Пещерные астронавты. Предыстория освоения внеземных лавовых трубок

Ранее в моём блоге я почти не касался темы потенциального обустройства жилых баз на Марсе или Луне, поскольку пока она остаётся научно-фантастической. Тем не менее, в некоторых публикациях, например, «В ожидании зелёного утра» я пробовал рассказать о подготовительных исследованиях, ведущихся в этом направлении, и приходил к выводу, что выжить на поверхности Марса при современном уровне развития технологий почти невозможно. Ещё в 2019 году в издательстве «Springer» вышла обзорная книга «From Cave Man to Cave Martian: Living in Caves on the Earth, Moon and Mars» (От пещерного землянина до пещерного марсианина: как жить в пещерах на Земле, Луне и Марсе). Её автор Манфред фон Эренфрид полагает, что человеческий опыт освоения пещер очень пригодится первым колонистам при выстраивании баз под поверхностью Луны и Марса. Но обычных пещер земного типа мы там не найдём, поскольку пещера возникает под действием воды и выветривания. На Луне этих факторов нет по определению, а на Марсе они в лучшем случае отдалённо напоминают земные. Поэтому вместо пещер учёные пристально рассматривают лавовые трубки. Такие формы рельефа в изобилии встречаются на Земле и, следовательно, уже доступны для изучения. Существование лавовых трубок подтверждено на Луне, с высокой вероятностью они есть и на Марсе. Ранее тема заселения лавовых трубок на Хабре почти не рассматривалась, но интересный иллюстрированный обзор о них под названием «ESA изучит перспективные для жизни человека пещеры на Луне при помощи шарообразного зонда и целого роя роботов» опубликовал в марте 2021 года уважаемый @Seleditor в корпоративном блоге компании Selectel. 

Новый пещерный век в космонавтике

Лавовые трубки — это разновидность пещер, возникающих в результате подземной вулканической активности. Поскольку важнейшей неустранимой проблемой колонизации Марса и Луны является солнечная радиация, и эта проблема усугубляется из-за отсутствия стабильного магнитного поля, наиболее логичным способом её сгладить было бы возведение долговременных подземных баз. В 2017 году в Риге состоялся очередной Европейский Планетарный Конгресс (EPSC), на котором было озвучено мнение, что лавовые полости на Марсе и Луне достаточно велики, чтобы там можно было разместить целые станции или даже города. Уже в течение 2020-х могут быть созданы орбитальные лунные аппараты, которые позволили бы при помощи радара прозондировать глубину и уточнить конфигурацию этих полостей. Дополнительное достоинство лавовых трубок заключается в том, что там почти не наблюдается колебаний температуры. Температура должна быть близка к -35 ℃. Такая температура вполне сравнима с антарктической. На работу в подобных условиях рассчитаны как современная техника, так и те материалы и сплавы, из которых она конструируется. 

В 2018 году в журнале «Nature» вышла научно-популярная статья «How to build а Moon Base» («Как построить лунную базу») под авторством Элизабет Джибни. Здесь объяснено, каким образом лавовые трубки могут защитить потенциальных обитателей как от жёсткого космического излучения, так и от метеоритных ударов. Уже разрабатываются технологии, которые могли бы подойти для роботизированной сборки жилых отсеков в таких пустотах. Ранее я писал о технологии TESSERAE, позволяющей собирать модули орбитальной станции по принципу улья, и в условиях гравитации (даже лунной) и ограниченного пространства этот процесс получился бы гораздо более стабильным и управляемым, чем на орбите. С другой стороны, как я рассказывал в этом экскурсе в высокотехнологичную спелеологию, уже с конца 1990-х годов проектируется софт для трёхмерного картографирования пещер. Отсеки могут быть не просто модульными, но и надувными, так, чтобы они заполняли (почти) всё доступное пространство. Наконец, для пилотных разработок при проектировании таких жилищ могли бы подойти не только естественные лавовые трубки на Земле, но и просто обширные карстовые области, которые занимают большие территории, например, в Крыму. 

Лавовые трубки образуются в результате вулканических извержений в процессе постепенного затвердевания подземных лавовых потоков. Исходно такой поток не похож на трубку, но отличается по составу от окружающих пород, постепенно расширяется за счёт эрозии и частично обваливается. Эрозия в данном случае бывает термической и механической, и механическая эрозия во многом зависит от силы гравитации.

В процессе извержения температура поверхностных слоёв лавы составляет от 1000 до 1200 °С, поэтому при обычных атмосферных условиях и тем более в вакууме поверхностные слои лавы с низкой вязкостью быстро затвердевают, а внутренние продолжают течь. В результате у потока образуется прочная оболочка, внутри которой затем начинается эрозия. Благодаря такой изоляции, внутренняя часть потока остывает медленнее, поэтому долго сохраняет текучесть, и язык лавы может получиться длинным. Движение лавы останавливается не столько из-за остывания, сколько из-за того, что ослабевает приток новой лавы из источника. Ниже схематически показано, как образуется лавовая трубка. 

Известно два механизма образования лавовых трубок. Если невязкая лава течёт прямо по грунту, то на ней быстро нарастает и утолщается корка, напоминающая крышу. Когда извержение завершается, вода и эрозия вымывают продольный туннель на глубине нескольких метров от поверхности. В контексте этой статьи интересны более сложные многоуровневые трубки, возникающие, когда лава проникает в уже имеющиеся трещины в породе или в полости, оставшиеся после более древних лавовых потоков. Лава расширяется, как только давление немного ослабевает, оставляя на своём пути целую сетку коридоров, пока не найдёт выход на поверхность. Такие лавовые трубки встречаются во многих регионах Земли: Исландия, Гавайские острова, Галапагосские острова, Канарские острова (Лансароте) и на других вулканических территориях. На Земле пещеры из лавовых трубок могут достигать десятков километров в длину.  

Космические аппараты уже обнаружили на Луне и на Марсе характерные цепочки обрушившихся гротов и колодцев, которые очень похожи на внешние элементы лавовых трубок.

Этот кадр получен космической миссией GRAIL, которая состояла из двух модулей Ebb и Flow, выведенных NASA на окололунную орбиту в 2011 и 2012 годах. Снимок сделан в районе Холмы Мариуса. При этом по характеру рельефа знаменитые лунные «моря» — это плоские базальтовые равнины, образовавшиеся на раннем этапе формирования нашего спутника, поэтому практически вся территория Луны потенциально может быть испещрена глубокими лавовыми полостями.

Орбитальные фотоснимки и радарные измерения позволяют косвенно судить о размерах лунных и марсианских лавовых трубок по очертаниям близлежащих волнистых борозд, представляющих собой обрушившиеся участки таких туннелей, а также по размеру соседних кратеров, по которым удобно уточнять масштаб рельефа.  

Лунные лавовые трубки изучены лучше марсианских, и имеющиеся снимки подтверждают, что толщина крыши у таких трубок составляет несколько метров, а в поперечном сечении внутренние туннели достигают порядка нескольких сотен метров в ширину.

В настоящее время уже планируются роботизированные экспедиции для предварительного изучения лунных лавовых трубок на месте, и в конце статьи я подробнее раскрою эту тему. Но перед снаряжением экспедиции необходимо найти трубку, которая была бы достаточно целой и доступной. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале «Nature» в июле 2024 года, подтверждается, что такая трубка найдена на территории Моря Спокойствия. Именно в Море Спокойствия в своё время прилунился «Аполлон-11». По данным радара колодец этой трубки уходит на глубину от 30 до 80 метров, а в длину она продолжается на расстояние от 130 до 170 метров, как минимум, в одну сторону от входа.

Сравнительное изучение лавовых трубок

Первое систематическое сравнение известных лавовых трубок на Земле, а также трубок-кандидатов с Луны и Марса выполнили в 2020 году итальянские учёные из падуанского и болонского университетов под руководством Рикардо Поццобона. Анализ проводился на материале цифровых моделей местности (DTM). Модели были собраны из данных, снятых разными космическими аппаратами.

Основные отличия между земными, лунными и марсианскими трубками связаны с разницей в гравитации. На Земле лавовые трубки могут достигать тридцати метров в ширину. На Марсе, где тяготение в 3,8 раза слабее земного, ширина лавовых трубок может составлять около 250 метров. На Луне туннели под грунтом могут иметь до километра в ширину и тянуться на сотни километров. Таким образом, в лунной лавовой трубке мог бы поместиться небольшой город или, как минимум, научная станция, сопоставимая с антарктической.  

На момент подготовки этой хабропубликации работа Поццобона с коллегами уже взята на вооружение Европейским космическим агентством (ЕКА) и используется при подготовке астронавтов и орбитальных инженеров. В рамках программы PANGAEA будущие экипажи обучаются планетологии и космической геологии, в том числе, проводят полевые тренировки и исследования в лавовых трубках на Канарских островах. В частности, для этого используется трубка Corona длиной 8 км, расположенная на Лансароте — самом восточном из островов архипелага.

Сам Поссобон побывал примерно в 20 лавовых трубках в разных регионах Земли. Он полагает, что именно на Лансароте лавовые трубки сопоставимы с лунными по высоте свода и протяжённости. Вот как такая трубка выглядит изнутри.

Тем не менее, она очень узкая и по объёму, вероятно, уступает лунным аналогам на порядок.

Будущие астронавты, работая в такой трубке, учатся промеривать ширину и конфигурацию галерей при помощи радара. Поццобон считает, что уже разведанные на Земле лавовые трубки образуют достаточно репрезентативное множество данных, по которому можно приблизительно судить об аналогичных марсианских трубках, делая поправки на давление и умножая показатели земных пещер примерно на 3. 

Внутри трубок

Земные лавовые трубки интересны не только геологам, но и астробиологам. На нашей планете такие пещеры обнаружены в разных климатических зонах: 1) приполярные (Исландия), 2) средиземноморский климат (Сицилия, Азорские острова, Канарские острова), 3) тропики и субтропики (север Австралии), умеренный климат (национальный парк «Лава Бедз» в Северной Калифорнии). Поэтому и внутри самих трубок существенно отличается микроклимат и уровень влажности. Наиболее сухие и «марсианские» лавовые трубки находятся на Канарских островах. Классифицировать трубки по климатическим признакам попыталась Маргарет Осборн, в настоящее время работающая в Северо-Западном университете в Чикаго. Группа под её руководством в 2021 году спускалась в трубки, расположенные в Лава Бедз. Там учёным удалось обнаружить микроорганизмы, покрывавшие стены трубки в виде желтоватой биоплёнки. По мнению Осборн, эти организмы питаются углекислым газом, возможно, моноксидом углерода, и поэтому могут выживать в почти бескислородной атмосфере. Подобные организмы очень похожи на потенциальные марсианские.  

Вернёмся к условиям, которые могут складываться внутри лунных лавовых трубок, их микроклимату. При толщине крыши и стен в несколько метров такая трубка защитила бы расположенную внутри базу даже от солнечной вспышки и связанного с ней протонного шторма. Колебания температуры внутри трубки даже в пределах нескольких метров от входа будут оставаться минимальными. Поэтому, хотя и потребуется дополнительное утепление и вентиляция для жилых отсеков, вне их все приборы и машины будут работать стабильно и не пострадают от потоков заряженных частиц, в отличие от оборудования орбитальных аппаратов и космических станций. Избыточный лунный реголит также не будет проникать глубоко в трубку, но на Марсе потребовались бы дополнительные меры защиты от пыли, особенно в сезоны пыльных бурь.

Как обжить лавовую трубку

NASA планирует пилотируемую высадку на Луне в 2026 году в рамках программы «Артемида» (статью с замечательным разгромным обзором этой программы «Сумасшествие «Артемиды» или почему она обречена на провал» перевела на Хабре уважаемая @veseluha), и эта экспедиция может стать первым шагом к созданию долговременной космической станции на Луне. Предпочтительной локацией для такой базы кажется район южного полюса Луны, где предположительно есть большие запасы воды. Именно в полярных регионах Луны целесообразно сначала высадить роверы, которые могли бы найти подходящую лавовую трубку, спуститься в неё и оценить её потенциальную обустраиваемость. Например, ЕКА в 2021 году приступило к разработке подвесного микро-ровера «Skylight» именно для этой цели. Если проверка пройдена, то в трубку должен быть заведён надувной модуль, который заполнит все неровности внутреннего рельефа и послужит дополнительной антирадиационной защитой для будущей базы. Ближайшим аналогом такого устройства можно считать BEAM (Bigelow Expandable Activity Module) — экспериментальный расширяемый модуль производства американской компании Bigelow Aerospace. BEAM был пристыкован к МКС ещё в 2016 году для долговременного тестирования.

Вот как мог бы выглядеть аналогичный модуль внутри лавовой трубки.

Существуют проекты, например, описанный в этой статье, предполагающие тщательную герметизацию лавовой трубки. Далее трубка заполняется воздухом или другой дыхательной смесью, давление в ней доводится до атмосферного. Но в таком плане слишком много неизвестных — например, даже в земных пещерах не всегда известны все выходы на поверхность, а некоторые из них слишком труднодоступны. Для развёртывания надувного «кокона» будущей станции потребовалось бы выровнять пол лавовой трубки, а предварительно тщательно картировать пещеру. Европейское космическое агентство уже разрабатывает робота для этой цели, он будет называться «Lunar Leaper».

Lunar Leaper

В 2023 году ЕКА объявило тендер на разработку малых лунных миссий. Он входит в более обширную исследовательскую программу Terra Novae, связанную с проектированием роботов-первопроходцев (скаутов), которые высаживались бы на различные космические тела и проводили предварительную разведку. Одна из озвученных целей проекта Terra Novae — «доставить на поверхность Луны множество модулей с научной полезной нагрузкой с целью разведать наличие воды и других летучих веществ». Такая разведка помогла бы лучше понять историю нашего спутника и подготовить технологическую базу для исследования Луны с опорой на местные природные ресурсы.  

В ответ на этот тендер группа учёных из Цюриха во главе с Анной Миттельхольц и Симоном Штелером предложила проект прыгающего робота «Lunar Leaper», способного исследовать окрестности лунной лавовой трубки.

Этот робот, который весит на Земле 10 килограммов, спроектирован робототехнической лабораторией Высшей Технической Школы Цюриха. Его предлагается высадить в районе Холмов Мариуса, о которых я уже упоминал выше и отправить исследовать лавовую трубку, которая, предположительно, ведёт в одну из самых обширных пещерных систем. При этом Холмы Мариуса — один из самых молодых в геологическом отношении регионов Луны. Lunar Leaper должен проверить, действительно ли конкретная лавовая трубка ведёт в систему пещер, оценить, насколько она пригодна для дальнейшей подготовки к обживанию и строительству базового лагеря. Кроме того, он должен проанализировать возраст потоков лавы на стенках трубки и определить, когда именно закончилась вулканическая деятельность в этом районе. Данные, собранные в рамках такой экспедиции, позволили бы проверить вышеизложенные теоретические допущения, сделанные при изучении земных лавовых трубок, и какое-то время служили бы единым источником истины для лунных экспедиций.

Конструкция Lunar Leaper основана на более ранней разработке Высшей Технической Школы Цюриха — роботе SpaceHopper, предназначенном для геологоразведочного исследования астероидов.

SpaceHopper весит на Земле всего 5,2 кг и предназначается для работы в условиях минимальной гравитации, гораздо меньшей, чем лунная. Lunar Leaper более устойчив и может нести более серьёзную полезную нагрузку.

LunarLeaper должен добраться до MHP (Marius Hill Pit), наиболее известной лавовой трубки в регионе Холмов Мариуса, которая сфотографирована с орбиты аппаратом Lunar Reconnaissance Orbiter. Далее он сфотографирует стенки и дно трубки, уточнит её подземную конфигурацию при помощи радара, измерит гравитацию в данном регионе и, возможно, установит состав реголита при помощи спектрометра. Вот основные вопросы, на которые должен помочь ответить такой робот:  

1.   Есть ли в районе Холмов Мариуса длинная и прочная лавовая трубка?

2.   Подходит ли она для возведения базового лагеря, в котором могли бы жить астронавты? Достаточно ли она устойчива, нет ли там остаточной сейсмической активности, которая не наблюдается с орбиты?

3.   Как именно сформировались колодец и трубка? Насколько похожи внешние слои стенок на земные аналоги по структуре и составу?  

4.   Какие вещества содержатся в реголите поблизости от трубки и, вероятно, внутри неё? Насколько палеореголит отличается от внешних слоёв грунта?

Заключение

В этой статье я практически не затрагивал тему марсианских лавовых трубок, поскольку в ближайшем будущем не существует возможности их искать или тем более исследовать. Поскольку нам хорошо известны районы сосредоточения щитовых вулканов на Марсе, в частности, окрестности марсианского Олимпа и горы Арсия, логично предположить, что мы найдём там системы лавовых трубок, напоминающие исландские. Уже существует проект такой роботизированной экспедиции, которая называется MELT, она описана в статье специалистов Стэнфордского университета, опубликованной в июне 2024 года. В составе первой такой экспедиции должен работать марсоход-ровер, с которого в лавовую трубку спускается робот ReachBot, по внешнему исполнению напоминающий Lunar Leaper.

Луна представляется лишь испытательным полигоном для исследования лавовых трубок, поскольку на нашем спутнике сравнительно небольшая гравитация, и туда можно доставить значительную полезную нагрузку (комплект научных приборов) уже при современном уровне развития технологий. Однако метеорологические и астробиологические аспекты исследования лавовых трубок станут по-настоящему актуальны лишь в период долговременных пилотируемых экспедиций на Марс, поэтому упомянутые в данной статье проекты кажутся мне заделом на умеренно отдалённое будущее в области практической планетологии.