Mining of Mineral Deposits National Mining University ISSN 2415-3443 (Online)

Home , Erlanger (crater), Plaskett (crater)

Mining of Mineral Deposits National Mining University ISSN 2415-3443 (Online) | ISSN 2415-3435 (Print)

Founded in Journal homepage http://mining.in.ua 1900 Volume 11 (2017), Issue 4, pp. 117-125

UDC 523.34-83 https://doi.org/10.15407/mining11.04.117

ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ЛУНЕ

Е. Слюта1* 1Лаборатория геохимии Луны и планет, Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук, Москва, Российская Федерация *Ответственный автор: e-mail [email protected], тел. +74991371484, факс: +74959382054

PROBLEMS OF RESEARCH AND MINING OF GAS DEPOSITS ON THE MOON

E. Slyuta1* 1Laboratory of Geochemistry of the Moon and Planets, Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation *Corresponding author: e-mail [email protected], tel. +74991371484, fax: +74959382054

ABSTRACT Purpose. The study of the main types of the most valuable lunar resources, such as water, hydrogen, oxygen and other gases in the lunar regolith, and the identification of the main methods and technical solutions for their exploration and mining. Methods. Based on the analysis of the data of regional and global geochemical mapping of the Moon by spacecraft, and also on the basis of experimental and theoretical studies of implantation and concentration of volatile components in lunar rock-forming minerals, the basic properties of volatiles in the lunar regolith were revealed. Findings. Depending on the form of accumulation and preservation of volatile components in the lunar regolith, three main types of gas deposits are identified: implanted, weakly bound and frozen volatiles, which differ in composition, content, regional distribution and reserves. Originality. A complex comparative analysis of the main types of gas deposits on the Moon was carried out, includ- ing composition, main properties, predicted reserves, methods and technical solutions for their research and mining. Practical implications. The most promising types of the Moon’s gas deposits are identified and recommendations are given for the development of technical facilities for research and exploration of these deposits, which are already being implemented in the projects of landing space vehicles and lunar rovers. Keywords: Moon, implanted volatiles, weakly bound volatiles, frozen volatiles, lunar regolith, lunar soil

1. ВВЕДЕНИЕ верхность которых активизирована космическим облучением, позволяет использовать лунный реголит Лунные и в целом внеземные ресурсы можно раз- в качестве теплозащитного и радиационно-защитного делить на две основных категории. К первой катего- строительного материала. рии относятся ресурсы, которые необходимы для К этой же категории ресурсов для местного ис- промышленного использования на месте. Это сол- пользования принадлежат металлы (Al, Ti, Fe и др.) и нечная энергия. Это газовые компоненты, необходи- редкоземельные элементы. мые для жизнеобеспечения экипажей пилотируемых Ко второй категории внеземных ресурсов отно- экспедиций и обитаемых баз и для использования в сятся материалы, сырье или элементы, которые могут различных технологических процессах, например, быть востребованы на Земле, что предусматривает их для выработки дополнительной электроэнергии. Это промышленную добычу и доставку на Землю. Такой криогенные компоненты (кислород и водород) для материал или элемент, который имеется в недоста- производства ракетного топлива на месте. точном количестве или вообще отсутствует на Земле, В качестве основного строительного материала а добыча и доставка на Землю которого может быть предполагается использование лунного реголита. оправданной и окупаемой, должен иметь действи- Низкая теплопроводность, высокие адгезионные и тельно стратегическое значение, как например, ге- когезионные свойства, обогащенность стеклом и лий-3 для возможного обеспечения энергией Земли в размерной фракцией частиц в десятки микрон, по-

117 E. Slyuta. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(4), 117-125

будущем (Kulcinski et al., 1992; Galimov, 2006). В отдаленной перспективе может представлять интерес добыча и доставка редкоземельных элементов. С точки зрения экономической целесообразности рас- сматривать добычу и доставку элементов, металлов и материалов, запасы которых на Земле могут быть исчерпаны лишь через столетие, преждевременно. Развертывание первичной автономной инфра- структуры на лунной поверхности уже на начальном этапе освоения Луны потребует наряду с обеспечени- ем транспортного моста с Землей создания и непре- рывного наращивания производственных мощностей по добыче, обогащению и переработке местных ре- сурсов для использования их на месте. Наиболее ценными лунными ресурсами, потребность в кото- рых будет только возрастать, являются вода, водо- род, кислород и другие газы и их изотопы, т.е. «газо- вые месторождения» Луны, проблемам исследования и освоения которых и посвящается данная работа. Рисунок 1. Схематический разрез строения рыхлого слоя 2. ЛУННЫЙ РЕГОЛИТ лунного реголита с буровой скважиной в цен- тре; вверху фотопанорама с места посадки пи- Все наиболее перспективные лунные ресурсы – лотируемой экспедиции “Аполлон-17” (NASA) летучие газовые компоненты, металлы (Al, Ti, Fe и др.), а также редкоземельные элементы, либо скон- Чем крупнее кратер, тем дальше летят выбросы. центрированы в рыхлом слое реголита, либо уже Соответственно, стратифицированный керн реголита находятся в реголите в обогащенном, т.е. фактически несет информацию о составе и возрасте реголита и уже готовом для их дальнейшего обогащения и вы- подстилающих пород не только в месте бурения, но деления состоянии. и в пределах достаточно обширной прилегающей Отсутствие плотной атмосферы делает поверх- области. Если в окрестностях буровой скважины ность Луны незащищенной от ударов метеоритов находятся даже незначительные проявления редких самых разных размеров, вплоть до микрометеоритов. по составу лунных пород, то с большой степенью В результате метеоритной бомбардировки, длившей- вероятности эти породы также будут представлены в ся на протяжении всей геологической истории Луны, виде одного из слоев в отобранном керне реголита. на ее поверхности образовался покров рыхлого мате- Отсутствие атмосферы на Луне и облучение поверх- риала – реголита, который состоит из обломков под- ности реголита солнечным ветром и космическими стилающих горных пород, фрагментов минералов и лучами позволяют для восстановления полной исто- вторичных частиц, сформированных при ударно- рии формирования реголита использовать методы взрывной переработке вещества: брекчий, агглюти- изотопной геохимии для определения как времени натов и частиц стекла. Постоянное воздействие сол- экспозиции на лунной поверхности отдельных слоев нечного ветра и космического излучения обогащает до их захоронения, так и времени их образования. частицы и минералы реголита водородом, изотопами При этом в самом слое могут присутствовать части- гелия, редкими газами, космогенными изотопами, а цы и минералы лунных пород различного состава и также способствует образованию восстановленных возраста образования. форм Fe, Ti, Si и др. элементов в поверхностных Рыхлый слой реголита покрывает почти всю по- слоях минеральных частиц. Средняя скорость обра- верхность Луны и имеет бимодальный характер с зования реголита очень мала и составляет около максимумами примерно 5 и 9 м, что соответствует 1.5 мм за 1 млн лет (French, 1977). Примерно полови- средним значениям мощности реголита для морей и на типичного лунного реголита по весу состоит из материков (Shkuratov & Bondarenko, 2001). Наблю- частиц, размер которых меньше разрешения челове- дается прямая зависимость: чем больше возраст ческого глаза (Slyuta, 2014). поверхности, тем больше мощность реголита. В Лунный реголит имеет сложное слоистое строе- морских районах мощность реголита изменяется от ние и собственную стратиграфическую и геохимиче- 3 до 11 м. В материковых районах разброс мощно- скую историю, которая может быть прослежена с сти реголита гораздо более широкий – от 1 м в вы- момента образования подстилающих пород (Рис. 1). сокогорной местности до 18 м и более – в районах Слои представляют собой стратифицированную по- плоскогорья с наиболее древним возрастом подсти- следовательность отложений выбросов из окрестных лающих пород. ударных кратеров, расположенных на расстояниях от первых метров до нескольких сотен километров в Таким образом, глубина бурения до 15 м является зависимости от размера этих кратеров. Каждый слой вполне достаточной почти на всей поверхности Луны может отличаться валовым химическим и минераль- и с необходимым запасом обеспечит получение пол- ным составом, размерами частиц, возрастом экспози- ной стратифицированной колонки реголита с момен- ции, степенью зрелости реголита и т. д. та образования подстилающих пород.

118 E. Slyuta. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(4), 117-125

3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ким валовым содержанием 3Не (17.4 мг·т-1) и уме- ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ренной мощностью реголита (4.4 м). Это преимуще- В ЛУННОМ РЕГОЛИТЕ ственно равнинные области. Прогнозные запасы 3Не в областях распространения высокотитанистых мор- Летучие газовые компоненты в зависимости от ских базальтов относятся к наиболее высокой катего- механизма удержания и формы нахождения в лун- рии – I и оцениваются в 65000 тонн на видимой сто- ном реголите подразделяются на три основных роне Луны. В целом по всей поверхности Луны про- типа – имплантированные, слабосвязанные и замо- гнозные запасы этой категории оцениваются в роженные летучие. 74600 тонн. Прогнозные запасы категории II отно- Состав имплантированных газов определяется сятся к областям распространения морских базальтов преимущественно благородными газами солнечного с умеренным содержанием TiO (3 – 5%), характери- ветра. Кроме электронов и протонов (около 95%) в 2 зующихся умеренным содержанием 3Не (8 мг·т-1) и солнечном ветре присутствуют альфа-частицы (ядра средней мощностью реголита 4.8 м. Прогнозные гелия, в среднем более 4%) и в небольшом количе- запасы категории II на видимой стороне Луны оце- стве атомы других инертных газов (Ne, Ar, Kr и Xe), ниваются в 109500 тонн. Это в два раза больше по а также высокоионизованные ионы кислорода, крем- запасам, чем в категории I, но почти в 4 раза больше ния, серы, железа и др. по занимаемой площади. Концентрация имплантированных газов солнеч- Площади с прогнозными запасами категории III ного ветра в частицы и минералы лунного реголита охватывают области распространения низкотитани- зависит от химического и минерального состава ча- стых морских базальтов с пониженным содержанием стиц, от степени зрелости реголита (степени радиа- 3Не в реголите (5.7 мг·т-1) и с повышенной мощно- ционной дефектности кристаллической решетки стью реголита (8.1 м). Прогнозные запасы этой кате- минерала) и от размеров частиц, и может изменяться гории оцениваются в 143200 тонн на видимом полу- в очень широком диапазоне – до трех порядков и шарии Луны. В сумме прогнозные запасы первых более. Содержание изотопа 3He в частицах реголита в трех категорий оцениваются в 317750 тонн на види- зависимости от их состава и размеров изменяется от мом полушарии Луны и располагаются на площади, 0.02 до 130 мг т-1, а 4He от 33 до 360 г·т-1 (Slyuta, Ya- занимающей около 12% всей площади полушария. kovlev, Voropaev, & Dubrovskii, 2013). Самыми низки- Практически все прогнозные запасы первых трех ми концентрациями благородных газов характеризу- категорий располагаются на территории лунных ются ударные и вулканические стекла. Аналогичные морей, площадь которых по морским геологическим низкие концентрации имплантированного гелия в комплексам оценивается примерно в 13% всей пло- кристаллических минералах лунного реголита щади Луны (Slyuta, Galimov, & Marov, 2014a). наблюдаются только в плагиоклазе (битовните). Са- Четвертая категория прогнозных запасов характе- мые высокие концентрации имплантированного ге- ризуется низкими значениями содержания 3Не лия наблюдаются в ильмените, который является (3.1 мг·т-1) и повышенной средней мощностью главным рудным минералом в морских лунных ба- (10.1 м), характерной для материковых районов Лу- зальтах. Породообразующие минералы лунного рего- ны. Прогнозные запасы этой категории охватывают лита оливин и пироксен по содержанию гелия зани- всю материковую область Луны и оцениваются на всей мают промежуточное положение между стеклами и лунной поверхности в 2150000 тонн. Общие прогноз- ильменитом. В целом содержание гелия в стеклах и ные запасы 3Не в лунном реголите на всей поверхности плагиоклазах лунного реголита примерно в 100 раз Луны оцениваются примерно в 2500000 тонн (Slyuta, меньше среднего содержания гелия в валовом соста- Abdrakhimov, & Galimov). На видимой стороне Луны ве реголита, а в ильмените, напротив, в 20 раз больше общие запасы 3Не оцениваются в 1276000 тонн. по сравнению с валовым составом реголита (Slyuta, Состав имплантированных газов определяется не Yakovlev, Voropaev, & Dubrovskii, 2013). только благородными газами солнечного ветра, но и Избирательное обогащение в зависимости от ми- газами земного ветра, т.е. газами земной атмосферы, нерального состава приводит к неоднородному реги- которые под действием солнечного ветра ионизиро- ональному распределению концентрации изотопов вались и во время прохождения Луной хвоста маг- гелия и других имплантированных газов в лунном нитосферы Земли имплантировались в частицы реголите. Области распространения повышенного лунного реголита. содержания окислов Ti (5 – 10%) по данным спек- По данным возраста экспозиции слоев реголита, в тральной съемки (Blewett, Lucey, Hawke, & Jolliff, доставленной стратифицированной колонке реголита 1997; Lucey, Blewett, Taylor, & Hawke, 2000) фактиче- и по появлению в слоях реголита компоненты земно- ски отражают содержание ильменита в реголите и го биогенного кислорода, обедненного 16О, потоки распределение высокотитанистых морских базальтов, которого были зарегистрированы японским лунным которые распространены в Море Спокойствия, в Море орбитальным космическим аппаратом “Кагуя”, мож- Паров, в Море Дождей, в Океане Бурь и в подчинен- но определить время появления и распространения ном значении в Море Влажности и в Море Облаков. жизни на Земле (Ozima, Yin, Podosek, & Miura, 2008; Оцененные прогнозные запасы 3Не в лунном ре- Terada et al., 2017). Изменение концентрации изото- голите в зависимости от содержания были разделены пов N (основного компонента ранней атмосферы на 4 категории (Slyuta, Abdrakhimov, & Galimov, Земли) и легких элементов (Не, Ne, Ar и др.) с учетом 2007). Области распространения высокотитанистых возраста экспозиции частиц реголита позволяет оце- морских базальтов характеризуются наиболее высо-

119 E. Slyuta. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(4), 117-125

нить время становления геомагнитного поля (магни- что в полярных областях могут содержаться значи- тосферы) Земли (Ozima, Yin, Podosek, & Miura, 2008). тельные запасы водородсодержащих соединений, к Исследование состава имплантированных газов зем- которым относится водяной лед, а также ряд других ного происхождения в частицах реголита до станов- замороженных и захороненных летучих соединений. ления магнитосферы Земли позволяет оценить состав Источником воды (водяного льда), присутствующего первичной земной атмосферы. При наличии грунта с в лунном реголите, могли быть кометы, астероиды, обратной стороны Луны по изменению состава им- метеориты, межпланетная пыль (Arnold, 1979), кос- плантированных газов (отсутствию газов земного мическое выветривание минералов реголита под происхождения) с учетом возраста экспозиции слоев воздействием ионов солнечного ветра, в результате (частиц) реголита можно оценить время синхрониза- которого образуется протонная вода (Slyuta et al., ции вращения Луны относительно Земли (Ozima, Yin, 2017), и наконец, дегазация лунных недр. Podosek, & Miura, 2008). Суммарный эффект воздействия сублимации, Стратифицированная колонка реголита позволит распыления, ультрафиолетового излучения Лайман- также исследовать изменения активности и состава альфа и микрометеоритной бомбардировки не позво- солнечного ветра и галактических космических лу- ляет сохраняться отложениям водяного льда на по- чей за период с момента образования подстилающих верхности реголита (Slyuta, Galimov, & Marov, пород, т.е. за 3.5 – 4 млрд лет и более. Развиваемый в 2014a). Сохранение водяного льда возможно лишь Институте геохимии и аналитической химии при захоронении его реголитом. Минимальная мощ- им. В.И. Вернадского Российской академии наук ность сухого слоя реголита, покрывающего захоро- (ГЕОХИ РАН) метод термодесорбционной масс- ненные отложения водяного льда, составляет около спектрометрии – один из немногих методов, позво- 40 см и в зависимости от температурных условий на ляющих исследовать химический и изотопный состав поверхности может изменяться (Feldman, 1998; Law- имплантированных летучих и их концентрацию в rence et al., 2006). В силу неравномерности поступ- зависимости от глубины имплантации и энергии ления воды из разных источников и неравномерно- активации (Slyuta et al., 2017). сти захоронения частиц льда слоем реголита при Слабосвязанными называются газы, насыщающие падении метеоритов, отложения водяного льда в поровое пространство лунного реголита. Содержание реголите, по-видимому, должны быть слоистыми и состав слабосвязанных газов в лунном реголите или стратифицированными в прямой зависимости от определяется диффузией, которая зависит от темпера- истории формирования слоев реголита. Отложения туры поверхности и концентрации насыщения рего- замороженных летучих в слое реголита на полюсах лита при данной температуре, температурой субли- могут простираться на глубину до 2 м и более. Воз- мации и составом замороженных летучих в лунном раст этого слоя реголита может достигать 2 млрд лет реголите, составом выделяемых из недр глубинных и более. Содержание водяного льда по разным дан- (вулканогенных) газов, плотностью потока солнечно- ным оценивается от 150 г·т-1 (0.015% вес) до 5% вес го ветра, который зависит от географической долготы (Slyuta, Galimov, & Marov, 2014a). и широты и плотностью потока земного ветра. В результате эксперимента LCROSS в облаке вы- Их накопление в лунном реголите в значительной броса по данным наблюдений в NIR и UV диапазонах степени зависит от температуры поверхности и не спектра кроме воды и OH− был обнаружен обширный зависит от состава реголита. Содержание этого типа состав водородосодержащих летучих (H2O, H2S, NH3, − газов существенно возрастает в высоких лунных широ- C2H2, CH3OH, CH4, OH ) (Sanin et al., 2017). По дан- тах, характеризующихся низкой дневной температурой ным этого же эксперимента содержание воды в рего- и минимальной амплитудой суточного хода темпера- лите кратера Кабеус оценивается в 5.6 ± 2.6 вес %. тур, и на порядок и более превышает концентрацию Предполагается, что в верхнем сухом слое реголита имплантированной компоненты (Shkuratov, Starukhina, содержится около 50 ppm или примерно 0.045 вес % Kaydash, & Bondarenko, 1999). Этот тип лунных ресур- водяного эквивалента водорода. В целом в полярных сов по сравнению с имплантированной и заморожен- областях в реголите в среднем оценивается содержа- ной компонентами отличается более однородным рас- ние воды до 0.5 вес %, что эквивалентно 8 литрам в пределением, наибольшей доступностью и, по- одном кубическом метре реголита (Sanin et al., 2017). видимому, наибольшими запасами в полярных обла- В кратере Кабеус концентрация водяного эквивалента стях. Слабосвязанные газы легко выделяются при тем- водорода в сумме для слабосвязанной и замороженной пературных и механических воздействиях на лунный компонент может достигать 10.9 + 5.1 − 3.3 вес %, а в реголит и требуют разработки специальных методов кратере Шумейкер – 9.4 + 2.7 − 2.0 вес %. Отчетли- исследования и добычи. Это один из наименее иссле- вой корреляции между распределением водородсо- дованных типов газов в лунном реголите (Slyuta, 2017). держащих аномалий и степенью освещенности не Замороженные летучие компоненты находятся в наблюдается. Тем не менее, водородсодержащие открытом поровом пространстве в виде частиц мик- аномалии с самой высокой концентрацией водорода ронного размера (инея) на поверхности частиц рего- располагаются, как правило, на дне крупных посто- лита. Наличие в реголите массивных отложений во- янно затенененных депрессий (кратеров). В северной дяного льда в виде линз оценивается как маловероят- полярной области в кратерах Erlanger (10.9 км, здесь и ное (Slyuta, Galimov, & Marov, 2014a). далее указан диаметр), Fibiger (21.1 км), Plaskett Исследования Луны, проведенные в самое по- (114.3 км), Whipple (14.5 км), Rozhdestvenskiy (44 км), следнее время космическими аппаратами, показали, Milankovic Е. (49.3 км) (Sanin et al., 2017). В южной

120 E. Slyuta. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(4), 117-125

полярной области в кратерах Cabeus (100.6 км), лонки лунного грунта поставлена перед КА “Луна – Shoemaker (51.8 км), Haworth (51.4 км), Scott M. Грунт” (проект “Луна-28”), который включен в рос- (17.8 км), de Gerlache (32.7 км), Hale Q. (24.1 км), сийскую Федеральную космическую программу Amundsen (103.4 км), Idel’son I. (28 км). 2016 – 2025 годов. Кроме посадочного стационарного Если принять содержание водяного льда в хо- аппарата буровую установку следующего поколения лодных ловушках (постоянно затененных кратерах) ЛБ-15 предполагается также устанавливать на тяже- равным значению в 1.5% (Feldman et al., 2000), то с лый автоматический луноход “Робот-Геолог” учетом полученной минимальной площади ловушек (АЛ – РГ), который по инициативе Института геохи- в северном и южном полярном регионе по данным мии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (Bussey et al., 2003) минимальные прогнозные запа- Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) (Москва, сы льда составят 4.5×108 и 3.9×108 тонн соответ- Российская Федерация) и под руководством Роскос- ственно. По данным радарной съемки КА “Чандра- моса разрабатывается в Центральном научно-иссле- ян-1”, прогнозные запасы водяного льда в северной довательском и опытно-конструкторском институте полярной области на дне 40 кратеров-ловушек диа- робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ метром 3 – 12 км оцениваются около 6×108 тонн РТК) (Санкт-Петербург, Российская Федерация) для (Spudis et al., 2010). проведения тематической геологической, геохимиче- Как и слабосвязанные, замороженные летучие ской и геофизической съемки с отбором грунта с по- компоненты также нестабильны при механическом и верхности и неглубоким (до 6 м) бурением нескольких температурном воздействии. Температура сублима- (не менее 5) скважин по протяженному маршруту ции водяного льда в условиях лунной среды состав- длиной около 400 км (Slyuta, Galimov, & Marov, 2014b; ляет около 110 К. Такие летучие компоненты как Slyuta, Vasilev, & Dalyaev, 2017) (Рис 2). СО2, СО, NH3, N2, Ar и др. характеризуются еще бо- лее низкой температурой сублимации (Vasavada, Paige, & Wood, 1999). При нагреве реголита до 170 К частицы водяного льда размером до 100 мкм потеря- ют 10% своей массы в течение часа, а частицы раз- мером до 1 мкм потеряют то же количество в течение 32 секунд (Andreas, 2007). Следует отметить, что по сравнению с предыдущими оценками скорости суб- лимации водяного льда в зависимости от температу- ры (Wagner, Saul, & Pruss, 1994; Murphy & Koop, 2005), это самая оптимистическая оценка. Как и в случае со слабосвязанными газами, классические методы исследования и добычи замороженных лету- чих, связанные с экскавацией, и транспортировкой лунного грунта, неприменимы. Рисунок 2. Проектный облик лунохода “Робот-Геолог”: 1 – система передвижения; 2 – несущая кон- 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ струкция; 3 – буровая установка ЛБ-15; ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ЗАПАСОВ 4 – манипулятор; 5 – система энергоснабже- ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ния; 6 – система терморегулирования; 7 – нави- В ЛУННОМ РЕГОЛИТЕ гационный комплекс; 8 – система техниче- ского зрения; 9 – системы управления и связи Имплантированные газы устойчивы при механи- ческих и температурных воздействиях в пределах Для проведения поисково-разведочных работ для нескольких сотен градусов и могут быть отобраны и оценки содержания, распределения и оконтуривания доставлены на Землю вместе с лунным грунтом без месторождений слабосвязанных и замороженных особых потерь и изучены в земных лабораториях. летучих в полярных областях Луны также по иници- Благодаря этому свойству этот тип газов является ативе ГЕОХИ РАН и под руководством Роскосмоса наиболее изученным ресурсом. Для исследования разрабатывается проект среднего автоматического имплантированных летучих необходимо колонковое лунохода “Робот-Разведчик” (АЛ – РР) (“Robot-Pros- бурение с отбором стратифицированной колонки pector”). При проведении поисково-разведочного реголита, т.е. с сохранением стратификации отдель- маршрута для исследования слабосвязанных газов и ных слоев. Оптимальная глубина бурения – на всю замороженных летучих отбор образцов лунного ре- мощность рыхлого слоя реголита до подстилающей голита не нужен. Отсутствие такой задачи суще- породы, т.е. около 15 м. ственно снижает габаритно-весовые характеристики Стратифицированный керн реголита отбирается в поисково-разведочного АЛ – РР. Это средний тип эластичные пробоотборники, которые помещаются в лунохода с массой 250 – 350 кг и полезной научной специальные кассеты для хранения и доставки на нагрузкой с массой 50 – 60 кг. Протяженность марш- Землю. Первая автоматическая буровая установка рута до 50 – 60 км. Проект среднего лунохода “Ро- ЛБ-9 по забору стратифицированного образца рего- бот-Разведчик” предполагается реализовать в каче- лита на глубину более 2 м успешно отработала на стве автоматической межпланетной станции (АМС) борту советского КА “Луна-24” в 1976 году. Анало- “Луна-29”, а проект тяжелого лунохода “Робот- гичная задача по доставке стратифицированной ко- Геолог” – в качестве проекта АМС “Луна-30”.

121 E. Slyuta. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(4), 117-125

Комплект основной и вспомогательной научной глубину до 2 м. Во время бурения шлам реголита аппаратуры (КНА), разрабатываемый для АЛ – РР, вместе со слабосвязанными и замороженными лету- подразделяется на три основных комплекса: научно- чими подается шнеком под герметичный колокол. В навигационный комплекс (радиомаяк, ТВ-спектро- результате механического и температурного воздей- метр, ИК-спектрометр, ТВ-камера рабочего поля), ствия шнека на грунт слабосвязанные газы и заморо- комплекс геохимической разведки (шнековая буро- женные летучие выделяются из шлама реголита, вая установка (ШБУ) с масс-спектрометром (М), концентрируются под колоколом, и через патрубок гамма и нейтронный спектрометр, манипулятор), приемного устройства поступают в ионизационную комплекс геофизической разведки (георадар, глубин- камеру масс-спектрометра. Измерения проводятся ный каротажный зонд многоразового использования непрерывно во время бурения на всю глубину сква- (ГКЗ), магнитометр-градиентометр, гравиметр). В жины, что позволит оценить распределение сла- целом, КНА почти аналогичен комплекту, размещае- босвязанных и замороженных газов по глубине и мому на АЛ – РГ, за исключением более тяжелой исследовать их химический и изотопный состав. колонковой буровой установки на АЛ – РГ и некото- АЛ – РР решает следующие научные и поисково- рых других приборов. разведочные задачи: В качестве основного научного инструмента на 1. Распределение по глубине, химический и изо- АЛ – РР устанавливается многоразовое шнековое топный состав слабосвязанных и замороженных ле- буровое устройство (ШБУ) с масс-спектрометром тучих в лунном реголите. (М) для исследования газов в точках опробования на 2. Латеральное распределение слабосвязанных и глубину до 2 м по маршруту лунохода. Прибор пред- замороженных летучих в пределах исследуемой ано- ложен и разрабатывается в ГЕОХИ РАН. Буровое малии водяного эквивалента водорода. устройство состоит из колокола со шнековой буро- 3. Структура “рудных полей” распределения кон- вой установкой, которая включает буровую головку, центрации слабосвязанных и замороженных летучих барабан для подачи и стыковки шнековых буровых и их связь с составом лунных пород (реголита), гео- штанг, 4 буровых штанги по 0.5 м, и корпуса (Рис. 3). логическими структурами и геофизическими анома- лиями (электромагнитные свойства реголита, маг- нитные и гравитационные аномалии). 4. Природа источников, формы нахождения и ме- ханизмы накопления слабосвязанных и заморожен- ных летучих в лунном реголите в полярных областях. 5. Прогнозные запасы слабосвязанных и заморо- женных летучих в районе исследования и в целом в полярных областях. 6. Геологический, геохимический и геофизический разрез (структура) рыхлого слоя реголита до подсти- лающих пород и его мощность (толщина) в точках наблюдений (бурения) и по маршруту лунохода. 7. Геологическое, геохимическое и геофизическое картирование района исследования.

5. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ЛУННОМ РЕГОЛИТЕ Добыча имплантированных газовых компонентов из реголита основана на классических методах экска- вации, транспортировки и последующего нагрева значительных объемов лунного грунта. Экскавация и нагрев до 700°С больших объемов грунта требуют значительных энергетических затрат (более 12 МВт Рисунок 3. Схема устройства шнековой буровой уста- на одну установку) (Sviatoslavsky, 1993). Общая мас- новки (ШБУ) с масс-спектрометром (М): са одной единицы такого полнофункционального (от 1 – колокол; 2 – шлам; 3 – масс-спектрометр; добычи до разделения и хранения компонентов) гор- 4 – двигатель; 5 – патрубок забора газов; 6 – нодобывающего и обогатительного комплекса, вклю- редуктор; 7 – буровая штанга; 8 – револьвер- чая лунный комбайн третьего поколения Mark III ный механизм (барабан); 9 – корпус; 10 – (Galimov, 2006), танкер, криогенный сепаратор с грунт; 11 – пылевой фильтр патрубка забора газов; 12 – шасси лунохода “Робот-Разведчик” радиатором и стационарную энергетическую уста- новку, превышает 30 т. По предварительным оценкам Буровая штанга состоит из трубки диаметром специалистов ГЕОХИ РАН и Роскосмоса для добычи около 1 см со шнеком на наружной поверхности. и обеспечения, например, годовой потребности в После опускания буровой установки с колоколом на криогенных компонентах (кислород, водород) на грунт, шнековый бур заглубляется в лунный грунт на начальном этапе освоения Луны потребуется достав- ка на Луну сотен тонн железа; сотни мегаватт элек-

122 E. Slyuta. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(4), 117-125

троэнергии, экскавация, перемещение и нагрев мил- сменных цистерн для хранения с рабочим давлени- лионов тонн лунного грунта. ем 15 МПа или больше; энергетической установки. Вышерассмотренная технология разработки газо- Примерная общая масса полностью автономного и вых месторождений на Луне ориентирована только роботизированного горнодобывающего комплекса на имплантированный тип газовых ресурсов и не может изменяться в интервале от нескольких сотен применима для разработки наиболее богатых типов килограммов до 1 – 2 т в зависимости от величины и лунных газовых месторождений, содержащих сла- производительности комплекса и его задач (развед- босвязанную и замороженную компоненты. Требует- ка или добыча). Необходимая оперативная энергия ся развитие иных методов и технологий разработки для всей установки оценивается в пределах первых газовых месторождений, которые могли бы изменить десятков киловатт. Комплекс при необходимости сам принцип извлечения необходимых газов из лун- позволит оперативно переключаться на добычу ного реголита. Например, метод селективной экс- любого иного газового компонента и изотопа. Со- тракции газов из природных и промышленных сили- храняется первичный лунный ландшафт. катов с помощью электромагнитного резонанса. Для отработки технологии и подтверждения ха- В процессе экспериментальных и аналитических рактеристик оборудования для селективной экстрак- исследований имплантации и концентрации гелия и ции газов еще необходимо выполнить значительный водорода в породообразующих минералах-аналогах объем комплексных исследований условий резонанс- лунного реголита (Slyuta, Yakovlev, Voropaev, & ной десорбции газов из промышленных и природных Dubrovskii, 2013; Slyuta et al., 2017) обнаружена воз- силикатов. Следует отметить, что это лишь один из можность такой селективной экстракции газов из возможных перспективных методов, который еще природных и промышленных силикатов с помощью требует своего практического подтверждения. электромагнитного резонанса. Было выявлено, что адсорбированные на поверхности нано- и мезопор 6. ВЫВОДЫ различных кристаллических фаз силикатов и алюмо- силикатов молекулы газов колеблются с частотой до Газовые месторождения в лунном реголите в за- ~1012 Гц, что попадает в терагерцовый диапазон висимости от формы накопления и сохранения под- разделяются на три основных типа – имплантирован- шкалы электромагнитных колебаний. По предвари- тельным экспериментальным данным, в температур- ные, слабосвязанные и замороженные летучие. Вы- деленные типы газовых месторождений отличаются ном диапазоне 20 – 120°С для газов от 2 до 44 а.е.м. (от молекулярного водорода до двуокиси углерода) по составу, содержанию, региональному распределе- частота колебаний молекул находится в пределах от нию и запасам летучих компонентов. Имплантиро- ванные газы устойчивы при механических и темпе- 6 до 2 ТГц. Управляемая селективная десорбция заключается ратурных воздействиях в пределах нескольких сотен в осуществлении резонанса электромагнитных коле- градусов. Благодаря этому свойству этот тип газов является наиболее изученным ресурсом. Наиболее баний излучения с колебаниями адсорбированных молекул газа. При настройке терагерцового лазера на богатые месторождения этого типа расположены определенную частоту колебания данной молекулы преимущественно в экваториальной области в мор- ских районах. Разработка этого типа месторождений при заданной температуре можно получить селек- тивный фотодесорбционный поток выбранного газа. может осуществляться классическими методами, При этом молекулы иных газов, колеблющиеся на применяемыми в земной горной промышленности, включая экскавацию, транспортировку и нагрев зна- других частотах, не будут десорбироваться. Поток фотодесорбции является координатно-ориентиро- чительных объемов лунного грунта. Наиболее богатые месторождения слабосвязан- ванным с направлением лазерного излучения. Наиболее совершенными источниками терагерцово- ных газов и замороженных летучих компонентов го излучения являются квантово-каскадные лазеры, сконцентрированы преимущественно в полярных областях Луны. Прогнозные запасы каждого из которые отличаются компактностью, малой массой и могут работать при низких температурах. Глубина этих типов месторождений даже по предваритель- проникновения лазерного излучения в терагерцовом ным данным на несколько порядков превышают запасы месторождений имплантированного типа на диапазоне в рыхлом слое реголита может достигать первых метров. всей поверхности Луны. В отличие от имплантиро- В целом горнодобывающий комплекс на основе ванной компоненты слабосвязанные и заморожен- ные летучие крайне чувствительны и нестабильны селективной экстракции летучих компонентов дол- жен состоять из следующих основных элементов: к температурному и механическому воздействию, и легкого колесного шасси; терагерцового квантово- требуют разработки специальных методов исследо- каскадного лазера с настраиваемой частотой излу- вания и технических средств для поисков, разведки чения; электронного блока дистанционного управ- и разработки этих, наиболее ценных типов газовых месторождений. ления; антенны; композитного или пленочного ко- локола для сбора выделяемого потока газов; элек- тростатического сепаратора для очищения летучих БЛАГОДАРНОСТЬ элементов от пыли; каскадного компрессора из не- Исследования поддержаны грантом Российского скольких насосов для сжатия газа; нескольких научного фонда № 17-17-01279.

123 E. Slyuta. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(4), 117-125

REFERENCES Shkuratov, Yu.G., Starukhina, L.V., Kaydash, V.G., & Bonda- renko, N.V. (1999). Raspredelenie soderzhaniya ЗНе po vi- Andreas, E.L. (2007). New Estimates for the Sublimation Rate dimomu polushariyu luny. Astronomicheskiy Vestnik, 33(5), for Ice on the Moon. Icarus, 186(1), 24-30. 466-478. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2006.08.024 Shkuratov, Y., & Bondarenko, N. (2001). Regolith Layer Arnold, J.R. (1979). Ice in the Lunar Polar Region. Journal of Thickness Mapping of the Moon by Radar and Optical Geophysical Research, (84), 5659-5668. Data. Icarus, 149(2), 329-338. https://doi.org/10.1029/JB084iB10p05659 https://doi.org/10.1006/icar.2000.6545 Blewett, D.T., Lucey, P.G., Hawke, B.R., & Jolliff, B.L. Slyuta, E.N., Abdrakhimov, A.M., & Galimov, E.M. (2007). (1997). Clementine Images of the Lunar Sample-Return The Estimation of Helium-3 Probable Reserves in Lunar Stations: Refinement of FeO and TiO2 Mapping Tech- Regolith. 38th Lunar and Planetary Science, 2175. niques. Journal of Geophysical Research: Planets, 102(E7), Slyuta, E.N., Yakovlev, O.I., Voropaev, S.A., & Dubrovskii, A.V. 16319-16325. (2013). He Implantation and Concentrations in Minerals https://doi.org/10.1029/97je01505 and Lunar Regolith Particles. Geochemistry International, Bussey, D.B.J., Lucey, P.G., Steutel, D., Robinson, M.S., Spu- 51(12), 959-967. dis, P.D., & Edwards, K.D. (2003). Permanent Shadow https://doi.org/10.1134/s0016702913120094 in Simple Craters Near the Lunar Poles. Geophysical Slyuta, E.N. (2014). Physical and Mechanical Properties of Research Letters, 30(6), 1278-1281. the Lunar Soil (A Review). Solar System Research, 48(5), https://doi.org/10.1029/2002gl016180 330-353. Feldman, W.C. (1998). Fluxes of Fast and Epithermal Neutrons https://doi.org/10.1134/s0038094614050050 from Lunar Prospector: Evidence for Water Ice at the Lunar Slyuta, E.N., Galimov, E.M., & Marov, M.Ya. (2014a). Prob- Poles. Science, 281(5382), 1496-1500. lemy selenologii. V knige “Fundamental’nye kosmicheskie https://doi.org/10.1126/science.281.5382.1496 issledovaniya”, Vol. 2 “Solnechnaya sistema” (pp. 52-97). Feldman, W.C., Lawrence, D.J., Elphic, R.C., Barraclough, B.L., Moskva: Fizmatlit. Maurice, S., Genetay, I., & Binder, A.B. (2000). Polar Slyuta, E.N., Galimov, E.M., & Marov, M.Ya. (2014b). Temati- Hydrogen Deposits on the Moon. Journal of Geophysical cheskaya geologicheskaya s’’emka i predvaritel’naya geo- Research: Planets, 105(E2), 4175-4195. logicheskaya razvedka (na Lune). V knige “Fundamen- https://doi.org/10.1029/1999je001129 tal’nye kosmicheskie issledovaniya”, Vol. 2 “Solnechnaya French, B.M. (1977). The Moon Book. London: Penguin Books. sistema” (pp. 103-128). Moskva: Fizmatlit. Galimov, E.M. (2006). Proekt “Luna – Geliy-3”. Nauka v Rossii, Slyuta, E.N. (2017). Osnovnye tipy lunnykh resursov i prob- (6), 15-23. lemy ikh dobychi i obogashcheniya. Gornyy Zhurnal, (4), Kulcinski, G.L., Cameron, E.N., Santarius, J.F., Sviatoslavsky, 13-18. I.N., Wittenberg, L.J., & Schmitt, H.H. (1992). Fusion Slyuta, E.N., Petrov, V.S., Yakovlev, O.I., Voropaev, S.A., Energy from the Moon for the Twenty-First Century. In 2d Monakhov, I.S., & Prokof’eva, T.V. (2017). Application of Conference on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Thermodesorption Mass Spectrometry for Studying Proton Century (pp. 459-474). NASA: Johnson Space Center. Water Formation in the Lunar Regolith. Geochemistry Lawrence, D.J., Feldman, W.C., Elphic, R.C., Hagerty, J.J., International, 55(1), 27-37. Maurice, S., McKinney, G.W., & Prettyman, T.H. (2006). https://doi.org/10.1134/s0016702916130188 Improved Modeling of Lunar Prospector Neutron Spec- Slyuta, E.N., Vasilev, A.V., & Dalyaev, I.Yu. (2017). trometer Data: Implications for Hydrogen Deposits at Lunokhod “Robot-Geologist”: Scientific Tasks and Technical the Lunar Poles. Journal of Geophysical Research, Configuration. 48th Lunar and Planetary Science, 1929. 111(E8), 1-19. Spudis, P.D., Bussey, D.B.J., Butler, В., Carter, L., https://doi.org/10.1029/2005je002637 Chakraborty, M., Gillis-Davis, J….Ustinov, E. (2010). Re- Lucey, P.G., Blewett, D.T., Taylor, G.J., & Hawke, B.R. sults of the Mini-SAR Imaging Radar, Chandrayaan-1 Mis- (2000). Imaging of Lunar Surface Maturity. Journal of sion to the Moon. 41st Lunar and Planetary Science, 1224. Geophysical Research: Planets, 105(E8), 20377-20386. Sviatoslavsky, I.N. (1993). The Challenge of Mining He-3 on https://doi.org/10.1029/1999je001110 the Lunar Surface: How All the Parts Fit Together. Tech- Murphy, D.M., & Koop, T. (2005). Review of the Vapor Pres- nical Report WCSAR-TR-AR3-9311-2. Madison: Wiscon- sures of Ice and Super Cooled Water for Atmospheric sin Center for Space Automation and Robotics. Applications. Quarterly Journal of the Royal Meteorologi- Terada, K., Yokota, S., Saito, Y., Kitamura, N., Asamura, K., & cal Society, (131), 1539-1565. Nishino, M.N. (2017). Biogenic Oxygen from Earth Trans- https://doi.org/10.1256/qj.04.94 ported to the Moon by a Wind of Magnetospheric Ions. Ozima, M., Yin, Q.-Z., Podosek, F.A., & Miura, Y.N. (2008). Nature Astronomy, 1(2), 0026. Toward Understanding Early Earth Evolution: Prescription https://doi.org/10.1038/s41550-016-0026 for Approach from Terrestrial Noble Gas and Light Ele- Vasavada, A., Paige, D.A., & Wood, S.E. (1999). Near-Surface ment Records in Lunar Soils. Proceedings of the National Temperatures on Mercury and the Moon and the Stability Academy of Sciences, 105(46), 17654-17658. of Polar Ice Deposits. Icarus, 141(2), 179-193. https://doi.org/10.1073/pnas.0806596105 https://doi.org/10.1006/icar.1999.6175 Sanin, A.B., Mitrofanov, I.G., & Litvak, M.L., Bakhtina, B.N., Wagner, W., Saul, A., & Pruss, A. (1994). International Equa- Bodnarik, J.G., Boynton, W.V.…Vostrukhina, A.A. (2017). tions for the Pressure Along the Melting and Along the Hydrogen Distribution in the Lunar Polar Regions. Icarus, Sublimation Curve of Ordinary Water Substance. Journal (283), 20-30. of Physical and Chemical Reference Data, 23(3), 515-527. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2016.06.002 https://doi.org/10.1063/1.555947

ABSTRACT (IN RUSSIAN) Цель. Изучение основных типов наиболее ценных лунных ресурсов (вода, водород, кислород и другие газы) в лунном реголите для определения основных методов и технических решений их исследования и добычи.

124 E. Slyuta. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(4), 117-125

Методика. На основе анализа данных регионального и глобального геохимического картирования Луны космическими аппаратами, а также на основе экспериментальных и теоретических исследований имплантации и концентрации летучих компонентов в лунных породообразующих минералах были выявлены основные свой- ства летучих в лунном реголите. Результаты. В зависимости от формы накопления и сохранения летучих компонентов в лунном реголите выде- лены три основных типа газовых месторождений – имплантированные, слабосвязанные и замороженные лету- чие, которые отличаются по составу, содержанию, региональному распределению и запасам. Научная новизна. Проведен комплексный сравнительный анализ основных типов газовых месторождений на Луне, включая состав, основные свойства, прогнозные запасы, методы и технические решения их исследова- ния и разработки. Практическая значимость. Определены наиболее перспективные типы газовых месторождений на Луне и даны рекомендации по разработке технических средств для исследований и разведки этих месторождений, которые уже реализуются в проектах посадочных космических аппаратов и луноходов. Ключевые слова: Луна, имплантированные летучие, слабосвязанные летучие, замороженные летучие, лунный реголит, лунный грунт

ABSTRACT (IN UKRAINIAN) Мета. Вивчення основних типів найбільш цінних ресурсів Місяця (вода, водень, кисень і інші гази) в місяч- ному реголіті для визначення основних методів і технічних рішень їх дослідження і видобутку. Методика. На основі аналізу даних регіонального та глобального геохімічного картування Місяця косміч- ними апаратами, а також на основі експериментальних і теоретичних досліджень імплантації й концентрації летких компонентів у місячних породоутворюючих мінералах були виявлені основні властивості летких в міся- чному реголіті. Результати. Залежно від форми накопичення та збереження летких компонентів у місячному реголіті виді- лено три основних типи газових родовищ – імплантовані, слабозв’язані та заморожені леткі, які відрізняються за складом, вмістом, регіональним розподілом і запасами. Наукова новизна. Проведено комплексний порівняльний аналіз основних типів газових родовищ на Місяці, включаючи склад, основні властивості, прогнозні запаси, методи і технічні рішення їх дослідження та розробки. Практична значимість. Визначено найбільш перспективні типи газових родовищ на Місяці та надано рекомендації щодо розробки технічних засобів для досліджень і розвідки цих родовищ, які вже реалізуються у проектах посадочних космічних апаратів і місяцеходів. Ключові слова: Місяць, імплантовані леткі, слабозв’язані леткі, заморожені леткі, місячний реголіт, місячний ґрунт

ARTICLE INFO Received: 4 October 2017 Accepted: 13 December 2017 Available online: 15 December 2017

ABOUT AUTHORS Evgeniy Slyuta, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Head of the Laboratory of Geochemistry of the Moon and Planets, Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences, 19 Kosygina St, 119334, Moscow, Russian Federation. E-mail: [email protected]

125