На представленной фотографии запечатлен вид на землю с борта космического корабля «Аполлон-8», демонстрирующий Землю над поверхностью Луны. В знаменитом романе Роберта Хайнлайна «Луна — суровая хозяйка» описывается сценарий будущего лунного поселения, где колонисты осуществляют доставку пшеницы и водяного льда на Землю посредством электромагнитной катапульты. Сюжет произведения повествует о группе жителей Луны, планирующей захватить контроль над установкой и угрожающей обстрелом планеты в случае отказа признать независимость лунного государства. Примечательно, что научное сообщество уже несколько десятилетий изучает данную концепцию как эффективный метод транспортировки ресурсов с Луны на Землю. В связи с планами космических агентств по созданию постоянной инфраструктуры на спутнике, интерес к реализации этой технологии вновь приобрел актуальность.

В недавней работе группа учёных из китайского Шанхайского института спутниковой инженерии (SAST) подробно описала, как магнитная ракета-носитель на лунной поверхности может стать экономически эффективным средством доставки ресурсов на Землю. Это предложение может стать частью долгосрочной концепции Китая по созданию лунного поселения, известного как Международная лунная исследовательская станция (ILRS) — совместного проекта с Российским космическим агентством (Роскосмос).

Согласно недавней статье в South China Morning Post, катапульта будет использовать технологию магнитной левитации (маглев) и работать по тому же принципу, что и метание молота в лёгкой атлетике, «но вращаясь с нарастающей скоростью, прежде чем бросить капсулу-носитель в сторону Земли». На лунной поверхности почти вакуумная среда и низкая гравитация — примерно 16,5% от земной (0,165 g) — будут способствовать выбросу полезной нагрузки. По мнению команды SAST, предлагаемая система может осуществлять два запуска в день при одной десятой стоимости существующих методов транспортировки.

Как уже отмечалось, концепция магнитной катапульты на Луне — идея, проверенная временем. Предыдущие версии этой концепции включают слингатрон, предложенный в 1998 году известным физиком Дереком А. Тидманом, который предполагал использование кругового магнитного ускорителя, а не вращающегося рычага. Аналогичная система запуска, предложенная китайской исследовательской группой, будет состоять из 50-метровой вращающейся стрелы и высокотемпературного сверхпроводящего двигателя. Он будет питаться от солнечных батарей и ядерного реактора и предназначен для преобразования кинетической энергии в электричество во время фазы замедления. Это позволит ему рекуперировать более 70 % энергии, потребляемой после каждого запуска.

После десятиминутного разгона манипулятор достигнет скорости убегания на Луне в 2,4 км/с (1,5 м/с) и выведет полезную нагрузку на траекторию по направлению к Земле. Команда также подчёркивает, что основной полезной нагрузкой будет гелий-3, собранный из лунного грунта, который можно будет использовать для питания термоядерных реакторов на Земле. «Техническая готовность системы относительно высока», — пишут они. «Поскольку она потребляет только электричество и не требует топлива, её масштаб будет относительно небольшим, а реализация — простой. Главная цель — добыча и возвращение гелия-3 для решения энергетического кризиса на Земле. Проект также будет способствовать развитию технологий космической добычи, тяжёлых ракет-носителей и искусственного интеллекта».

Если на Земле можно найти всего 0,5 тонны этого элемента, то в реголите Луны его содержится примерно 1 миллион тонн. Согласно статье команды, 20 тонн будет достаточно для удовлетворения годовых потребностей Китая в электроэнергии, а 1 миллиона тонн — для удовлетворения мировых потребностей в энергии в течение более тысячи лет. По их оценкам, система будет весить около 80 тонн и сможет оставаться в рабочем состоянии не менее 20 лет.

Однако строительство этой системы придётся отложить до тех пор, пока Китай не завершит разработку своих сверхтяжёлых ракет-носителей Long March 9 (CZ-9) и Long March 10 (CZ-10). Эти ракеты необходимы для создания ILRS, которое должно быть завершено к 2035 году с помощью других национальных космических агентств. В связи с этим предлагаемая система запуска может стать частью долгосрочных планов Китая по освоению Луны в конце 2030-х или в 2040-х годах. Предложенные командой сроки согласуются с этим: они надеются завершить разработку ключевых компонентов системы к 2030 году и ожидают полномасштабного внедрения к 2045 году.

Естественно, как и в случае с другими предложениями по строительству и освоению Луны, возникает вопрос стоимости. По данным исследовательской группы, стоимость строительства системы запуска составит примерно $18,25 миллиарда. Однако на прошлогоднем заседании Китайской ассоциации науки и техники (CAST) член группы Чу Инчжи заявил, что добыча трёх-пяти тонн гелия-3 в год может принести доход в 100 миллиардов юаней. Для того чтобы построить такую систему, необходимо решить множество технических и логистических проблем.

Для начала, в работе исследовательской группы не рассматривается вопрос о том, как гелий-3 будет добываться из местного реголита. Как отметил Чу, также необходимо установить систему на изрезанной лунной поверхности, обеспечить устойчивость вращающегося манипулятора на высоких скоростях и гарантировать, что он сможет работать в лунной среде, которая подвержена резким колебаниям температуры, космическим лучам и повышенному уровню солнечной радиации. Но в долгосрочной перспективе магнитная система запуска — это элегантное предложение и относительно экономичная альтернатива запуску космических аппаратов с поверхности Земли.

Безракетный космос: как человечество планирует вывозить ресурсы с Луны

Идея безракетного освоения космоса и транспортировки грузов между небесными телами зародилась задолго до первых реальных космических полетов. Как только человечество осознало физические законы гравитации и космических скоростей, ученые начали искать способы преодолеть «тиранию ракетного уравнения» Циолковского, согласно которому ракета вынуждена нести колоссальную массу топлива лишь для того, чтобы поднять саму себя.

• Истоки концепции (Конец XIX — начало XX века): Одним из первых концепцию электромагнитного разгона грузов описал основоположник космонавтики Константин Циолковский. Независимо от него в 1897 году французский писатель-фантаст Жорж Ле Фор в романе «Вокруг Солнца» упомянул гигантскую пушку, использующую энергию соленоидов для запуска снаряда. В 1910-х годах американский физик Роберт Годдард создал первые детальные чертежи линейного индукционного двигателя для запуска межпланетных кораблей.
• Техническое обоснование (1970-е годы): Переломный момент наступил благодаря профессору Принстонского университета Джерарду О’Нилу. В рамках исследований по колонизации космоса он детально разработал концепцию «драйвера массы» (mass driver) — линейного электродвигателя, предназначенного именно для Луны. О’Нил доказал, что вакуум и низкая лунная гравитация (всего 16,5% от земной) делают Луну идеальным полигоном для электромагнитных катапульт. Ей не нужна огромная первая космическая скорость (достаточно всего 2,38 км/с вместо земных 7,91 км/с), а отсутствие атмосферы исключает сопротивление воздуха и сгорание капсулы при старте.
• Современный этап: Сегодня теоретические выкладки прошлого века превращаются в инженерные программы. Стимулом стали планы по добыче лунных ресурсов (воды, металлов, Гелия-3). Если Китай официально заявил о рассмотрении магнитной пушки в рамках долгосрочной технологической программы до 2045 года, то другие космические державы и частные корпорации форсируют развитие альтернативных систем.

1. Проекты и концепции в России

Российская космонавтика сочетает глубокую академическую базу советских НИР с современными планами создания Международной научной лунной станции (МНЛС) совместно с Китаем. Российские инженеры делают ставку на синергию тяжелых ракет, ядерной энергии и орбитальных буксиров.

• Ядерный буксир «Зевс» (Транспортно-энергетический модуль — ТЭМ): Ключевой проект Роскосмоса для организации постоянного грузопотока. Мегаваттный космический аппарат с ядерной электродвигательной установкой (ЯЭДУ) не стартует с Луны сам, но выполняет роль «космического поезда». Он будет подбирать грузовые контейнеры на окололунной орбите и экономично доставлять их к Земле за счет высокой эффективности ионных двигателей.
• Многоразовый лунный корабль «ЛК-М»: Проект многоразового посадочно-взлетного комплекса, интегрируемого в лунную программу. Предполагается, что корабль будет курсировать между поверхностью Луны и орбитальной станцией. В среднесрочной перспективе его двигатели планируется перевести на компоненты топлива, добываемые непосредственно на Луне (например, жидкий кислород из реголита).
• Сверхтяжелый комплекс на базе ракет «Ангара-А5В»: Двухпусковая схема с использованием водородной ступени. Данный метод рассматривается как основная классическая альтернатива на первые этапы освоения, позволяющая доставлять возвратные ракетные модули для отправки образцов грунта обратно на Землю.
• Роторные кабельные катапульты (Концепции РАН): Теоретические разработки, изучавшиеся в институтах космических исследований. Суть метода заключается в развертывании на лунной поверхности вращающегося сверхпрочного троса (пилона). При раскрутке центробежная сила позволяет запустить закрепленную на конце капсулу по касательной траектории в сторону Земли, полностью исключая затраты топлива на взлет.

2. Международные альтернативы (США, ESA, частный сектор)

Мировой космический сектор, ведомый программой NASA Artemis и коммерческими стартапами, движется по пути диверсификации: от проверенных химических двигателей до футуристических лифтов и кинетических пушек.

Многоразовые жидкостные и метановые ракеты

• SpaceX Starship Human Landing System (HLS): Полностью многоразовая двухступенчатая система. Starship использует метан и жидкий кислород. Способность корабля дозаправляться на орбите и взлетать с Луны без использования отдельной стартовой ступени делает его главным конкурентом безракетных систем на ближайшие десятилетия.
• Blue Origin Blue Moon: Конкурирующий многоразовый посадочный модуль, разрабатываемый для долгосрочных миссий NASA. В качестве топлива использует жидкий водород и жидкий кислород. Проект изначально затачивается под будущую заправку водой, добытой из полярных кратеров Луны.
• Импульсные системы Impulse Space: Проекты малых и средних автоматических многоразовых «челноков» для оперативной доставки коммерческих грузов и контейнеров с ценными элементами от поверхности Луны до высокоорбитальных платформ.

Лунные космические лифты (Lunar Space Elevator — LSE)

• Проект LiftPort Group: Частная американская инициатива, разрабатывающая концепцию лифта, протянутого от поверхности Луны через точку Лагранжа L1 системы Земля-Луна. В отличие от земного аналога, лунный лифт можно построить уже при существующих технологиях из высокопрочных полимеров (например, кевлара или Дайнимы), так как нагрузки на трос здесь в десятки раз ниже.
• Концепт Космического лифта Обаяси (Япония): Корпорация Obayashi активно исследует углеродные нанотрубки. Их лунная модификация лифта рассматривается как способ непрерывной, бесшумной и безопасной транспортировки оборудования и добытых минералов без вибрационных и тепловых нагрузок.
• Концепция «Космической леера» (Spaceline): Проект исследователей из Колумбийского и Кембриджского университетов. Предлагается закрепить трос на Луне и протянуть его почти до самой Земли (остановившись на геостационарной орбите). Корабли с Земли долетают до конца троса, закрепляются и поднимаются на Луну исключительно за счет электротяги, что снижает затраты на перелет на 90%.

Газодинамические пушки (Light-gas guns)

• Технология Green Launch: Американский стартап, тестирующий пушки, где снаряд разгоняется за счет энергии расширения водорода. На Луне, ввиду отсутствия сопротивления воздуха, горизонтальный или наклонный ствол такой пушки длиной в несколько сотен метров способен отправлять грузы по баллистическим траекториям напрямую к Земле.
• Проекты Quicklaunch: Концепции легкогазовых пушек, адаптированных для полуавтономной работы на поверхности Луны с использованием солнечной энергии для сжатия и нагрева рабочего газа (гелия).
• Многокамерные артиллерийские системы: Исторические концепты, адаптированные под современные композитные материалы, где давление в стволе поддерживается за счет последовательного подрыва небольших зарядов по мере движения капсулы.

Кинетические центрифуги

• Вакуумные ускорители SpinLaunch: Компания успешно тестирует суборбитальные кинетические запуски на Земле. Адаптация их системы для Луны выглядит значительно проще: из-за отсутствия атмосферы отпадает необходимость в создании идеального вакуума внутри пусковой камеры, а малая гравитация позволяет сократить диаметр вращающегося ротора в несколько раз для достижения той же космической скорости.
• Гравитационные пращи малых базовых станций: Проекты автоматических систем, которые раскручивают небольшие контейнеры (до 10-20 кг) с ценными очищенными изотопами и «выстреливают» ими серией из сотен коротких залпов.

Сравнительный анализ транспортных систем

Технология	Скорость разгона / доставки	Энергозатраты на запуск	Безопасность для людей	Готовность технологии (TRL)	Основная инфраструктурная привязка
Магнитная пушка (Китай / EMALS)	Высокая (залповая)	Экстремально высокие (МВт)	Нет (высокие перегрузки)	Средняя (требует лунной АЭС)	Километровый рельсовый путь, сверхпроводники
Ядерные буксиры (РФ)	Низкая (длительная тяга)	Высокие (ядерный реактор)	Да (на безопасном удалении)	Выше средней (идут испытания)	Орбитальные заправочные и стыковочные узлы
Химические ракеты (SpaceX/Blue Origin)	Высокая	Минимальные электрозатраты	Да	Высокая (применяется сейчас)	Заводы по переработке льда в топливо
Космический лифт (LSE)	Очень низкая (дни пути)	Низкие	Да (максимальная)	Низкая	Сверхдлинный трос, станция в точке Лагранжа
Центрифуги (SpinLaunch)	Высокая (залповая)	Средние (накопительные)	Нет (перегрузки до 10 000G)	Средняя	Тяжелый опорный фундамент, массивный ротор

Перспективы развития и финальное заключение

Развитие лунно-земной транспортной системы неизбежно пройдет через три ключевых этапа:

1. Ракетно-инфраструктурный этап: Использование классических многоразовых ракет на метане и водороде с постепенным развертыванием орбитальных буксиров.
2. Гибридный этап: Появление первых кинетических и легкогазовых пушек для отправки сырья, параллельно с началом добычи топлива на лунных полюсах.
3. Безракетный индустриальный этап: Строительство глобальных электромагнитных катапульт и лунных лифтов при условии создания на спутнике стабильной энергетической сети (ядерной или солнечной).

Электромагнитные пушки, рассматриваемые Китаем, обладают фундаментальным преимуществом перед ракетами: они превращают транспортные расходы из операционных (каждый запуск требует дорогого топлива) в капитальные (нужно один раз построить пушку и электростанцию, после чего каждый запуск становится почти бесплатным).

В долгосрочной перспективе победу одержит не какая-то одна технология, а их глубокая интеграция. Тяжелая промышленность и добыча ресурсов на Луне будут опираться на магнитные пушки и центрифуги для отправки руды на Землю, в то время как люди и хрупкое научное оборудование будут путешествовать на безопасных космических лифтах и многоразовых ядерных челноках.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему нельзя использовать обычные пороховые пушки для отправки грузов с Луны?
   Пороховые газы имеют физическое ограничение по скорости расширения — снаряд в такой пушке принципиально невозможно разогнать выше 1,5–2 км/с, чего недостаточно для преодоления гравитации Луны. Кроме того, порох требует расхода химических реагентов, которые на Луне не добыть, в то время как магнитные пушки работают на чистой электроэнергии.
2. Каковы перегрузки при запуске из магнитной пушки и выживет ли там человек?
   Для разгона снаряда до лунной второй космической скорости (2,38 км/с) на дистанции, например, в 1–2 километра, перегрузки составят от нескольких десятков до сотен G. Человек способен выдержать кратковременную перегрузку лишь до 9–12 G. Поэтому любые пушки и центрифуги подходят исключительно для неодушевленных грузов (реголит, металлы, вода).
3. Что произойдет с капсулой, когда она долетит до Земли? Как её ловить?
   Капсулы со стороны Луны будут входить в атмосферу Земли на скорости около 11 км/с. Им понадобятся мощные теплозащитные экраны. Торможение будет происходить за счет трения об атмосферу, а финальный спуск — на парашютах или с помощью аэродинамических крыльев в заданном пустынном районе (например, в степях или океане).
4. Зачем строить пушки на Луне, если можно возить грузы ракетами?
   Чтобы ракета взлетела с Луны, ей нужно топливо. Чтобы это топливо там появилось, его нужно либо привезти с Земли (что делает добычу лунных ресурсов экономически бессмысленной), либо построить на Луне сложнейшие заводы по переработке льда. Магнитная пушка работает от солнечных или ядерных батарей, не требуя ни капли дефицитного лунного топлива.
5. Какая из технологий безракетного запуска ближе всего к реализации?
   Наивысшую степень технической готовности среди безракетных систем сейчас имеют многоразовые жидкостные ракеты (благодаря SpaceX) и кинетические центрифуги (благодаря земным тестам SpinLaunch). Магнитные пушки (рельсотроны) технически понятны, но их реализация упирается в необходимость доставки на Луну сверхпроводников и развертывания мощнейших источников энергии.

Автор: Вячеслав Голованов @SLY_G
Источник: https://habr.com/