Місячна криниця
В. С. Кислюк
доктор фізико-математичних наук, професор
Головна астрономічна обсерваторія НАН України
Наявність води на планеті та можливість її видобування є одним з основних факторів, які визначають реальність здійснення проектів активного освоєння планети, бо вода є джерелом життя на ній. Спираючись на це, ще донедавна вважали, що Місяць (природний супутник Землі) є надзвичайно сухим небесним тілом. Про це, зокрема, свідчили проби зразків місячного грунту, доставленого на Землю космічними апаратами серії «Аполлон» та «Луна». Більше того, з аналізу цих грунтів випливає, що очевидно Місяць ніколи і не мав помітної кількості власної води. Саме власної, бо уже давно відзначалося, що серед багатьох космічних тіл, які постійно бомбардують місячну поверхню, утворюючи ударні кратери, є й комети, які більше ніж на 90% складаються з водяного льоду.
Виникає питання — куди ж поділася ця вода, якщо в зразках місячного грунту її не виявлено? Але відповідь на це питання є, і вона дуже прозаїчна. Справа в тому, що Місяць — порівняно невелике небесне тіло з малою силою тяжіння і дуже високими денними температурами. Протягом місячної доби (тривалістю в 29 земних днів) всі регіони Місяця освітлюються сонячним промінням і температура (через відсутність атмосфери) на сонячній частині поверхні Місяця сягає + 130° за Цельсієм. Отже, за короткий проміжок часу лід на ньому сублімується в пару води, яка швидко вивітрюється в космічний простір, бо мала гравітація не в змозі утримувати газ протягом тривалого часу.
Водночас, навіть ще до початку космічної ери припускали, що на Місяці, поблизу його полюсів, є зони вічної тіні, в яких можливе скупчення водяного льоду. Але це були лише припущення.
«Холодні пастки» на Місяці
Як відомо, вісь обертання Місяця майже перпендикулярна до площини його орбіти навколо Сонця (нахил становить всього близько 1,6°). Це означає, що на Місяці немає зміни пір року, а на полюсах Сонце постійно знаходиться на обрії, або поблизу горизонту. Отже, гора висотою в декілька сотень метрів, що розташована в районі одного з полюсів, постійно освітлена Сонцем, в той час як такої ж величини заглибина тут ніколи не отримує сонячного проміння. Такі заглибини є своєрідними «холодними пастками». Відсутність атмосфери на Місяці призводить до того, що температура в них постійно становитиме (-160 чи -170)°С, а на розташованій поряд горі буде постійна спека. Такі різко контрастні умови дуже сприятливі для розташування баз тривалого перебування людей з метою подальшого освоєння Місяця. Наявність постійно освітленого місця вирішує проблему енергозабезпечення місячної бази, а «холодні пастки» є цінним природним холодильником, який можна застосувати, зокрема для розташування там кріогенної апаратури. Крім того, «холодні пастки» можуть вирішити проблему водопостачання місячної бази. Виявляється, що на Місяці існує величезна западина, про яку вчені раніше не здогадувалися.
Найдавніший кратер у Сонячній системі
Про існування великої западини поблизу південного полюса на зворотному боці Місяця свідчили уже дані попередніх досліджень Селени. Зокрема, на це вказували профілі Місяця, отримані за допомогою КА серії «Зонд». Пізніше було встановлено, що така западина має гігантські розміри. Вона починається біля кратера Айткен (16° пд. широти) і простягається за південний полюс Місяця. Виявляється, що басейн «Південний полюс — Айткен» (така його умовна назва) є найдавнішим із усіх об’єктів Місяця. Напевно він виник у результаті падіння на Місяць велетенського небесного тіла, що відбулося близько 4 млрд років тому. Більше того, це — найдавніший кратер у Сонячній системі. Його вік був встановлений шляхом підрахунку кількості більш дрібних кратерів, які розташовані всередині басейну. Приблизна частота падінь небесних тіл, які утворили ці кратери, відома, що і дало змогу зробити подібні висновки щодо віку цього гігантського кратера. Такий величезний «шрам» на Місяці могло залишити тіло діаметром близько 200 км.
Басейн «Південний полюс — Айткен» глибиною близько 13 км має діаметр близько 2500 км. Тепер відомо, що перепад між найвищою і найнижчою точками на Місяці становить понад 16 км. Раніше вважалося (зокрема, за даними експериментів програми «Аполлон»), що цей розмах дорівнює 11—12 км.
Раніше район південного полюса Місяця був досліджений недостатньо. Оцінюється, що південний полюс розташований нижче середнього рівня Місяця приблизно до 2 км. Тому можна було припустити, що тут є «холодні пастки», а, отже, там можливе скупчення льоду. Ось чому увага американського космічного апарата (КА) «Клементина» була сконцентрована на вивченні саме околиць південного полюса Місяця.
Прощальний подвиг «Клементини»
Космічний зонд «Клементина» стартував з космодрому Ванденберг 25 січня 1994 р. з метою вивчення одного з біляземних астероїдів при зближенні з ним. Назва для КА була обрана на честь Клементини — дочки рудокопа зі старовинної шотландської балади «Моя дорога Клементина». Назва виявилася символічною, бо призначення КА було визначити мінералогічний склад Місяця та астероїда і згодом, як і героїня балади, загубитися і зникнути назавжди. Іронія долі така, що «Клементина» дійсно загубилася і зникла, але набагато раніше, ніж планувалося. А що ж планувалося?
По дорозі до астероїда КА мав здійснити великий комплекс досліджень Місяця. І це було зроблено. 19 лютого 1994 р. КА «Клементина» був виведений на досить видовжену еліптичну полярну орбіту навколо Місяця, з мінімальною відстанню до місячної поверхні близько 400 км, а максимальною — близько 2900 км. За 71 день активної роботи (тобто до 3 травня 1994 р.) станція отримала безпрецедентний обсяг інформації стосовно природного супутника Землі, відзнявши 38 млн км2 площі місячної поверхні та передавши на Землю понад 1,6 млн знімків. Після успішно виконаної навколомісячної місії була здійснена спроба перевести станцію на траєкторію польоту до астероїда Географ (N 1620), але зв’язок з нею припинився. «Клементина» зникла в просторах Всесвіту.
Станція «Клементина» була оснащена чотирма знімальними камерами, які дали змогу здійснити знімання місячної поверхні в широкому діапазоні видимого та інфрачервоного спектра та з дуже великою роздільною здатністю. Отримані дані дали змогу провести детальне картографування типів порід місячної кори і детально вивчити геологію полярних регіонів та зворотного боку Місяця. Особливо треба відзначити результати лазерних вимірювань місячної поверхні, які дозволили отримати глобальну топографічну фігуру Місяця. На основі топографічних та гравітаційних даних отримана глобальна карта товщини місячної кори. Альтиметричні вимірювання дали змогу детально вивчити велику кількість давніх ударних басейнів та відкрити нові утворення місячної поверхні.
Хоча на борту КА «Клементина» не було приладу, спеціально призначеного для пошуків льоду, але був проведений експеримент, який дав можливість пролити світло на цю проблему. Це так званий бістатичний радіолокаційний експеримент. Відомо, що радіохвилі відбиваються від поверхні планети по-різному, залежно від складу речовини, з якої складається ця поверхня. В експерименті на «Клементині» використовувався бортовий радіопередавач, сигнали якого спрямовувалися в темні райони південного полюса Місяця. Відбиті сигнали реєстрували антени мережі далекого космічного зв’язку на Землі. Характер сигналів, відбитих від постійно затемнених місць на Місяці, різко відрізняється від тих, що відбиті від гірських порід, характерних для інших регіонів місячної поверхні. Радіолокаційні вимірювання привели до висновку, що на південному полюсі Місяця присутній поверхневий матеріал, який відповідає параметрам водяного льоду. Тобто так відбивати може лише лід. Заговорили навіть про наявність на південному полюсі Місяця невеличкого крижаного озера еквівалентною площею чистого льоду об’ємом близько 1—2 км3.
Якою б сенсацією не здавалися результати «Клементини», але все ж вони були опосередковані. Вони швидше не заперечували можливість існування льоду на Місяці, ніж підтверджували таку можливість. Потрібні були більш прямі докази. І вони не забарилися.
«Лунар проспектор»: лід на Місяці є
7 січня 1998 р. з космодрому Кеннеді був запущений КА «Лунар проспектор» (місячний розвідувач). Цим запуском розпочалося здійснення чергового проекту за програмою «Дискавери», розпочатої в 1992 р. за ініціативи NASA і призначеної для планомірного дослідження об’єктів Сонячної системи. Завданням КА «Лунар проспектор» є дослідження з низької полярної орбіти складу поверхневих порід Місяця, відкладень льоду в полярних районах Місяця, вивчення структури магнітного і гравітаційного полів Місяця, а також вивчення природи короткотривалих явищ, можливо пов’язаних з процесами дегазації місячних порід.
Місячний розвідувач «Лунар проспектор». Фото з сайту www.jpl.nasa.gov
Після низки орбітальних маневрів у навколомісячному просторі 15 січня 1998 р. апарат вийшов на штатну орбіту для регулярного виконання програми дослідження місячної поверхні. Це майже колова полярна орбіта (99 км в периселенії — найменшій відстані від місячної поверхні і 100 км в апоселенії — найбільшій відстані від місячної поверхні) з періодом близько 2 год. Програма роботи супутника розрахована на один рік, після чого заплановано ще протягом двох років проводити де¬тальне дослідження місячної поверхні зі зміною його орбіти, поступово зменшуючи периселеній (до 50 і навіть 10 км) для отримання інформації більш високої роздільної здатності для окремо вибраних районів.
Але повернімося до льоду. Уже на початку березня 1998 р. були оголошені результати обробки даних, отриманих за допомогою нейтронного спектрометра, що міститься на борту КА, за перші два місяці роботи. Вони виявилися вражаючими. Перш за все були повністю підтверджені результати-припущення «Клементини». Крім того, запаси льоду виявлені як на південному, так і на північному полюсі Місяця, і, як виявляється, постійно затінених місць («холодних пасток») на північному полюсі навіть більше, ніж на південному («Клементина» вказувала на більші запаси льоду саме на південному полюсі).
Оцінюється, що розміри передбачуваних ділянок, що містять силікатно-льодяну суміш, на північному полюсі досягають від 10 тис до 50 тис км2, а на південному полюсі — від 5 тис до 20 тис км2. Спеціалісти з NASA вважають, що на обох полюсах Місяця може бути понад 6 млрд тон льоду, причому з них до 15 % переважно на північному полюсі.
Але чому ми повинні довіряти результатам «Лунар проспектора»? Як лід був виявлений? Як уже згадувалося, на борту КА «Лунар проспектор» міститься нейтронний спектрометр, прилад вагою 3,9 кг, який реєструє потік «повільних» нейтронів, що виникають у процесі зіткнення нейтронів космічних променів з атомами водню, і має здатність виявляти навіть невеликі відкладення водяного льоду при рівні його вмісту в місячному грунті менше ніж 0,01%. При висоті орбіти 100 км роздільна здатність на поверхні становить 150 м. Аналіз кількості зареєстрованого водню якраз і свідчить про запаси води на Місяці і дає можливість оцінити розміри цих запасів.
Звідки взявся лід у «холодних пастках»?
Тепер щодо механізму утворення запасів льоду в «холодних пастках». Місячна поверхня постійно бомбардується метеоритами і мікрометеоритами, більшість з яких містять водяний лід, а також кометами. Судячи з величини місячних кратерів, багато з них були досить масивними об’єктами. В результаті бомбардування місячної поверхні кометами, молекули води утворюють велику хмару, яка швидко розповсюджується над місячповерхнею. Деяка частина таких молекул потрапляє в «холодні пастки», яких вони уже залишити не можуть. Це, звичайно, незначна частка загальної кількості води, що потрапляє на Місяць. Проте за більш ніж 4-мільярдну історію Місяця в постійно затінених місцях може накопичитися значна кількість льоду. В цих місцях льодяний шар не лише збережеться, але й постійно накопичуватиметься за рахунок нових падінь комет. Не виключено також, що колись навколоземний простір відвідав «рій» незвичайних гігантських комет, що рухалися з величезними швидкостями. Ці комети прилетіли з поясу Койпера (недавно виявленого скупчення кометоподібних транснептунових тіл на відстані від 30 до 100 а.о. від Сонця). Оцінено, що є принаймні 35 тисяч об’єктів поясу Койпера розмірами більшими ніж 100 км в діаметрі, а розмірами до 20 км — понад 100 млн таких льодяних тіл. Вважається, що пояс Койпера є джерелом короткоперіодичних комет. На орбіти тіл поясу Койпера великий вплив мають планети-гіганти, особливо Нептун, який час від часу відкидає ці тіла за межі Сонячної системи або в її середину.
Є думка, що Плутон з його супутником Хароном, а також Тритон — супутник Нептуна, є найбільшими екземплярами поясу Койпера.
Практична цінність виявленого льоду
Якщо на Місяці справді існують райони з великим запасом водяного льоду, то детальне вивчення його важливе перш за все з космогонічної точки зору, бо швидше всього — цей лід привнесений ззовні і містить у собі цінні відомості про будову Сонячної системи. Лід може бути відносно давнім кометним чи астероїдним матеріалом, який існував на Місяці мільйони або і мільярди років. Подальшим кроком до дослідження місячного льоду буде, очевидно, доставка проб його на Землю за допомогою апаратів-роботів, перш ніж експедиції людей займуться цим аналізом безпосередньо на Місяці.
Проте не менш важливе значення льоду для цілей практичної космонавтики: для створення нормального життєзабезпечення людей, які населятимуть місячну базу. Зараз у ряді космічних агентств світу розробляються серйозні проекти створення довготривалих населених баз на Місяці уже на початку XXI ст. Одним із вирішальних факторів вибору місць для таких баз у майбутньому буде можливість економічно вигідної організації водозабезпечення. З цього погляду приполюсні райони, а саме «холодні пастки», або сусідні з ними місця можна розглядати як один із найекономічніших варіантів створення місячних баз. Наявність джерел води на Місяці дуже важлива, бо транспортування її з Землі надзвичайно дороге задоволення (за оцінками спеціалістів NASA доставка 1 кг води коштувала б від 2 000 до 20 000 доларів). Правда, багато з існуючих проектів передбачають також можливість видобування води з місячних мінералів шляхом відповідної їх переробки.
Крім того, кисень і водень, з яких складається вода, є чудовим ракетним паливом, що може підвищити економічність перельотів на Місяць і назад принаймні в 10 разів. Дуже важливим є і наявність постійно освітлених місць поряд із «холодними пастками». Постійне (або майже постійне) освітлення має два важливих наслідки. По-перше, є можливість отримувати енергію для місячної станції безпосередньо за допомогою сонячних батарей, що виключає необхідність ядерних реакторів на місячній базі. По-друге, майже постійне сонячне освітлення забезпечує відносно «м’які» температурні умови на поверхні.
Джерело: науково-популярний журнал «Пульсар», 1999, № 2, С. 44—47
