SpaceX испытает связь для будущей лунной базы NASA

Как может выглядеть будущая лунная база. Художественная визуализация: NASA.

Если луноход спустится в кратер у южного полюса Луны, его антенна может потерять прямую связь с Землей. Для короткой экспедиции это ограничивает маршрут. Для будущей базы, где людям и машинам предстоит работать на разных участках, нужны способы поддерживать связь и за пределами прямой видимости.

7 ноября NASA объявило, что поручило SpaceX испытать спутниковую связь в окололунном пространстве. Запуск на Starship намечен на 2028 год. В том же году агентство планирует отправить к южному полюсу луноход PROMISE. Он будет искать лед в грунте, который NASA отдельно изучает как возможное сырье для строительства базы.

Задание для SpaceX

С южного полюса Луны Земля видна низко над горизонтом. Даже если она видна с гребня, на дне соседнего кратера сигнал могут перекрыть склоны. Спутник-ретранслятор позволяет передать сигнал в обход такого препятствия: когда он виден и с места работы лунохода, и с Земли, через него можно отправлять команды и получать снимки и данные приборов.

SpaceX доставит спутники на Starship по отдельному заданию в рамках действующего контракта на лунную логистику. NASA намерено использовать результаты испытания при проектировании будущей сети, которая свяжет базу, экипажи и центры управления. Дату запуска точнее 2028 года агентство пока не назвало. Связь с PROMISE через эти конкретные спутники в объявлении не заявлена.

Кратер Шеклтон у южного полюса Луны. Визуализация по данным Lunar Reconnaissance Orbiter: NASA.

NASA также готовит оборудование для связи и электропитания на поверхности. Для небольшой башни miniCAST агентство заказало разработку компонентов, в том числе солнечных панелей, аккумуляторов и оборудования для беспроводной передачи энергии. Систему сначала соберут и проверят на Земле. Это отдельный проект: спутники обеспечивают канал передачи данных, а наземным приборам и антеннам нужно откуда-то получать питание.

Две задачи для Starship

Starship – название и корабля, и всей системы запуска. С Земли корабль поднимает первая ступень Super Heavy. После отделения корабль продолжает полет на своих двигателях. Для испытания связи NASA нужен запуск, который доставит спутники в окололунное пространство. Посадку на Луну в рамках этого задания агентство не объявляло.

Для пилотируемых полетов по программе Artemis SpaceX разрабатывает отдельную версию корабля – лунный посадочный аппарат Starship HLS. У него другая работа: доставить астронавтов на поверхность и после экспедиции вернуть их к кораблю Orion. Сам Orion с экипажем стартует с Земли на ракете NASA Space Launch System.

По схеме, которую NASA описало в октябре, сначала на околоземной орбите соберут запас топлива. Несколько кораблей-заправщиков передадут его в орбитальное хранилище, а из него топливо поступит в посадочный аппарат. После заправки Starship состыкуется с Orion еще на орбите Земли. К Луне оба корабля отправятся вместе. Двое астронавтов спустятся на поверхность на Starship, а обратно на Землю экипаж вернется на Orion.

Старт Starship с площадки Starbase, 11-й испытательный полет. Фото: Shujianyang / Wikimedia Commons. Кадрировано. CC BY-SA 4.0.

Что еще предстоит испытать

В марте 2024 года SpaceX выполнила операции по переливу топлива между баками внутри одного Starship во время третьего испытательного полета. Для полета к Луне нужна другая операция: передать топливо между отдельными кораблями, которые сначала должны встретиться и состыковаться на орбите. NASA планирует проверить эту схему в ходе беспилотной демонстрации лунного аппарата. Такая проверка нужна до того, как посадочный Starship сможет принять экипаж.

Поэтому у двух задач NASA разные критерии успеха. Для демонстрации связи важно доставить спутники и проверить, как они передают данные. Для пилотируемой миссии нужно отдельно подтвердить, что посадочный аппарат сможет заправиться, доставить людей на поверхность и вернуть их на орбиту. Даже успешный запуск спутников сам по себе не подтвердит готовность Starship к высадке.

Луноход для поисков льда

В некоторых кратерах у южного полюса солнечный свет не достигает дна. В таких холодных местах мог сохраниться водяной лед. Если впоследствии его удастся добывать и очищать, часть воды для экипажей можно будет получать на Луне. Для этого сначала нужно узнать, где находится лед, на какой глубине и сколько его в грунте.

Запуск PROMISE намечен на конец 2028 года, а основная миссия рассчитана на 18 месяцев. Инженеры Лаборатории реактивного движения NASA собирают аппарат с использованием компонентов и испытательного оборудования марсоходов Curiosity и Perseverance. Электричество будет вырабатывать радиоизотопный генератор: он позволит работать лунной ночью и в местах, куда не попадает солнечный свет.

Бур PROMISE будет поднимать грунт с глубины до метра порциями через каждые десять сантиметров. Это позволит изучать материал из разных слоев, а не только то, что лежит на поверхности. Одни приборы будут искать признаки льда, другие – определять состав образцов. По этим данным ученые смогут оценить, где стоит продолжать разведку. Добыча воды в задачи миссии не входит.

Посадку и выгрузку лунохода NASA поручило Blue Origin. Компания использует аппарат Mark 1. Базовая стоимость задания – $94 млн; еще до $140 млн приходится на опцион, который зависит от выполнения работ. У SpaceX другая задача – вывести спутники для демонстрации связи. Стоимость этого задания NASA в релизе не раскрыло.

Горячее разделение ступеней Starship во время пятого испытательного полета, 13 октября 2024 года. Фото: Steve Jurvetson / Flickr. CC BY 2.0.

Как выбирают место для базы

Точка, где удобно искать лед, не обязательно подходит для посадки или размещения оборудования. На дне кратера холодно и темно, а на соседнем гребне может быть больше солнечного света. При выборе места NASA нужно учитывать рельеф, освещенность и возможность поддерживать связь. Поэтому исследования у полюса ведут и с поверхности, и сверху.

Одна из миссий разведки – MoonFall. NASA планирует отправить к южному полюсу четыре аппарата, которые будут перелетать между участками на ракетной тяге. С высоты они снимут местность, в том числе районы, куда сложнее добраться колесной технике. По этим данным можно будет составлять карты потенциальных мест посадки и уточнять маршруты для будущих экспедиций.

По плану NASA сначала роботизированные миссии должны проверить, как доставлять грузы и работать на южном полюсе. Затем, на этапе 2029–2032 годов, агентство рассчитывает начать развертывать инфраструктуру для более длительных операций: источники энергии, связь и системы доставки грузов. Результаты первых экспедиций помогут решить, где ее разместить.

Стройматериал под ногами

Реголит – это рыхлый слой пыли, песчинок и обломков породы, который покрывает Луну. Он образовывался миллиарды лет: удары метеоритов дробили камень, а последующие удары измельчали обломки. Именно в таком грунте остались следы ботинок астронавтов Apollo. У южного полюса он будет под будущей базой и может стать сырьем для ее строительства.

След ботинка на лунном грунте во время миссии Apollo 11, 1969 год. Фото: NASA / Эдвин «Базз» Олдрин.

Преимущество местного грунта в том, что его не придется везти с Земли. Для фундамента или площадки нужно много материала. Если основную массу можно собрать на месте, место в грузовом корабле останется для инструментов, оборудования и компонентов, которые на Луне пока нельзя изготовить. Зато на поверхности понадобятся машины, способные собирать, перемещать и перерабатывать грунт.

Один из вариантов – смешать реголит со связующим. Частицы грунта составляют основную массу смеси, а связующее удерживает их вместе после затвердевания. Получается твердый материал, похожий по назначению на бетон. В Космическом центре Кеннеди NASA и его партнеры испытали 3D-печать смесью полимера и имитатора реголита. Для опыта использовали вакуумную камеру, чтобы проверить процесс без воздуха, как на Луне.

NASA изучает и способы обойтись без привозного связующего. Например, грунт можно нагреть так, чтобы частицы спеклись и образовали твердую поверхность. В рамках проекта MMPACT команда также напечатала в Техасе уменьшенный образец посадочной площадки. Такие опыты помогают проверить, как укладывать материал на большой площади. Работу оборудования и прочность покрытия в условиях Луны еще предстоит подтвердить.

Фундамент и посадочная площадка

Для основания под оборудование нужно покрытие, которое выдержит нагрузку и не просядет. У посадочной площадки другая задача: выдержать струю двигателя. Когда корабль садится на рыхлый грунт, выхлоп разбрасывает пыль и камни, ухудшает видимость и может повредить технику поблизости. Чем чаще на базу будут прибывать грузы, тем важнее оборудованная площадка.

Наземное испытание 3D-печати с имитатором лунного грунта в вакуумной камере. Фото: NASA/KSC, 2022.

Чтобы выяснить, как материалы выдерживают такую нагрузку, NASA направляло горячие газы ракетного двигателя на образцы покрытий в пустыне Мохаве. Среди вариантов были плитки из спеченной породы и покрытие из углеволокна с имитатором реголита. Это наземные испытания разных решений. NASA пока не объявляло, что фундаменты и площадки будущей базы будут строить из смеси реголита со связующим.

Динамика акций SpaceX

После снижения на 9,05% 5 ноября акции SpaceX (SPCX) закрылись на отметке $123,62. Уже 6 ноября они выросли до $134,27, а 9 ноября, в первую торговую сессию после объявления NASA, прибавили еще 5,81% и закрылись на $142,07. За две сессии бумаги отыграли падение 5 ноября и прибавили 14,9% от уровня закрытия того дня.

При цене входа Regolith на стадии pre-IPO $15,90 за акцию расчетный прирост к закрытию 9 ноября составил 793,5%.

Акции начали расти еще до объявления NASA, поэтому по движению котировок нельзя отделить эффект этой новости. Для SpaceX значение задания в другом: компания получит возможность испытать доставку спутников к Луне на Starship. Если демонстрация пройдет успешно, NASA сможет использовать ее результаты при проектировании сети, которая свяжет будущую базу и экипажи с Землей.