Д.т.н Бобин В.А., инж. Бобина А.В.

Институт проблем комплексного освоения недр РАН,

Московский институт стали и сплавов, Россия

РОБОТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ПЕРЕРАБОТКИ РЕГОЛИТА ГИРОСКОПИЧЕСКИМИ ГОРНЫМИ МАШИНАМИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЛУННЫХ ПОСЕЛЕНИЙ И ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Российская программа освоения Луны до сих пор не получила должного экономического стимула. При этом проект «Луна-25» - простое повторение программы «Луноход», успешно реализованной еще в 1970 году.

Проект создании новой космической станции на основе модулей, которые входят в состав МКС и тех, что еще будут построены в рамках этого проекта, свидетельствуют об громадном опыте каботажного космического плавания вокруг нашей общей колыбели. Да, околоземные орбиты это колыбель практической русской космонавтики, но ведь нельзя же вечно крутиться вокруг Земли.

Существует грандиозная цель, ради которой стоит смело оторваться от земного притяжения. Наша страна имеет громадный опыт и достижения в области разработки и добычи полезных ископаемых на Земле, где мы добываем весь перечень рудного и энергетического сырья для развития промышленности.

Но и на Луне полезных ископаемых не меньше, и они будут играть значительную роль в обеспечения Земли энергетическим сырьем для термоядерных электростанций. Одновременно освоение Луны позволит превратить ее и в промежуточный космопорт для полетов на Марс, астероиды и другие планеты солнечной системы. Для этого необходимо иметь мощности для производства ракетного топлива, а также элементов космических кораблей

Источником для производства экологически чистого водородо-кислородного ракетного топлива являются запасы воды на северном и южном полюсах естественного спутника Земли в объеме не менее 1,6 млрд. тонн в виде льда,

В лунном грунте (реголите) содержится значительное количество титана, железа и других металлов, пригодных для создания многих элементов космических кораблей, а также постоянных лунных поселений. В реголите содержатся также и громадные запасы гелия-3, который является основой будущей термоядерной энергетики как для Луны, так и Земли, причем уже сейчас разработана его технология извлечения за счет нагревания мелкодисперсного реголита до температуры 700⁰С с последующим сжижением.

Кроме того, в недрах Луны содержится огромное количество редкоземельных металлов, потребность в которых для специальных устройств и объектов пятого поколения в различных областях техники непрерывно растет.

Настоящий прорыв в области освоения полезных ископаемых Луны можно сделать, имея на ее поверхности постоянные лунные поселения.

Для их строительства отлично подойдет лунный грунт (реголит), который, благодаря своим свойствам, позволит защитить поселенцев от жесткого космического излучения, космического холода и метеоритов при минимальных затратах электрической энергии, получаемой от солнечных батарей.

Таким образом, в потенциале на Луне есть и в громадных количествах все, что нужно или пригодится человеку для постоянного пребывания, а также то, что необходимо человечеству остающемуся на Земле и прикладывающему колоссальные усилия по добыче углеводородного сырья, которое в свою очередь отрицательно влияет окружающий мир.

Затраченные на освоение Луны средства многократно окупятся за счет добычи и доставки гелия-3 на Землю, и в результате Россия не только получит приоритет в деле освоения полезных ископаемых на Луне, но значительную экономическую выгоду.

Для реализации этой цели необходимо решить три основные задачи: 1) создать надежный носитель для доставки грузов на Луну, 2) создать на поверхности Луны постоянное поселение и 3) создать эффективную горную машину для переработки реголита.

Не рассматривая подробно решение первой задачи, отметим, что после первых полетов человека в космос и космических аппаратов к Луне многие были уверены, что спутник Земли скоро будет заселен. Этого не случилось, но надежды остались, и они воплотились в мечты о лунных поселениях. В СССР эта идея воплотилась в виде «лунного» поселения под Ташкентом [1] .

В настоящее время наиболее перспективным и реальным является проект создания лунного поселения на базе технологии 3D-печати, предложенный Европейским космическим агентством, который по сравнению с проектом НАСА в качестве строительного материала будет использовать местный грунт реголит, состоящий из обломков изверженных пород, минералов, стекла, метеоритов. Он лежит на поверхности Луны в виде разнозернистого обломочно-пылевого слоя глубиной несколько метров. Стены лунного поселения из реголита с добавкой периклаза (оксида магния) способны компенсировать резкие температурные перепады на поверхности и защитить от метеоритов. Химический состав и свойства реголита хорошо изучены благодаря грунту, доставленному советскими автоматическим станциями «Луна», а также американскими астронавтами.

Печатающий строительный 3D-принтер-робот D-Shape уже сейчас имеет скорость укладки строительного материала от 2 до 3,5 м³/ час, что позволит построить лунное поселение объемом порядка 600 м³ за 7-10 дней.

Все это доказывает, что 3D-технология строительства лунных поселений является эффективным и перспективным методом создания лунных поселений, в том числе и в режиме роботизированного строительства.

Однако, в этой технологии не учитывается процесс приготовления реголита для печатающей головки 3D-строительного принтера. Чтобы получить плотные и прочные строительные конструкции из лунного реголита, он должен иметь вполне определенный фракционный состав, а так как реголит представляет собой разнозернистый материал, то его необходимо разрушить до заданного размера с помощью породоразрушающих горных машин.

Казалось бы проблема получения заданного гранулометрического состава лунного реголита для 3D-строительного принтера элементарна, так как современная промышленность выпускает сотни различных видов мельниц, дробилок и т.п. машин. Однако, используемые в настоящее время на Земле устройства для разрушения твердых горных пород базируются на использовании силы гравитации, как панацеи современной техники дезинтеграции горных пород [2]. Это, например, шаровые мельницы, мельницы самоизмельчения, катковые мельницы, щековые и др. дробилки. Они имеют малый к.п.д. (не более 3-5%) , большие весовые показатели, требуют высоких энергозатрат, снизить которые возможно только за счет использования принципиально новых физических эффектов по созданию усилий разрушения горных пород. Естественно, что на Луне, где сила тяжести в шесть раз меньше, чем на Земле, эффективность современных горных машин будет еще ниже.

В связи с этим необходимо решить и третью задачу программы по созданию специальной лунной горной машины для переработки реголита.

И такая горная машина в виде действующего экспериментального образца существует и называется гироскопической горной машиной (ГГМ) [2].

В ней вместо силы гравитации для разрушения горных пород используется гироскопическая сила, значение которой не зависит от ускорения свободного падения, а определяется исключительно значения угловых скоростей вращения самого двухстепенного гироскопа и горизонтальной площадки, на которой он установлен. Это свлйство ГГМ позволяет использовать ее для переработки горных пород на планетах с пониженной силой тяжести по сравнению с земной, а также на астероидах.

Поэтому идея предлагаемой инновационной роботизированной технологии переработки лунного реголита состоит в использовании эффективных гироскопических горных машин для извлечения из него полезных ископаемых и строительства лунных баз с использованием элементов технологии строительной 3Д- печати адаптированной к совместной работе с горными машинами, разработанными специально для применения их на Луне и на других небесных телах с пониженной силой тяжестью.

Особенностью технологических параметров ГГМ является то, что их можно изменять в ходе самого процесса дезинтеграции (разрушения) горной породы, не прерывая его, в том числе и дистанционно и на значительных расстояниях, и это превращает ГГМ роботизированное устройство.

Это свойство ГГМ позволяет разрушать горные породы различных физико-механических свойств рационально, затрачивая на процесс разрушения именно столько энергии, сколько требует конкретная горная порода, что делает ГГМ энергосберегающей горной машиной.

Оценочные расчеты показывают, что ГГМ производительностью 1-3 т/час будет иметь размеры в диаметре не более 0,5- 0,7 м, высоту 0,8 – 1 м и вес не более 200 кг при потребляемой мощности не более 1 – 1,3 кВт и эффективность не хуже 0,3 т/час/кВт. Эти габаритные и весовые данные свидетельствуют о том, что даже две ГГМ по этим параметрам не превышают соответствующие параметры «Лунохода-1».

Для ее реализации роботизированной технологии строительства лунного поселения надо иметь роботизированные ГГМ, мехлопату для забора и транспортировки реголита к ГГМ, а также перемещения переработанного реголита к загрузочному бункеру печатающей головке строительного 3Д-принтера, установленной, например, на консольной или мостовой кран-балке, которую можно разместить непосредственно на посадочном модуле прилунившегося космического аппарата.

Сам же посадочный модуль доставит роботизированные мехлопату и ГГМ с автономными солнечными панелями, как это сделано на луноходах. При этом общий вес мехлопаты и ГГМ не должен превышать 800 кг, т.е. их суммарный вес не должен превышать вес лунохода, что позволит доставить все механизмы для реализации проекта одной ракетой «Протон» или «Ангара».

Особенность ГГМ состоит не только в использовании ее для получения расходного материала для 3D-строительного принтера, но и в возможности дальнейшего использования после завершения создания лунного поселения. Такие перспективы появляются у ГГМ для добычи из реголита гелия-3, азота, кислорода, водорода, которые являются компонентами современного экологически чистого ракетного топлива для перевозящих гелий-3 ракет, а также воздух и воду для жителей лунных поселений.

Кроме того, перспективным направлением использования ГГМ является строительство из реголита дорог, а также различных магистральных трубопроводов для транспортировки воды, получаемой из лунного льда и других жидкостей.

Все это доказывает, что без работы на Луне ГГМ не останется, что и сделает ее только необходимым и эффективным элементом технологии 3D-строительства лунного поселения, но и важным звеном в технологиях добычи гелия-3, производства воды, воздуха и экологически чистого ракетного топлива, а также титана для корпусов космических кораблей.

Таким образом, возможности российской ракетно-космической отрасли по доставке грузов на Луну в автоматическом режиме, наличие технических возможностей для создания гироскопических горных машин для Луны показывают, что прогнозы о неспособности России в ближайшие гожы самостоятельно создать свою пилотную базу на Луне, ничем не обоснованы.

Ее строительство не требует каких-либо новых научных открытий: современной технике колонизация Луны вполне по силам, причем строительство лунной базы ускорится, если оно станет совместной национальной многолетней программой стран БРИКС (России, Китая, Индии, Бразилии и ЮАР).

Все это позволит обеспечить приоритет России в освоении природных ископаемых Луны и строительстве лунной базы.

Кроме того, строительство лунной базы может иметь и общемировое значение в связи с угрозой, так называемой, астероидной опасности, которая может привести к непредсказуемым последствиям для Земли, как небесного тела, и для человечества, как носителя разумной биологической жизни.

По сведениям из научных источников [5], например, астероид Апофис может упасть на Землю в полосе 50 км шириной, пролегающую через Россию, Тихий океан, Центральную Америку и дальше в Атлантику. Если Апофис упадет в океан, в этом месте образуется воронка глубиной 2,7 км и примерно 8 км в диаметре, от которой во все стороны побегут волны цунами. В результате, скажем, побережье Флориды попадет под удар двадцатиметровых волн, которые в течение часа будут бомбардировать материк. 

Отдавая дань благородным усилиям и разработкам ученых разных стран по созданию способов изменения орбиты астероида Апофис, необходимо отметить, что любая неудача в реализации этих способов может привести к непоправимым последствиям для всего человечества.

В свою очередь предлагается глобальный проект «Сохранение и возрождение разумной жизни на Земле после катастрофических ситуаций», в реализации которого будут задействованы все объединенные нации. Возможно, он поможет землянам в отличие от марсиан найти путь сохранения своей идентичности перед угрозой катастрофы космического масштаба.

Целью проекта является сохранение и возрождение разумной жизни на Земле после катастрофических ситуаций, вызванных космическим, климатическим воздействием или неразумными человеческими поступками с помощью создания обитаемого лунного поселения, в котором будет храниться вся техническая, интеллектуальная и биологическая информация о всех представителях земной флоры и фауны и объектах техногенной среды.

Для достижения этой цели необходимо создание надежной космической техники для доставки людей и грузов на Луну, технологии строительство из реголита обитаемых лунных поселений с помощью роботизированных комплексов, технологий, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность человека в условиях лунного поселения и на поверхности Луны, технология добычи и переработки полезных ископаемых, находящихся в реголите, технология освоения энергетических источников, а также технологии выращивания продуктов питания для лунных поселенцев и базы данных всей технической, интеллектуальной и биологической информация обо всех представителях земной флоры и фауны и объектах техногенной среды, что на их основе позволит разработать технологию сохранения и возрождение разумной жизни после возможных глобальных катастрофических событиях на Земле.

Исследовательские работы по всем этим направлениям в той или иной форме уже осуществляются, поэтому при разумной координации сроки реализации этого проекта могут составлять не более 10-15 лет, что позволит надежно решить проблему сохранения и возрождения разумной жизни на Земле после катастрофических ситуаций, вызванных космическим, климатическим воздействием или неразумными человеческими поступками.

Литература

1. http://www.newsru.com/russia/20sep2004/moon.html

2. Бобин В.А., Бобина А.В. Гироскопические силы – новая физическая основа создания энергоэффективных горных машин.Наука и образование в ХХI веке. Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции 30.12.2013 г. Мин-во обр. и науки.-М.,»АР_Консалт», 2014, с.27-30.

3.Бобин В.А., Покаместов А.В., Бобина А.В., Ланюк А.Н. Гироскопический измельчитель с центральной загрузкой породы. Патент РФ № 2429912, 2011, бюлл. № 27.

4.Бобин ВА., Покаместов А.В., Бобина А.В. Гироскопическая мельница – новая безударная техника для измельчения руд. Горный журнал № 10, 2011, с. 70-72.

5. Сайт galspace.spl.ru/index129.html (автор материала Дэвид Ноланд).