Группа исследователей из Хунаньского университета, Китайской академии строительных исследований, Лаборатории исследования дальнего космоса в Хэфэе и Университета науки и технологий Китая предложила принципиально новую стратегию создания лунных баз. В работе, опубликованной в журнале npj Space Exploration, они представили «эволюционную» концепцию теплового энергоснабжения лунных поселений. Речь идет о поэтапном формировании энергетической инфраструктуры, которая должна развиваться вместе с самой базой – от режима выживания в экстремальной среде к устойчивой промышленной деятельности.
Главная проблема Луны – продолжительная ночь, длящаяся около 14 земных суток. В этот период температура поверхности опускается примерно до минус 170 градусов Цельсия, солнечной энергии нет, атмосфера отсутствует, а значит тепло беспрепятственно уходит в космос. Для автоматических аппаратов прошлых миссий применялись точечные решения – многослойная теплоизоляция и радиоизотопные нагреватели. Однако для постоянной базы с экипажем, научными лабораториями и производственными модулями этого недостаточно. Исследователи предлагают рассматривать энергосистему как масштабируемую архитектуру, способную усложняться и наращивать мощность.
Разработанная ими дорожная карта включает три этапа. На первом этапе, ориентировочно до 2030 года, основу теплоснабжения составляют радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Это наиболее зрелая технология, уже доказавшая свою надежность в космических миссиях. Один такой модуль мощностью около 110 Вт весит порядка 45 кг, а стоимость разработки подобных систем оценивается примерно в 100 млн долларов. Такие установки способны обеспечивать сотни ватт или единицы киловатт мощности. Этого достаточно для первых автоматических станций и небольших роверов, которым необходимо пережить лунную ночь при минимальном энергопотреблении.
Второй этап, рассчитанный на 2030-2035 годы, предполагает создание постоянно обитаемой базы. Здесь ключевую роль начинает играть использование местных ресурсов. Исследователи предлагают применять лунный грунт (реголит) в качестве теплового аккумулятора. Днем его нагревают с помощью солнечных концентраторов, а ночью накопленное тепло используется для обогрева и выработки электроэнергии. Реголит обладает крайне низкой теплопроводностью, поэтому ученые проанализировали методы его модификации: уплотнение, спекание, добавление примесей, лазерное плавление. В базовой конфигурации система накопления с использованием реголита способна обеспечивать порядка 6-10 кВт электрической мощности при массе установки около 1 тонны. Расчеты и лабораторные эксперименты показывают, что после такой обработки теплопроводность материала может увеличиваться в десятки раз. Это позволит существенно снизить зависимость базы от поставок топлива и оборудования с Земли.
Третий этап, согласно исследованию, начинается после 2035 года, когда база переходит к долгосрочному проживанию и промышленной деятельности. В этом случае тепловая нагрузка может достигать сотен киловатт и даже мегаватт. В качестве основы предлагаются ядерные реакторы деления с тепловой мощностью от десятков до более чем 100 кВт, с перспективой выхода на мегаваттный уровень. Для примера, наземные проекты реакторов мощностью около 50 кВт электрических имеют массу порядка 9 тонн. При этом прежние технологии не исключаются. В предлагаемой концепции формируется интегрированная сеть из нескольких источников: реактор обеспечивает базовую нагрузку, солнечные концентраторы и реголитовые накопители сглаживают пики потребления, а радиоизотопные генераторы выполняют функцию резервных источников для критически важных систем жизнеобеспечения.
Следующим шагом в исследовании должны стать наземные термовакуумные испытания, отработка материалов в условиях, максимально приближенных к лунным, а затем – демонстрационные эксперименты на самой Луне в малом масштабе.
