Вода на Луне

Будущая экспансия человечества в космос начинается с Луны. 50 лет назад американские астронавты уже побывали там, и сейчас в России, Китае и на Западе строятся планы по возвращению на естественный спутник Земли. При этом важной проблемой в создании лунных баз и поселений является наличие там воды. Ведь воду гораздо удобнее добывать на самой Луне, нежели доставлять туда транспортными кораблями.

Удар LCROSS

Если всмотреться в фотоснимки, сделанные на Луне побывавшими там американскими астронавтами, то можно увидеть сухую безжизненную даль, полную серой пыли и камней. Недаром планетологи долгое время полагали, что наш естественный спутник засушливее любой земной пустыни, что там нет ни капли воды. Если она и попадала на поверхность Луны в незапамятные времена вместе с кометами, то давно испарилась в космическое пространство – ведь в дневные часы поверхность Селены прогревается до +127 °С, что явно выше точки кипения воды. Пробы лунного грунта, которые в свое время были доставлены на Землю советскими аппаратами и американскими астронавтами, казалось бы, подтверждали это мнение. Вода в них содержалась в количестве нескольких сотен граммов на тонну грунта, по этой причине у специалистов не было уверенности, что перед ними не земная влага, случайно попавшая в образцы.

Лишь в девяностых годах прошлого века точка зрения ученых изменилась. Спектрометр одного из американских космических зондов тогда обнаружил над полюсами Луны водород. И сразу появилось предположение, что на дне кратеров, расположенных близ полюсов, мог скопиться лед, принесенный кометами, ведь солнечные лучи туда никогда не заглядывают, и в этих кратерах царит вечная ночь. Известно, например, что температура на дне кратера Эрмита составляет минус 248 °С. Согласно гипотезе астрономов, когда ультрафиолетовое излучение Солнца достигает льда, скопившегося в подобных провалах, оно вырывает атомы водорода из молекул воды. Их-то и заметил американский спектрометр.

У этой гипотезы было немало оппонентов, но недавние открытия подтвердили ее. Усовершенствованные методы анализа позволили со всей достоверностью зафиксировать на Луне следы воды. В этот припудренный серой пылью каменный шар словно вдохнули жизнь. Важнейший эксперимент прошел 9 октября 2009 года, когда американский зонд LCR0SS на полной скорости вонзился в кратер Кабеус в районе Южного полюса Луны. Это был запланированный маневр: если бы в облаке пыли и обломков, взметнувшемся над Селеной, были капли воды, они не смогли бы ускользнуть от внимания астрономов. Год спустя итоги эксперимента были опубликованы. В октябре 2010 года журнал Science сообщил, что дно кратера Кабеус примерно на 5,6 % состоит из водяною льда. Среди 4-6 тонн материала, поднятого вверх ударом зонда, приборы обнаружили примерно 155 килограммов водяного пара.

Повторный анализ

Не исключено, что запасов воды на Луне больше, чем могли предположить даже оптимисты. Весьма любопытные сведения раздобыл индийский аппарат «Чандраян-1», отправившийся к Луне в октябре 2008 года. В частности, им была составлена карта минералов, характерных для лунной поверхности. В начале 2010 года,анализируя информацию, переданную этим зондом, американские ученые обнаружили огромные запасы водяного льда в районе Северного полюса Луны. Он там сконцентрирован на дне приблизительно 40 кратеров, диаметр которых составляет от 1,6 до 15 километров. По оценкам специалистов, речь может идти о 600 миллионах тонн льда. Поэтому строить в будущем лунные базы будет всего рациональнее именно у ее полюсов.

– Теперь мы можем с определенной долей уверенности сказать, что люди сумеют длительное время оставаться на Луне, – так отозвался об этом открытии один из его авторов, американский ас- троном Пол Спудис.

По прошествии нескольких месяцев на страницах журнала PNAS (Proceedings of the National Academies of Sciences) опубликовали отчет Фрэнсиса Маккабина и его коллег из Института Карнеги. Они снова проанализировали образцы лунных пород, когда-то доставленных на нашу планету американскими астронавтами – участниками программы «Аполлон». В статье утверждалось, что воды на нашем естественном спутнике в сотни, а может быть, и в тысячи раз больше, чем считали прежде. Не исключено, что она встречается всюду, а ее концентрация составляет примерно 5 молекул воды на миллион других молекул.

Внимание исследователей из Института Карнеги привлекли апатиты, образовавшиеся при кристаллизации магмы – ведь в незапамятные времена Луна после своего возникновения была покрыта целым океаном расплавленной магмы. Поскольку этот процесс может происходить лишь в присутствии воды, ученые предположили, что она была там всегда – с момента рождения Луны. В таком случае вода играла важную роль и в извержениях вулканов, сотрясавших Селену в далеком прошлом. На Земле, когда раскаленная лава проходит через породы, содержащие воду, та моментально испаряется с образованием больших масс пара, и тогда наблюдаются особенно мощные извержения. Вероятно, прежде подобное происходило и на Луне.

Зоркая SOFIA

В дальнейшем интересные результаты были получены с помощью инфракрасного телескопа SOFIA – совместного детища NASA и Германского центра авиации и космонавтики. Создатели этой работающей с мая 2010 года летающей лаборатории приняли необычное решение: телескоп смонтировали на борту самолета boeing 747SP. Дело в том, что наблюдениям в инфракрасном диапазоне сильно мешает водяной пар, содержащийся в атмосфере Земли. Поэтому с точки зрения астронома оптимальное решение – это вывести аппарат с инфракрасным телескопом в космос. Вот только с экономической точки зрения такое решение – не лучшее. Ведь создание и запуск инфракрасной орбитальной обсерватории Spitzer («Спитцер») обошлось американским налогоплательщикам в 776 миллионов долларов.

В связи с этим создатели SOFIA приняли весьма оригинальное решение: лететь не в космос, а в небо. По той причине, что на высотах 11-14 километров водяного пара почти нет и можно беспрепятственно проводить наблюдения. Денег же в этом случае требуется значительно меньше: изначально бюджет миссии составлял всего 185 миллионов долларов. Правда, в конечном итоге он вырос до 330 миллионов, в основном из-за повысившихся требований к безопасности полетов. Тем не менее такой телескоп обошелся дешевле, чем если бы его пришлось запускать в космос.

Местом постоянного базирования летающего телескопа была выбрана авиабаза Эдварде, штат Калифорния. При этом SOFIA может перелететь практически в любую точку планеты, что позволяет вести наблюдения как в Северном, так и в Южном полушариях. Первоначально с помощью летающего инфракрасного телескопа исследовали планеты, астероиды и кометы Солнечной системы, галактические туманности и пылевые образования, черные дыры в галактических центрах. А потом американским астрономам пришло в голову навести SOFIA на Луну в поисках воды на ней, хотя этот телескоп никогда не предназначался для наблюдения столь ярких объектов, поэтому им пришлось проявить изобретательность.

– SOFIA впервые наблюдала Луну, и мы даже не были полностью уверены, что получим надежные данные. Но вопрос о лунной воде заставил нас попытаться, – рассказывает сотрудник проекта Насим Рангвала.

Как бы там ни было, усилия современных звездочетов увенчались успехом: 26 октября 2020 года представители NASA сообщили журналистам, что телескоп обнаружил излучение, которое могли испускать лишь молекулы воды, и ничто иное. Источником же его был огромный кратер Клавий, прекрасно освещаемый Солнцем. Он расположен на широте менее 58°, что весьма далеко от полюса – так, широта Москвы на Земле – 56°. Впрочем, воды в Клавии содержится не столь уж много – от 100 до 400 граммов на тонну грунта. Даже в песках Сахары ее примерно в 100 раз больше. Но для Луны в ее средних широтах и такое количество воды вызывает удивление.

У людей науки есть несколько предположений, откуда она берется, но пока они не готовы вынести окончательный вердикт. Есть предположение, что там выпадают своего рода осадки. Над Селеной, практически лишенной атмосферы, постоянно веет солнечный ветер. Он приносит на ее поверхность положительно заряженные ионы водорода. Соединяясь с атомами кислорода, содержащимися в лунном грунте, они и образуют молекулы воды. Впрочем, попытка воспроизвести этот процесс в лабораторных условиях весной 2010 года успехом не увенчалась. Так что верх, похоже, берут сторонники гипотезы, что на поверхности нашего естественного спутника непрестанно оседают «микрокометы» – космические пылинки, пропитанные льдом.

В настоящее время Соединенные Штаты разворачивают программу «Артемида», цель которой – возвращение человека на Луну уже в 2024 году. Первоначально это будет облет вокруг нашего естественного спутника, затем вывод на орбиту вокруг него обитаемой исследовательской станции, а затем и создание лунных баз. В проекте примут участие американские частные компании, Европейское космическое агентство, Япония, Канада, Австралия, Великобритания. Италия, ОАЭ, а также Украина и – ну надо же! – Люксембург. Одной из сложнейших проблем является снабжение лунных баз водой. Конечно, переработать тонну грунта из средних широт Луны, чтобы получить пару стаканов воды, – идея довольно странная. Поэтому оптимальным местом для лунных баз все-таки могут быть только полярные регионы с их запасами готового льда. Тем не менее обнаружение воды в безнадежно сухих, казалось бы, средних широтах – блестящее научное достижение.