На фото лунная пыль похожа на земной песок. В реальности она ведёт себя иначе и гораздо опаснее Фото NASA
В ноябре 2021 года NASA объявило о переносе отправки людей на Луну с 2024 на 2025 год. Программа «Артемида» вернёт астронавтов на спутник Земли, где они создадут небольшую колонию для изучения космического пространства. Глобальная цель проекта — построить пункт для дальнейших путешествий по Солнечной системе, например, на Марс.
В «Артемиде» участвуют многие страны Европы и частные компании. О планах колонизировать Луну заявляли «Роскосмос» совместно с Китайским национальным космическим управлением. Индия работает над собственной пилотируемой миссией к спутнику Земли.
Перед участниками новой «Лунной гонки» стоит множество вызовов — от регулярной отправки провизии своим космонавтам до походов в туалет в условиях микрогравитации. Пока учёные и инженеры решают другую проблему — как избежать воздействия лунной пыли на колонистов. Она опасна и для людей, и для техники, а на борьбу с ней предстоит потратить миллионы долларов.
Споры фантастов и доводы учёных
В 1960-х культовый писатель-фантаст Артур Кларк написал роман «Лунная пыль», где в 21 веке люди колонизировали спутник Земли и передвигались по поверхности на «пылеходах». В середине 20 века некоторые учёные и мыслители предполагали, что Луна покрыта десятиметровым слоем пыли.
О структуре лунного грунта спорили советские учёные. Иногда Сергею Павловичу Королёву приписывают резолюцию «Луна — твёрдая» на одном из документов. Вероятно, так упрощают записку академика, в которой он распорядился рассчитывать посадку автоматических лунных модулей на твёрдую поверхность «типа пемзы».
Запуск Ranger 7. Программа беспилотных аппаратов помогла сделать вывод об относительной безопасности нахождения людей на лунной поверхности Фото NASA
В США при подготовке высадки людей на Луну работала программа «Рейнджер» — непилотируемые аппараты запускали для фотографирования и видеосъёмки поверхности. «Рейнджер 7», запущенный в июле 1964, сделал высококачественные снимки и разбился о поверхность. Так стало ясно, что толщина слоя пыли достигает нескольких сантиметров.
Для NASA это был успех, так как ранее аппараты либо пролетали мимо, либо разбивались, не успев передать информацию. Задача отправить астронавтов на Луну существовала с 1960-х, но у инженеров не было достоверных данных о поверхности, куда должны высадиться американцы.
Первые снимки спутника с близкого расстояния СССР получил с аппарата «Луна 9», который прилунился в феврале 1966 года. Устройства этого типа фотографировали Луну с конца 1950-х, но в основном с дистанции Фото «Роскосмос»
Теперь NASA предстояло совершить первую мягкую посадку, то есть снизить скорость при прилунении до такой, чтобы аппарат не пострадал. Первый робот системы «Сёрвейер» сел на Луну в июне 1966 года, отстав от советского аппарата «Луна 9» на несколько месяцев.
Фотографии «Сёрвейер » позволили лучше изучить свойства поверхности Луны Фото NASA
Следующие аппараты «Сёрвейер» научились «прыгать» на несколько метров в сторону, что позволило лучше изучить грунт спутника Земли. NASA с помощью беспилотников получило тысячи фотографий, на основе которых сделали первые карты и выбрали место для посадка пилотируемого аппарата.
Пыльный «Аполлон»
Параллельно беспилотной кампании развивалась пилотируемая часть лунной экспедиции. В NASA не знали, будет ли пыль прилипать к скафандрам и оборудованию, как повлияет на передвижение людей и не помешает ли отстыковке посадочной ступени от взлётной.
Инженеры предполагали, что двигатели поднимут пыль при посадке, поэтому экипаж «Аполлон 11» готовили к плохой видимости, а корабль снабдили множеством датчиков. Прилунение задумывалось максимально мягким, чтобы уменьшить воздействие грунта на корабль.
Лунный модуль с позывным «Орёл» на Луне Фото NASA
При посадке Нил Армстронг и Эдвин Олдрин (сменил имя на Базз в 1988 году) заметили пылевое облако на высоте 30 метров над поверхностью. Оно не блокировало обзор, но астронавты говорили, что «были сбиты с толку постоянным движением песка вокруг», из-за которого трудно фокусироваться на статичных объектах.
К моменту полёта Армстронга и Олдрина большинство теорий об опасности поверхности Луны уже опровергли. Все расчёты показывали, что место для посадки безопасно, но астронавты могли не знать точные свойства спутника из-за погрешностей при составлении карт.
"Луну измерили, сравнили с другими планетами и ткнули в неё. Предубеждения (о её свойствах) умирали одно за другим. Широко распространялось мнение, что Луна представляет собой зыбучие пески. Со временем все теории отвергли и осталось беспокойство только по поводу пыли. Посадки «Сёрвейер» показали, что поверхность уплотнена и выдержит нас. Так что это была небольшая проблема. Конечно, никто не мог знать это наверняка, пока мы не прилунимся."
Базз Олдрин
астронавт
Первые люди на Луне быстро обнаружили, что лунная пыль очень мелкая и острая. Из-за отсутствия ветра и воды пылинки не сглаживаются, а остаются зазубренными. Адгезия настолько сильная, что астронавты «Аполлона» сравнивали прилипание пыли с ползучей субстанцией, которая покрывает ноги, руки и шлем тонким слоем мелкой пыли.
Программа «Сёрвейер» и эксперименты «Аполлона» помогли учёным сделать вывод, что микрочастицы как бы парят над поверхностью Луны, почти не взаимодействуя друг с другом. Постоянно образуются новые слои — метеороиды бьют по поверхности Луны, нагревают и смешивают породу, состоящую в основном из кремния.
Попытки убрать загрязнения заканчиваются глубокими царапинами на скафандрах и оборудовании. Налипание пыли на технику может вызвать её перегрев из-за активного поглощения солнечного излучения.
На фотографии хорошо видны загрязнения скафандра астронавта во время внекорабельной деятельности Фото NASA
Для изучения свойств лунного реголита (верхнего слоя грунта) астронавты брали образцы в разных местах и упаковывали их в герметичные алюминиевые контейнеры. На Землю хранилища возвращались с повреждениями — пыль царапала стенки и герметизирующие элементы.
В начале 1960-х руководство NASA опасалось космической радиации, слабой гравитации и психологических проблем астронавтов, но пыль принесла больше всего проблем. Многие астронавты вспоминали её как главную сложность на Луне.
"Я думаю, что пыль, вероятно, является одним из сложнейший препятствий для нормальной работе на Луне. Я думаю, что мы можем преодолеть физиологические, физические или механические проблемы, но не пыль."Юджин Сернан
последний побывавший на Луне астронавт
Экипаж финального запуска программы «Аполлон 17» сделал ещё одно важное наблюдение. Юджин Сернан увидел светящееся пылевое облако на высоте около 100 километров, которое образовывалось на линии терминатора (встречи света и тени). Подобное свечение позже подтвердили в лаборатории и с помощью орбитального аппарата LADEE («Исследователь лунной атмосферы и пылевого окружения»).
Положительно заряженные частицы дневной стороны сталкиваются с отрицательно заряженными частицами ночной стороны. Так электростатические поля двигают мелкую взвесь пыли, которая образует экзосферу Луны.
Грязная работа
Астронавты привозили лунную пыль не только в герметичных переносках, но и на себе. В середине 1960-х, когда выводы о составе лунной пыли делали на основе фотографий, медики предложили возвращающимся экипажам проходить карантин.
В NASA опасались, что частицы лунной пыли могут содержать патогены, угрожающие не только людям, но и растениям. 21 день вернувшихся астронавтов держали в изоляции, поэтому встречи с журналистами, семьями и первыми лицами государства выглядели немного комично.
Во времена полётов «Аполлонов» медики не знали, навредит ли вдыхание пыли — только один прибывший жаловался на боль в лёгких и описывал симптомы бронхита. Болезнь назвали лунной лихорадкой, которая не требовала терапии и прошла сама по себе.
Большинство относились к карантину скептически, но людей пугала неизвестность космоса. У властей не было специальных процедур, поэтому применили типовой сценарий после контакта с неизвестными веществами.
"Изначально в NASA думали, что понадобится только чистая комната, где можно будет собрать все доступные образцы в вакуум. Позже они начали ломать над этим голову (над инопланетным заражением), говоря, что никогда не делали ничего подобного. Я думаю, что многие учёные не верили в этот риск."Джудит Хейс
глава отдела биомедицинских исследований и изучения среды в NASA
Для учёных был важен каждый грамм космического вещества, которое на себе привезли астронавты, поэтому их просили не сильно чистить скафандры при возвращении на Землю. Пыль проникала в лунный, а затем и в командный модуль, где экипаж вдыхал её несколько дней на пути домой.
Астронавты сравнивали запах лунной пыли с порохом. Сравнение вызывает вопросы — по составу лунная пыль не соответствует пороху, а на Земле запах исчезает. Возможно, причина во влажности, которая на Луне почти нулевая.
Подробности о влиянии лунной пыли на людей начали открываться позже, после подробного изучения свойств. Рассел Кершман, работающий патологоанатомом в NASA, рассказывал о силикозе, который часто поражает шахтёров и может аналогично навредить астронавтам. Частицы лунной пыли соединяются с земными силикатами и вызывают фиброз лёгких.
Впрочем, навредить реголит может не только лёгким человека. В 2018 году появилось исследование, что в лабораторных условиях лунная пыль уничтожает до 90% клеток мозга, при этом механизм её действия до конца неясен. Учёные посоветовали продумать многоуровневые системы защиты, прежде чем отправлять людей в новые экспедиции.
Скользкие инструменты и ультразвуковой очиститель
В 1969 году «Аполлон 12» вооружили щётками, тряпками и пылесосом для борьбы с пылью. Ни один из этих методов не работал — отложения не очищались с техники и скафандров. Астронавты иронично возмущались, а Пит Конрад называл происходящее «полнейшим фарсом».
Член экипажа «Аполлон 12» Алан Бин с контейнером для сбора образцов лунной пыли Фото NASA
Впрочем, экипаж Конрада часто называют самым весёлым — они сломали камеру, наведя её на солнце, постоянно шутили над невозможностью нормально работать из-за загрязнений и пронесли на борт фотографии из Playboy. Иногда им приписывают возвращение на Землю голыми (в одних шлемах) из-за слишком грязных скафандров.
На Луне сложно использовать клейкую ленту, которой астронавты и космонавты многое ремонтируют на космических кораблях. Экипаж «Аполлон 17» починил заднее крыло лунохода серым скотчем, но получилось у них это не с первого раза. Пыль мгновенно налипала на клейкую часть, разрывала её и скрепляемые детали не держались.
Комок пыли сломал крыло над колесом, а без него абразив летел в оборудование и в спину экипажу Фото NASA
Сейчас опыт «Аполлона» и беспилотных миссий пытаются адаптировать сотни учёных и изобретателей. За последние 50 лет человечество освоило производство новых материалов и механизмов, которые будут либо противодействовать налипанию пыли, либо окажутся устойчивыми к её воздействию.
Разработчикам надо уложиться в жёсткие ограничения по весу оборудования и ремонтопригодности. Грузоподъёмность ракеты SLS, на которой планируются полёты миссии «Артемида» — от 27 до 46 тонн в зависимости от задачи (Saturn V в 1970-е поднимала до 48 тонн).
Экипаж не сможет взять много инструмента и запасных частей, поэтому важно соблюсти баланс между прочностью и лёгкостью. Инженеры работают над предотвращением налипания пыли на разные поверхности и уборкой уже осевших частиц.
"Не будет какого-то одного решения для всех проблем. Для каждого материала, который будет там наверху, мы придумаем что-то особенное. Мы используем разные наработки многих подразделений NASA."
Шерон Миллер
инженер и глава группы экспериментов с лунной пылью NASA
Новый лунный скафандр xEMU (Exploration Extravehicular Mobility Unit) проектируют с минимальным количеством соединений типа молний, заклёпок и кнопок, чтобы пыль не проникала в них. Материалы сделают из мембраны и пропитают составом для антистатического эффекта.
Инструменты и некоторую технику обработают химией, которая имитирует эффект лотоса — грязь будет как бы скользить по поверхности. Пока непонятно как долго эффект продлится и как скажется на эргономике ручного инструмента.
Бороться с уже образовавшимися загрязнениями планируют с помощью ультразвукового устройства, создающем вибрацию. «Пылесос» задумали ещё в 1991 году, но план не реализовывали из-за ненадобности. В 2021 году есть несколько прототипов, один из которых разрабатывают студенты по программе сотрудничества с NASA.
Там, где постоянные вибрации не сработают, учёные предлагают отталкивать мелкие частицы с помощью электрического поля. Крупные, напротив, будут заряжаться и притягиваться к специальным уловителям.
Такие технологии применят в луноходах и других устройствах с вращающимися деталями, где важно не допустить скопления пыли и трудно очистить загрязнения другими методами.
Астронавт Джон Янг во время теста лунохода, названного «гран-при». Видно как сильно разлетается пыль и оседает на всех поверхностях «Ровера», особенно в районе колёс
В новой «Лунной гонке» принимают участие множество компаний и стран — у каждого участника есть наработки по борьбе с пылью. Власти ОАЭ совместно с Boeing разрабатывают беспилотный луноход, колёса которого невозможно повредить реголитом.
В России работают над механизмом, который позволит заходить в скафандр через собственный малый шлюз. Костюм будет как бы висеть снаружи вместе с пылевыми отложениями, а космонавт сможет сразу попасть на корабль или в жилой модуль.
NASA моделирует лунную пыль с помощью компьютеров и синтетической имитации, а Китай доставил на Землю почти два килограмма лунных камней и пыли для изучения. Новые образцы из Океана Бурь отличаются от привезённых ранее, что позволит получить новые данные о пыли на поверхности Луны и лучше проработать средства защиты.
Поведение лунной пыли часто привлекает сторонников теории заговора. Их смущает чёткая форма следа ботинка на фотографии, которую сделал Базз Олдрин. Якобы след вылепили на обычном песке для эффектной и запоминающейся картинки.
На Земле песок быстро осыплется, а для чёткой фигуры нужна влага, которой на Луне почти нет. Лунная пыль у поверхности держит сама себя, сцепляясь острыми гранями и статическим электричеством Фото NASA
Также скептики спорят о следах на поверхности Луны, которые должны были оставить двигатели и опоры при посадке и взлёте. Они указывают, что на фото миссий «Аполлон» модули стоят на относительно ровных площадках без признаков разлёта реголита.
Астронавты и исследователи отвечают, что на видео с посадкой в конце всегда есть взвесь, но из-за вакуума она быстро рассеивается, а аппараты прилуняются очень мягко, недолго двигаясь по вертикали. Взлётная ступень сначала отстреливалась пиротехникой от посадочной и только потом включался двигатель, поэтому пыль не сильно мешала астронавтам при возвращении домой.
В планируемой «Артемиде» будет другой подход. По одной версии ракеты смогут сами делать стартовые площадки при посадке. Химический процесс «запечёт» поверхность Луны и она станет твёрдой.
SpaceX предлагает другой путь — при посадке заработают двигатели наверху корабля. Взлётная площадка должна быть подготовлена заранее другим экипажем Иллюстрация SpaceX
Новая «Лунная гонка» больше не строится на противостоянии двух государств и режимов. Сейчас в процесс вовлечены тысячи инженеров, учёных и изобретателей из разных стран и компаний. Ежегодно появляются новые технологии, которые вернут людей на Луну и, возможно, помогут попасть на Марс.
Пока человечество не знает помогут ли наработки по борьбе с пылью на спутнике Земли в освоении «красной планеты». У Марса есть атмосфера, а пыль совершенно отлична по составу. Для новых покорителей космоса Луна должна стать базовой станцией, откуда они отправятся к другим планетам. Вероятно, что на них они вступят со следами лунной пыли.
