Основой развития обитаемой лунной базы являются ее энергетическое обеспечение, необходимое для добычи воды и ее разложения на кислород и водород, организации теплового режима и замкнутого цикла биосистем базы на протяжении лунного дня и лунной ночи, снабжение электроэнергией исследовательской аппаратуры и промышленного оборудования. Для решения этих задач потребуется создание специального энергетического комплекса.

Освоение Луны предполагается проводить в несколько этапов [1]. Должна быть создана постоянная база с ограниченной численностью персонала (от 3 до 12 человек) и проведено развертывание на ней экспериментального производства систем жизнеобеспечения и компонентов топлива. В процессе функционирования базы будет проведено постепенное освоение технологических процессов комплексной переработки лунного грунта – производство газообразных продуктов, воды и отдельных видов конструкционных материалов и изделий из них, будут разработаны технологии добычи полезных ископаемых [2] и процессы технологического обслуживания транспортных средств, курсирующих от Луны до орбиты искусственного спутника Луны (заправка, ремонт, дооснащение). Имеющиеся данные по требуемым уровням электрической и тепловой энергии лунной базы зависят от того, какие цели и задачи освоения Луны рассматриваются, детализации этапов освоения Луны, количества членов экипажа и комфортности пребывания их на лунной базе, степени замкнутости систем жизнеобеспечения, технологических процессов и их цикличности.

Для определения степени пригодности источника электрической и тепловой энергии того или иного типа для автономного энергетического модуля лунного базирования, проведена оценка технико-экономической эффективности применения двух типов энергетических установок в составе системы энергоснабжения лунной базы – ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) и солнечных электростанций (СЭС) на основе солнечных батарей.

Рассматривались два основных варианта размещения ЛБ – в южной приполярной области Луны, где в ряде районов возможно высокое  содержания воды в реголите (в форме льда, либо в связанном состоянии), а также в произвольном районе лунной поверхности (например, в экваториальных и средних широтах). Для второго варианта характерен типичный состав лунного грунта [3, 4] и наличие суточного цикла освещенности (14 суток лунного дня и 14 суток лунной ночи).

При размещении ЛБ в полярном регионе возможны два режима освещенности. В общем случае ЛБ размещается в постоянно затененных районах, где использование ядерных источников энергии в составе системы электроснабжения ЛБ является безальтернативным. В тоже время рассмотрен вариант дислокации базы в районе «пиков вечного света» – на территории части вала кратера Шеклтон, расположенного вблизи южного полюса Луны.

Для каждого из рассмотренных выше возможных расположений на лунной поверхности могут быть следующие варианты ЛБ:

- ЛБ с добывающе-перерабатывающим комплексом (ДПК) [5] для производства кислорода и воды из лунных ресурсов;

- ЛБ с ДПК для производства криогенных компонентов топлива (и с оборудованием для их хранения) для обеспечения топливом лунной транспортной системы (в части доставки грузов с орбиты искусственного спутника Луны на поверхность Луны и обратно);

- ЛБ с ДПК работающий по технологии полной переработки лунного грунта (для получения кислорода, воды, криогенных компонентов топлива и металлов).

Возможные типы ДПК для переработки лунного грунта, используемое в их составе оборудование и физико-химические процессы рассмотрены в [1, 6]. В соответствии с полученными в указанных работах результатами, рассматривались следующие типы ДПК, различные сочетания которых обеспечивают решение стоящих перед исследуемыми вариантами ЛБ задач:

1) ДПКВ (энергопотребление до 100 кВт): комплекс, обеспечивающий добычу воды (содержащейся в форме льда) из лунного реголита его термической обработкой, очистку воды и получение из нее кислорода и водорода посредством электролиза (применяется только для переработки грунта, обогащенного водяным льдом).

2) ДПКР (энергопотребление до 500 кВт): комплекс, обеспечивающий получение кислорода и металлов (при необходимости) путем восстановления окислов металлов в ходе полной переработки лунного грунта, включающей процессы карбохлорирования.

3) ДПК-Н₂ (энергопотребление до 1000 кВт), осуществляющий получение воды из адсорбированных газов (Н₂, СО₂, СО), с ее последующим электролизом для производства кислорода. Попутно с адсорбированными газами добывается также и некоторое количество адсорбированной воды – продукта восстановления водородом солнечного ветра окислов лунного грунта.

В Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королёва имеется большой опыт проектно-конструкторских и экспериментальных работ по созданию высокотемпературных космических ЯЭУ большой мощности [7]. В результате проведения большого объема научно-исследовательских работ был предложен целый ряд возможных космических применений ЯЭУ на базе указанной технологии, включая лунную атомную электростанцию (ЛАЭС) [8]. Лунная атомная электростанция представляет из себя комплекс специальных агрегатов и сооружений основным из которых является ЯЭУ – термоэмиссионный реактор-преобразователь с отводом тепла излучением с поверхности высокотемпературного холодильника-излучателя на тепловых трубах. Защита персонала и оборудования лунной базы от излучения реактора осуществляется собственной радиационной защитой ЯЭУ, валом радиационной защиты из лунного грунта и (или) помещением ЯЭУ в заранее подготовленную шахту на поверхности Луны.

Облик солнечной электростанции на основе солнечных батарей (СБ) [9, 10] будет определяться, в первую очередь, местом размещения ЛБ на лунной поверхности.

В районе, где имеет место 14-суточная лунная ночь, для постоянной работы СЭС требуется использование накопителя энергии большой емкости. В качестве накопителей энергии могут использоваться либо химические аккумуляторные батареи (например, никель-водородные, литий-ионные или литий-полимерные), либо регенерационные электрохимические генераторы (РЭХГ). Рассматривалось использование в составе РЭХГ газобаллонной системы хранения и предполагалось, что их запас изначально доставляется с Земли.

При размещении ЛБ в районе «пиков вечного света» нет необходимости включать в состав СЭС накопители энергии. СЭС может быть построена на базе однотипных энергомодулей на основе солнечных батарей.

Вне зависимости от выбора типа и параметров основной энергоустановкой для ЛБ с ДПК на начальном этапе развертывания лунной базы, а в дальнейшем в качестве аварийной системы электропитания должна использоваться резервная система на основе солнечных батарей и накопителей энергии (предпочтительно РЭХГ) проектной мощностью до 10 кВт.

Применение ЛАЭС обязательно в полярных районах с постоянным затенением. Проведенный сравнительный анализ показал также, что использование ЛАЭС практически безальтернативно, начиная с этапа производства топлива из лунных ресурсов, если ЛБ размещается в произвольном районе Луны, без значительных запасов воды в грунте и при наличии суточного цикла освещенности.

Учитывая высокую степень технологической готовности СБ, их высокий ресурс, надежность и безопасность эксплуатации, а также выполненные оценки массы и габаритов, можно сделать предварительный вывод о предпочтительности СЭС при размещении ЛБ в районе «пиков вечного света», по крайней мере для требуемых уровней мощности до  50 – 200  кВт.

Аналогично сравнение массогабаритных характеристик позволяет заключить, что для случаев размещения ЛБ в произвольном районе Луны (когда в состав СЭС должен входить РЭХГ) даже при среднесуточном уровне энергопотребления до 50 – 100 кВт (когда имеет место производство кислорода, но отсутствует производство криогенных компонентов топлива) явным преимуществом должны обладать ЛАЭС.

В таблице 1 представлены результаты качественного сравнения лунных атомной и солнечной электростанций.

Таблица 1. Результаты качественного сравнения лунных атомной и солнечной электростанций

1. Луна – шаг к технологиям освоения Солнечной системы / Под научной ред.                     В.П. Легостаева и В.А. Лопоты. М., 2011.
2. Брюханов Н.А., Легостаев В.П., Лобыкин А.А., Лопота В.А., Сизенцев Г.А.,                   Синявский В.В., Сотников Б.И., Филиппов И.М., Шевченко В.В. Использование ресурсов Луны для исследования и освоения Солнечной системы в XXI веке // Космическая техника и технологии. 2014. №1. С. 3–14.
3. Викторов С.В., Чесноков В.И. Химия лунного грунта. М., 1978.
4. Мохов А.В., Карташов П.М., Богатиков О.А. Луна под микроскопом: новые данные по минералогии Луны: атлас. М., 2007.
5. Грибков А.С., Евдокимов Р.А., Синявский В.В. Лунный добывающе-перерабаты­вающий комплекс // Энергия: Экономика, техника, экология. 2011. № 10. С. 68–74.
6. Грибков А.С. Технология и энергозатраты для космического производства металлических рабочих тел ракетных двигателей // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 2. C. 112–117.
7. Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В. Перспективы и эффективность применения космических ядерно-энергетических установок и ядерных электроракетных двигательных установок // Космическая техника и технологии. 2013. №1. С. 6–17.
8. Бранец В.Н., Грибков А.С., Джафаров Г.А., Евдокимов Р.А., Железняков А.Г., Масленников А.А., Романов С.Ю., Севастьянов Н.Н., Синявский В.В., Тугаенко В.Ю. Атомная электростанция обитаемой лунной базы // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 15-21.
9. Перминов А.Н., Моисеев Н.Ф., Севастьянов Н.Н., Брюханов Н.А., Сизенцев Г.А., Синявский В.В., Сотников Б.И., Стойко С.Ф. Перспективы освоения Луны // Известия РАН. Энергетика. 2006. №1. С. 3-14.
10. Евдокимов Р.А., Железняков А.Г. Солнечные космические газотурбинные установки и перспективные солнечные батареи с многопереходными фотоэлектрическими преобразователями на основе GaAs: сравнительный анализ характеристик // Сб. тезисов докладов XII всероссийской межвузовской научно-технической конф. «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели». М., 2004. С.174-176.

Все статьи автора «PetrKinash»