Лунная обсерватория: гигантский телескоп

Основной элемент любого телескопа-рефлектора — это зеркало, фокусирующее свет. Современные технологии позволяют делать большие зеркала, состоящие из многих сегментов: на Гавайях, к примеру, уже давно работают два десятиметровых рефлектора — телескопы Keck1 и Keck2, а самый большой в мире зеркальный телескоп Gran Telescopio Canarias имеет диаметр 10,4 м. Планируемый к запуску в 2013 году орбитальный телескоп James Webb будет оснащен многосегментным зеркалом диаметром 6 м. Питер Чен и его коллеги Даг Рабин, Майкл ван Стенберг и Рон Оливерсен, замахнувшиеся на 50-метровое зеркало, считают, что для постройки рефлектора-гиганта достаточно доставить на Луну всего лишь несколько килограммов углеродных нанотрубок, пару центнеров эпоксидной смолы и немного алюминия.

Процесс изготовления зеркала по технологии Чена предусматривает отливку заготовки методом центробежного литья (спинкастинга) и последующее нанесение на нее отражающего слоя из алюминия. Лунная пыль, или реголит, играет роль наполнителя, а связующим материалом в смеси служит эпоксидная смола. По мере заполнения формы она постепенно затвердевает и образует готовое основание для зеркала. В состав смеси кроме лунной пыли Чен планирует добавлять углеродные нанотрубки и волокна для повышения прочности и снижения конечной усадочной деформации заготовки. Кроме того, углеродные нановолокна должны придать полученному материалу электропроводность и повышенную устойчивость к суточным перепадам температуры, которые на Луне достигают почти 300 градусов. Последний этап процесса — нанесение на основание зеркала тончайшего отражающего слоя из алюминия. После этого астронавтам останется лишь установить суперзеркало на подвижную платформу и подключить управляющую электронику. Примерно таким же образом можно, по мнению Чена, наладить производство строительных блоков для возведения обитаемых лунных станций. Ведь по прочности полученный материал соответствует бетону. Гигантские лунные зеркала также могут играть роль концентраторов солнечного света для превращения его в электричество. Все просто, уверяет Чен. Но это только на первый взгляд.

В качестве подтверждения своей концепции Питер Чен и его коллеги продемонстрировали прототип лунного зеркала диаметром 30 см, сделанного по описанной методике из эпоксидной смолы и имитатора лунной пыли типа JSC-1A Fine. Тончайший зеркальный слой из алюминия был нанесен на его поверхность методом напыления в вакууме. Качество зеркала получилось отличным. Но комфорт земной лаборатории и проведение работ на Луне в экстремальных условиях — совсем не одно и то же. Главный враг всех механизмов, как, впрочем, и астронавтов, на Луне — вездесущая лунная пыль. Она обладает очень высокой абразивностью и настолько электризована ультрафиолетовым солнечным излучением, что ее верхний слой нависает над поверхностью Луны, как рыхлый туман. Она буквально прогрызает все движущиеся механизмы, стоит ей лишь попасть между трущимися деталями. Для надежной работы в агрессивных лунных условиях необходима совершенно новая специальная техника и машины, защищенные от пыли. Пока их просто не существует.

Другая проблема — создание идеальной рабочей поверхности зеркала. Естественно, что методом центробежного литья создать идеальную параболическую поверхность невозможно даже в земных условиях. Прецизионная механическая обработка зеркала диаметром несколько десятков метров — непростая задача. Каким способом это будет сделано — пока не ясно. Нет ответа и на вопрос о технологии нанесения финишного зеркального слоя из алюминия в условиях запыленности. Кроме того, пока не изучены вопросы долговечности композитно-реголитового материала в условиях высокой радиации и экстремальных температур. Да, доставить на Луну 1,3 кг углеродных нанотрубок, 60 кг композитной смолы и 1 г алюминия, которых достаточно для создания зеркала, равного по размерам главному зеркалу орбитального телескопа Hubble, намного проще, чем везти с собой готовую деталь таких размеров, даже в виде отдельных сегментов. Но как доставить на Луну механизмы, с помощью которых будет осуществлен весь комплекс работ? Загадка. Метод центробежного литья предусматривает наличие вращающейся герметичной литейной формы. И если диаметр заготовки зеркала составит 50 м, то сама форма должна быть еще больше. Из чего она будет сделана? И на этот вопрос пока нет ответа.

Заявление профессора Чена о том, что его командой создана технология постройки астрономического прибора на Луне по неастрономическим ценам, многие специалисты считают несколько преждевременным. Физик Джеймс Спанн из Центра космических полетов имени Маршалла говорит: «Идея отличная. Но как вы доставите на Луну громадную вращающуюся платформу для центробежного литья? И даже если вы решите эту проблему, то какой механизм потребуется для ее вращения? Сколько часов работы в лунной пыли он сможет выдержать?» Несмотря на это Спанн считает, что другая часть замысла профессора Чена — создание на Луне строительных блоков из композитно-реголитовой смеси — очень перспективна. Совершенно немыслимо завозить строительные материалы для лунных поселений с Земли, когда вокруг находится невероятное количество горной породы. Ли Файнберг, руководитель проекта орбитального телескопа James Webb, который начнет работу на орбите в 2013 году, считает, что осуществление проекта гигантской лунной обсерватории станет возможным лишь после создания на Луне постоянных поселений и индустриальных комплексов.

Еще одна оригинальная концепция лунного телескопа принадлежит физикам Роджеру Эйнджелу из Университета Аризоны и профессору Эрманно Борра из Университета Британской Колумбии. Эйнджел и Борра предлагают создать на Луне телескоп-рефлектор с жидким зеркалом. Подобные оптические приборы уже давно используются в земных обсерваториях. Телескопы с жидким зеркалом не заменяют классические рефлекторы функционально, но почти в сто раз дешевле при равных размерах главного зеркала. Основной компонент таких приборов — ртуть, налитая во вращающуюся ванну. Центробежная сила и гравитация создают вогнутую зеркальную параболическую поверхность с регулируемой кривизной. Наиболее сложная часть такого телескопа — привод, осуществляющий плавное и очень точное вращение ванны с заданной угловой скоростью. С начала 1990-х годов на всех существующих рефлекторах с жидким зеркалом применяется прямой электрический привод платформы на аэростатическом подшипнике, разработанный специалистами NASA. Статор привода интегрирован в корпус подшипника, а ротор напрямую соединен с платформой ванны. Благодаря низкой чувствительности к внешним воздействиям аэростатического подшипника (воздушной прослойки, постоянно нагнетаемой компрессором) можно чрезвычайно точно регулировать кривизну зеркала с помощью оптического датчика. При возникновении ряби на поверхности вращающейся ртути привод выключают, а затем запускают вновь.

Недостаток у телескопа с жидким зеркалом один: он может быть направлен только вертикально вверх, в зенит. Самый большой в мире телескоп с жидким зеркалом — рефлектор Large Zenith Telescope, установленный в обсерватории Университета Британской Колумбии в Канаде. Диаметр его ртутного зеркала равен 6 м, а масса ванны — 3 т. Но для Луны Эйнджел и Борра готовят нечто более масштабное — стометровый вращающийся рефлектор, установленный на одном из полюсов нашего пыльного спутника! По словам Борра, ведущего в мире эксперта по телескопам с жидким зеркалом, разрешающая способность такого прибора будет на порядок выше, чем у ныне действующего Hubble и будущего его сменщика на орбите — телескопа James Webb.

Как и в случае с концепцией профессора Чена, выбор материалов и технологий строительства для такого гигантского сооружения на Луне будет весьма непростым делом. Например, от ртути придется отказаться сразу — она попросту замерзнет при температуре ниже -40°С. В качестве рабочего тела Эйнждел с коллегами предлагают выбрать специальные низкотемпературные солевые расплавы (ионные жидкости). Подобные жидкости уже существуют и легко выдерживают охлаждение до -170°С, но, к сожалению, их отражающая способность невелика. Нанесение на их поверхность металлического покрытия — большая, но все же решаемая проблема. Это может быть либо вакуумное напыление паров серебра, либо покрытие из эластичной металлизированной полимерной пленки. В лабораторных условиях Эрмано Борра и его ученик Омар Седдики сумели нанести тончайшее серебряное покрытие на жидкое зеркало из солевого расплава диаметром 5 см. «Это похоже на попытку покрасить воздух. Но это возможно!» — говорит Борра.

Более сложная с технической точки зрения задача — создание вращающегося привода для колоссального сооружения. Аэростатический подшипник на Луне использовать нельзя, ведь атмосфера там отсутствует. Роджер Эйнджел предлагает применить вращающееся основание на магнитной подушке с электроприводом. В нем нет внешних трущихся элементов, которые бы могли быть повреждены лунной пылью, поэтому угловая скорость вращения и вертикальная ориентация могут точно контролироваться. А как быть с гигантской несущей ванной? Ведь она должна быть изготовлена прямо на Луне. В отличие от концепции Питера Чена, в данном случае проблема имеет более реалистичное решение. Ванна для солевого расплава не требует сверхточной обработки рабочей поверхности. Вполне достаточно придать ей гладкую параболическую форму. Собрать ее можно поэлементно из тех самых строительных блоков на основе лунной пыли, которые описывает Чен. С Земли надо будет доставить на Луну лишь емкость с расплавом и механизм вращения, который может быть достаточно компактным. Лунная гравитация в шесть раз меньше земной, и предметы на ее поверхности также весят вшестеро меньше. Стометровая ванна будет весить всего лишь несколько тонн — такую нагрузку выдержал бы даже обычный автомобильный домкрат.

Но даже если ученым удастся решить все технологические проблемы и построить один из этих лунных телескопов, то вопросы все равно останутся. Как защитить чувствительные зеркала оптических телескопов от постоянной бомбардировки метеоритами различного калибра? Как предотвратить запыление зеркал, если пыль даже сдуть нечем? В этом случае отсутствие атмосферы на Луне из положительного фактора превращается в отрицательный, и очень серьезный.