунном грунте полярных областей присутствует водяной лед. Первые инструментальные данные о концентрации таких ресурсов ученые получили еще в конце ХХ в. с помощью нейтронного спектрометра.

Мы прорабатываем маршруты и в экваториальной части Луны, и на полюсах с применением тяжелого робота-геолога, который позволит провести многолетние исследования. По проекту активный ресурс этого лунохода — не менее двух лет. Разработанный нами предварительный комплекс научной аппаратуры состоит из трех основных элементов. Во-первых, это научно-навигационный комплекс: ряд спектрометров в различных диапазонах, включая инфракрасный, совмещенных с техническим зрением. Вторая часть оборудования ― комплекс геологической разведки, в который входит буровая установка для отбора колонок реголита на глубину до 3 м. На луноходе также должны быть расположены два манипулятора, с помощью которых отбираются пробы с поверхности и помещаются в специальные кассеты для хранения. Каждая проба тщательно документируется: где, когда, при каких условиях она была собрана, прилагаются координаты и фото места отбора. В этом и заключается геологическая разведка. Третий комплекс научной аппаратуры ― геофизический: это георадар, работающий непрерывно, магнитометр, градиентометр, который также непрерывно снимает необходимую геофизическую информацию.

После доставки на Землю пронумерованные образцы возможно привязать к местности и построить карту распределения различных типов пород на Луне, учитывая данные об их геохимическом и минеральном составе, связи с мелкими или крупными кратерами или другими образованиями на поверхности.

― То есть образцы вернут на Землю, а не будут исследовать на месте?

― Да, возврат образцов планируется в следующих миссиях либо автоматическим способом, либо с помощью пилотируемой экспедиции. Материал, который способен собрать робот-геолог, бесценен для науки: пилотируемый полет будет целесообразен, даже если его задачей будет только сбор образцов и их доставка на Землю без дополнительных исследований.

Аналогичными проектами занимаются и наши зарубежные коллеги. Программа Endurance, разрабатываемая в NASA, предполагает маршрут около 1 тыс. км для исследования одной из самых крупных ударных структур ― бассейна Южного полюса Луны Эйткена диаметром порядка 2 тыс. км. Это уникальное и одно из древнейших ударных образований. Похожие исследования планируют и китайские коллеги: все понимают, что подобные миссии ― необходимый инструмент изучения Луны.

― Подобные лунные миссии с применением роботов-геологов экономически возможны для реализации силами одной страны или требуется кооперация?

― Развитые страны способны самостоятельно реализовать такую программу, неподъемных затрат она не требует. Это обычная автоматическая экспедиция, такие же проводились в прошлом веке: например, советский проект «Луноход-2». Сегодня несколько аппаратов работают и на поверхности Марса, исследуя планету годами. Технологических проблем, которые сделают такую миссию невыполнимой, сегодня нет, и по сравнению с любой пилотируемой экспедицией это достаточно дешевые проекты.

― Насколько нам вообще нужны пилотируемые миссии? Существует мнение, что современные автоматические аппараты достаточно совершенны, чтобы решить большинство научных задач, но при этом значительно менее затратны, чем экспедиции с участием человека…

― Конечно, задачи, связанные с исследованием и разведкой ресурсов, эффективно решаются автоматическими станциями и самоходными роботизированными платформами, разработка которых активно ведется. Однако освоение Луны подразумевает нечто большее: это постоянное или периодическое присутствие человека. Такое освоение требует промышленного использования местных ресурсов для строительства баз, жизнеобеспечения, производства ракетного топлива ― своего рода формирования лунной экономики. Поэтому возникает множество задач, требующих непосредственного участия подготовленного человека-оператора, особенно на начальном этапе освоения. Это, например, развертывание первичной инфраструктуры на лунной поверхности.

Отдельная задача, которую человек обязательно должен контролировать, ― это глубокое бурение. Соответствующие установки мы уже разрабатываем с коллегами из других институтов. Глубокое бурение на Луне принципиально отличается от земного, поскольку Луна — уникальный мир с собственной эволюцией, развивавшийся по иным законам. Это безатмосферный объект, который на протяжении всей своей геологической истории подвергался интенсивной метеоритной бомбардировке. Это привело к формированию реголита — рыхлого слоя, покрывающего всю поверхность. Процесс его накопления длится свыше 4 млрд лет.

Толщина реголита варьируется в зависимости от региона. В лунных морях как наиболее молодых образованиях его средняя толщина составляет 4–5 м, максимум 9 м. На материках слой значительно толще — в среднем около 10 м, а в отдельных областях до 18–20 м и более. Бурение на глубину до 15 м позволяет достичь подстилающих пород практически на всей поверхности Луны. Стратифицированная колонка лунного реголита, доставленная на Землю, станет бесценным источником знаний, фиксирующим всю историю Луны с момента образования подстилающих пород. Каждый слой содержит информацию об активности Солнца в течение 4 млрд лет, о составе солнечного ветра, даже об эволюции атмосферы и магнитосферы Земли. Лунный грунт, как Розеттский камень, хранит историю системы «Земля ― Луна», нужно только отобрать образцы породы и расшифровать их.

― На какой стадии сегодня создание роботов для исследования Луны?

― Мы разработали линейку роботов, каждый из которых должен решать свои задачи. Концепт тяжелого робота-геолога, о деятельности которого я рассказал, достаточно хорошо разработан в Центральном научно-исследовательском институте робототехники в Санкт-Петербурге. По сути, он практически готов к созданию и проведению опытно-конструкторских работ.

Второй робот ― среднего типа ― предназначен для поисково-разведочных работ, это геолог-разведчик. Его задача — не отбирать пробы по маршруту, а исследовать распределение, концентрацию и химический состав летучих компонентов наиболее ценных лунных ресурсов. На начальном этапе освоения Луны потребность в них будет огромная. Этот робот оборудован буровой установкой с колоколом, который опускается на поверхность Луны и герметизирует пространство. Шнек забуривается на глубину до 2 м и подает шлам с летучими компонентами под колокол. В результате механического и теплового воздействий эти летучие компоненты, включая замороженные фрагменты, переходят в газообразное состояние, подаются в масс-спектрометр и исследуются. Таким образом возможно провести оконтуривание месторождений летучих компонентов, включая водяной лед. Технический проект этого лунохода был проработан в НПО им. С.А. Лавочкина. Аппарат находится в достаточно высокой технологической стадии проработки, и он практически готов для запуска опытно-конструкторских работ по его созданию.

Третий робот ― это малый луноход-геофизик. Его задача ― детально исследовать будущую площадку под развертывание первичной инфраструктуры, необходимой для освоения Луны, в том числе определить толщину реголита и распределение крупных камней. Это, по сути, то же самое, что и геофизическая съемка при строительстве зданий на Земле: прежде чем начинать стройку, необходимо понять, безопасно ли место. Создание такого робота ― достаточно отдаленный этап, поэтому детально его пока не прорабатывали.

― Когда первые подобные аппараты могут быть созданы и отправлены на Луну?

― Сейчас идет утверждение новой федеральной космической программы до 2036 г., где рассматриваются эти проекты. Их должны утвердить на Совете РАН по космосу и в «Роскосмосе». Если проект получит положительное заключение, к концу этого года может наступить ясность относительно сроков создания аппаратов и их запуска.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ