W grudniu 1983 roku, Wydział Polityki Badań i Analiz Narodowej Fundacji Nauki zamówił w firmie Science Applications Incorporated (SAI) porównanie potencjału badawczego z dziedzin nauki i technologii stacji kosmicznej znajdującej się na orbicie Ziemi oraz bazy księżycowej. W swoim raporcie, który został ukończony w dniu 10 stycznia 1984 roku, SAI ostrzegła, iż z powodu bardzo krótkiego, dwutygodniowego okresu realizacji, mogła zaoferować jedynie „wstępne wnioski” co do względnych zalet stacji kosmicznej położonej na orbicie naszej planety oraz potencjalnej bazy utworzonej na Srebrnym Globie. Choć SAI tego nie powiedziała, studium musiało zostać zrealizowane w tak bardzo krótkim czasie ponieważ jego wyniki musiały być dostępne w Białym Domu przed planowanym ogłoszeniem przez Prezydenta Ronalda Reagana planów budowy stacji kosmicznej NASA, co miało mieć miejsce podczas wygłoszenia przez niego orędzia o stanie państwa (State of the Union Adress) przed Kongresem w styczniu 1984 roku.
SAI wyjaśniła, że w jej badaniach zastosowano podejście z wykorzystaniem czterech etapów. Po pierwsze, zespół prowadzący studium ocenił które z dyscyplin naukowych i technologicznych nadawałyby się najlepiej do badań na pokładzie stacji kosmicznej oraz bazy na Księżycu. Następnie, zespół opracował projekt koncepcyjny bazy księżycowej, zdolnej do obsługi wybranych dyscyplin naukowych. W kolejnym etapie rozwinął również koncepcję systemu transportowego, który znalazłby zastosowanie w trakcie budowy oraz późniejszego utrzymania bazy. Wreszcie, zespół dokonał oszacowania kosztów rozwoju, budowy i eksploatacji swojej bazy księżycowej.
Grupa projektantów zidentyfikowała pięć dyscyplin naukowo-technologicznych, które w największym stopniu nadawały się do badań z wykorzystaniem bazy na Srebrnym Globie. Pierwszą z nich była radioastronomia. Według SAI, aby zrealizować badania tego rodzaju, najlepiej byłoby we wnętrzu kraterów posiadających kształt misy zbudować radioteleskopy, wykorzystując naturalną krzywiznę tych tworów. Radioastronomowie mogliby w swoich badaniach wykorzystać stronę Księżyca niewidoczną z Ziemi, gdzie około 3400 kilometrów skały izolowałyby instrumenty od sztucznych źródeł sygnałów pochodzących z naszej planety. Jednocześnie blisko 400 tysięcy kilometrów dzielących księżycowe i ziemskie radioteleskopy umożliwiałoby wykonywanie interferometrii VLBI (Very Long Baseline Interferometry) zdolnej do rejestracji drobnych detali w galaktykach leżących daleko poza Drogą Mleczną.
Drugą dyscypliną naukową wybraną przez SAI dla bazy księżycowej była fizyka i astrofizyka w zakresie wysokich energii. Zespół zauważył, że ponieważ Księżyc oferuje „duży, płaski teren, znajdujący się w próżni i posiadający lokalne źródło materiału przydatnego w produkcji magnesów”, mógłby posłużyć jako miejsce budowy dużego akceleratora cząstek.
Geologia Księżyca (którą SAI w swoim raporcie nazywa „selenologią”) z oczywistych względów lepiej sprawdzałaby się w przypadku bazy księżycowej niż stacji kosmicznej. SAI zauważyła, że pomimo 13 udanych misji robotycznych USA oraz sześciu lądowań w ramach programu Apollo, Księżyc „został tylko pobieżnie zbadany”. Eksploracja selenologiczna za pomocą bazy na Księżycu pozwoliłaby skoncentrować się na „lepszym zrozumieniu wczesnej historii i wewnętrznych struktur Księżyca” oraz na „poszukiwaniach możliwych złóż rud oraz innych użytecznych związków”. Selenolodzy mogliby podróżować na większe odległości od bazy aby dokonywać pomiarów przepływu ciepła oraz właściwości magnetycznych obszarów Księżyca, mogliby także wykonywać głębokie odwierty, rozstawiać sejsmografy oraz zbierać i analizować próbki skał.
Czwartą dyscypliną wybraną przez SAI było wykorzystanie zasobów lokalnych. Zespół zauważył, że badania próbek, które przywieziono na Ziemię w ramach misji Apollo wykazały, iż zawierają one 40% tlenu (stosunek wagowy) oraz dodatkowo krzem, tytan i inne przydatne pierwiastki. Księżycowy tlen mógłby posłużyć jako utleniacz w napędzie chemicznym pojazdów kosmicznych podróżujących pomiędzy Ziemia a Księżycem oraz z niskiej orbity okołoziemskiej na jej orbity geosynchroniczne. Krzem mógłby zostać użyty do produkcji ogniw fotowoltaicznych (choć SAI podkreśliło, że dwutygodniowy okres księżycowej nocy powodowałby, iż ich wykorzystanie byłoby „nieco kłopotliwe”). Nieprzetworzony pył księżycowy – regolit – mógłby stanowić natomiast ochronę przed promieniowaniem. Gdyby na biegunach odkryto lód wodny (co obecnie potwierdzono) – na przykład za pomocą automatycznych orbiterów poruszających się po orbitach polarnych, które według SAI powinny poprzedzać program bazy księżycowej – wtedy Księżyc mógłby oprócz tlenu także zaopatrywać pojazdy w wodór, stanowiący dla nich paliwo rakietowe.
Piątą i ostatnią dyscypliną zaproponowaną przez SAI był „rozwój systemów” (systems development). Zespół oczekiwał, że rozwój technologiczny bazy księżycowej będzie „oddany poprawie wydajności i możliwości systemów wspierających funkcjonowanie tej instalacji”. Systemów takich jak między innymi podtrzymywanie życia, w celu „zmniejszenia zależności od dostaw wysyłanych z Ziemi”. Rozwój systemu transportowego mogłyby obejmować badania pozwalające na budowę wyrzutni elektromagnetycznej, przypominającej nieco podobne urządzenie zaproponowane po raz pierwszy przez sir Artura C. Clarke’a w 1950 roku. Urządzenie to mogłoby być wykorzystywane do wynoszenia ładunków masowych (na przykład regolitu księżycowego, ciekłego tlenu oraz przetworzonych rud) do miejsc znajdujących się w obrębie układu Ziemia-Księżyc.
Zespół zauważył, że niektóre dyscypliny mogłyby być badane zarówno na pokładzie bazy księżycowej jak i stacji kosmicznej. Duże (100-metrowe) teleskopy do astronomii optycznej na przykład, mogłyby być równie skuteczne na Księżycu jak i na orbicie Ziemi. Jednakże, Księżyc oferowałby stałą i stabilną powierzchnię, która pozwoliłaby na osiągnięcie „odpowiedniej precyzji kierowania oraz właściwej spójności systemu optycznego”, koniecznych w takim teleskopie.
SAI przyznała, że jej raport proponował „badania i rozwój technologiczny… w zbyt dużej liczbie i często zbyt trudne do zastosowania w przypadku bazy księżycowej pierwszej generacji”. W związku z tym podzielono działania możliwe do wykonania z zakresu pięciu zaproponowanych dyscyplin na dwie kategorie: możliwych do realizacji w ramach bazy pierwszej generacji oraz tych, które będą wymagać instalacji drugiej generacji o większych możliwościach. Dla przykładu, pierwsza generacja eksperymentów radioastronomicznych wykorzystywałaby dwie niewielkie anteny talerzowe, umieszczone po stronie Księżyca widocznej z Ziemi. Druga generacja natomiast posiadałaby do dyspozycji pojedynczą, 100-metrową antenę funkcjonującą po stronie niewidocznej z naszej planety.
Po zdefiniowaniu programu bazy księżycowej, analitycy SAI przeszli do drugiego i trzeciego etapu swoich studiów. Zespół przyjął, że należące do NASA promy kosmiczne (które właśnie zakończyły swój dziewiąty lot – STS-9/Spacelab 1 pomiędzy 28 listopada, a 8 grudnia 1983 roku) oraz stacja kosmiczna na niskiej orbicie okołoziemskiej będą mogły utworzyć część infrastruktury transportowej bazy księżycowej. Wahadłowce zapewniłyby tani i pewny sposób dostarczania załóg bazy księżycowej, pojazdów kosmicznych oraz zaopatrzenia na stację kosmiczną, gdzie zostałyby one przygotowane do lotu na Księżyc. SAI zaproponowała również wykorzystanie w bazie księżycowej tego samego wyposażenia, które powstałoby na potrzeby stacji kosmicznej.
System transportu księżycowego SAI obejmowałby trzy różne pojazdy kosmiczne. Pierwszy, OTV (Orbital Transfer Vehicle), zdolny do wielokrotnego użycia, składałby się z dwustopniowego pojazdu na stałe operującego z pokładu stacji kosmicznej. SAI założyła, że NASA będzie rozwijać pojazdy OTV w celu przemieszczania towarów pomiędzy stacją a wysokimi orbitami (na przykład geostacjonarnymi) oraz, że podstawowy projekt OTV będzie mógł zostać zmodyfikowany na potrzeby bazy na Księżycu. OTV, który funkcjonowałby jako pojazd załogowy poprzez dodanie „modułu załogowego” (personnel pod), byłby zdolny do transportu do 16,950 kilogramów ładunku (w tym załóg) do planowanej bazy księżycowej.
Ładunki i załogi docierałyby do bazy na pokładach lądowników dwojakiego rodzaju. Automatyczne, jednorazowe Lądowniki Logistyczne (Logistics Landers) dostarczałyby do 14,600 kilogramów ładunku podczas swojego pojedynczego lotu. W międzyczasie, czteroosobowe załogi lądowałyby w pojeździe LEM (Lunar Excursion Module) wielokrotnego użytku. Pojazd ten wykorzystywałby ten sam zespół napędowy co Lądowniki Logistyczne, pozwalając technikom z bazy księżycowej na wykorzystanie lądowników towarowych, po tym jak będą one porzucone w pobliżu bazy, jako źródeł części zamiennych do lądowników załogowych LEM.
Trzy pojazdy wykorzystywałyby dwa rodzaje lotów. Lądowniki podróżujące tylko w jedną stronę wykorzystywałyby Bezpośrednie Wznoszenie (Direct Ascent). W locie tym pierwszy stopień pojazdu OTV uruchomiłby swoje silniki zużywając niemal cały zapas materiałów pędnych, następnie odłączyłby się, odwrócił i uruchomił ponownie system napędowy by zwolnić i powrócić na stację kosmiczną umieszczoną na orbicie Ziemi, gdzie mógłby zostać ponownie przygotowany do lotu. Następnie, drugi stopień OTV także odpaliłby swoje silniki i zużył większą część swoich zapasów paliwa, by wkrótce potem odłączyć się od Pojazdu Logistycznego. Drugi stopień wykonałby przelot w pobliżu Księżyca, wykorzystując jego grawitację do wejścia na tzw. trajektorię swobodnego powrotu wiodącą na Ziemię, gdzie wyhamowałby wykorzystując w tym celu atmosferę naszej planety by wejść na jej orbitę i powrócić na stację kosmiczną. W międzyczasie Lądownik Logistyczny rozpocząłby zejście do lądowania w pobliżu bazy księżycowej nie zatrzymując się po drodze na orbicie Srebrnego Globu.
Dla dwukierunkowych wypraw załogowych, Lądownik Logistyczny zostałby zastąpiony modułem załogi, zabierającym do czterech osób personelu bazy księżycowej oraz pilota pojazdu OTV. Pierwszy stopień pojazdu OTV funkcjonowałby w taki sam sposób jak w przypadku lotu typu Bezpośredniego Wznoszenia. Po trzydniowej podróży, drugi stopień OTV wraz z modułem załogi wszedłby na orbitę wokółksiężycową, gdzie zacumowałby do pojazdu LEM, który przenosiłby astronautów mających powrócić na Ziemię z bazy księżycowej. Zamieniliby się oni miejscami z nową załogą bazy przybyłą w module załogowym. Oprócz nowego personelu, LEM byłby dodatkowo zdolny do przeniesienia 12,750 kilogramów paliwa (w ilości potrzebnej do odbycia podróży z orbity Księżyca do bazy i z powrotem) oraz do 2000 kilogramów zaopatrzenia.
Następnie drugi stopień pojazdu OTV wraz z modułem załogowym odłączyłby się od lądownika LEM. Pierwszy uruchomiłby swoje silniki by opuścić orbitę księżycową i udać się na Ziemię, podczas gdy drugi rozpocząłby zejście z orbity by wylądować w pobliżu bazy. Drugi stopień pojazdu OTV wraz z załogą, po osiągnięciu Ziemi, wykorzystałby atmosferę do wyhamowania i powrotu na stację kosmiczną w celu przygotowania do kolejnej wyprawy.
Początek budowy bazy księżycowej rozpocząłby się parą lotów w ramach Misji Badań Terenowych (Site Survey Missions). W pierwszej z nich, pozbawiony załogi pojazd LEM z pustymi zbiornikami paliwa zostałby umieszczony na orbicie księżycowej przy użyciu podobnej techniki jak w przypadku lotu załogowego. Automatyczny, drugi stopień pojazdu OTV przenoszący LEM w miejscu modułu załogowego, wszedłby na orbitę Księżyca, następnie odłączył się od lądownika i powróciłby na Ziemię.
Drugi lot SSM wykorzystywałby inny wariant lotu załogowego. Pięciu astronautów przybyłoby na orbitę księżycową w module załogowym, połączonym z drugim stopniem pojazdu OTV, aby następnie zacumować do oczekującego lądownika LEM. Czwórka astronautów stanowiących załogę eksploracyjną terenu budowy bazy przesiadłaby się do lądownika, przenosząc również zaopatrzenie oraz przetaczając do niego potrzebne paliwo. Po odłączeniu wylądowaliby w miejscu planowanej budowy bazy, pozostawiając pojazd OTV na orbicie księżycowej. Gdy badania terenu zostałyby zakończone, załoga powróciłaby do pojazdu orbitalnego i swojego modułu załogowego, następnie odłączyłaby lądownik LEM i udałaby się w drogę powrotną, by po trzech dniach wejść na orbitę Ziemi.
Zakładając, że miejsce przeznaczone na budowę instalacji zostałoby rozpoznane jako nadające się do tego celu, lot numer 3 zapoczątkowałby proces wznoszenia bazy księżycowej. Lądownik Logistyczny zostałby skierowany na trajektorię pozwalającą na przeprowadzenie lądownia bezpośredniego (Direct Descent), dostarczając na powierzchnię Moduł Połączeniowy (Interface Module) oraz Elektrownię (Power Plant). Moduł Połączeniowy, który oprałoby o konstrukcję modułu pełniącego tę samą funkcję w stacji kosmicznej, zawierałby cylindryczną śluzę powietrzną, zamontowaną w górnej części „bańkę” obserwacyjną oraz cylindryczny tunel z portami, służącymi do podłączania kolejnych modułów bazy. SAI zaproponowało by elektrownia wykorzystywała nuklearne źródło zasilania, zdolne do wygenerowania około 100 kilowatów energii elektrycznej.
Zadaniem lotu numer 4 miało być dostarczenie dwóch łazików, dwóch mobilnych laboratoriów o masie 2000 kilogramów każde oraz 1000-kilogramowy, doświadczalny moduł służący do badań z zakresu wykorzystania zasobów lokalnych (Resource Utilization Plant). Łaziki byłyby zdolne do holowania laboratoriów na odległość do 200 kilometrów od bazy na swoiste wyprawy selenologiczne, trwające do pięciu dni. Przenośne laboratoria zawierałyby instrumenty służące do obrazowania mikroskopowego, analizy minerałów oraz wykrywania lodu pod powierzchnią gruntu. Przenosiłyby również urządzenia służące do radiowych badań warstw podpowierzchniowych Księżyca, kamery stereoskopowe oraz ślimakowy czerpak gruntu lub system wiertniczy pozwalający na pobieranie próbek z głębokości do dwóch metrów. Moduł pierwszej generacji wykorzystujący lokalne zasoby księżycowe przetwarzałby 10,000 kilogramów regolitu rocznie by wytwarzać z niego tlen, krzem, żelazo, aluminium, tytan, magnez oraz wapń.
Długoterminowy pobyt na powierzchni Księżyca rozpocząłby się wraz z lotem numer 9 – wyprawą, która dostarczyłaby czteroosobową załogę „budowniczych”. Dodatkowe trzy osoby pełniące tę samą rolę przybyłyby w kolejnym, 10 locie, zwiększając całkowitą liczbę załogi stacji do siedmiu osób. Piloci pojazdów OTV wracaliby na Ziemię samotnie po tym jak załogi opuściłyby te statki kosmiczne wykorzystując swoje lądowniki LEM.
Używając pojazdów naziemnych, załoga mogłaby rozładować Lądowniki Logistyczne i połączyć komponenty bazy w jedną całość. Konieczne zatem byłoby połączenie Laboratorium, Sekcji Mieszkalnej (Hab) oraz Modułów Zaopatrzeniowych do Modułu Połączeniowego (Interface Module), a następnie podłączenie modułu wykorzystującego zasoby księżycowe (Resource Utilization Plant). Elektrownia wykorzystująca zasilanie nuklearne zostałaby umiejscowiona w bezpiecznej odległości od bazy i połączona kablem z systemem zarządzania energią elektryczną instalacji. Załoga połączyłaby również Elektrownię z systemem kontroli temperatury za pomocą przewodów łączących się z wymiennikami ciepła i radiatorami, a następnie uruchomiła Elektrownię. Wreszcie, astronauci wykorzystaliby łyżki zamontowane na łazikach do przykrycia modułów ciśnieniowych warstwą regolitu w celu zapewnienia sobie osłony przed promieniowaniem. Ukończona baza zapewniałaby siedmiu astronautom 56.6 metrów sześciennych przestrzeni życiowej, przypadających na jedną osobę.
Lot numer 11 – pierwsza misja polegająca na wymianie załogi – pozwoliłby czterem osobom z zespołu zajmującego się budową bazy, którzy przylecieli w locie numer 9, na powrót na orbitę księżycową za pomocą pojazdu LEM, gdzie zacumowałby on z drugim stopniem pojazdu OTV przenoszącym moduł załogi, który właśnie przybyłby z Ziemi. Załoga lotu numer 11 zamieniłaby się następnie miejscami ze starą ekipą lotu numer 9 i po uzupełnieniu paliwa w pojeździe LEM oraz przeniesieniu ładunku odłączyliby lądownik i rozpoczęli procedurę lądowania w pobliżu bazy księżycowej. Tymczasem cztery osoby zespołu budującego bazę oraz pilot lotu numer 11 powróciliby na stację kosmiczną orbitującą na niskiej orbicie Ziemi. W locie numer 12, trzy osoby stanowiące załogę bazy zmieniłyby personel przybyły w locie numer 10.
Zespoły bazy księżycowej złożone z trzech lub czterech astronautów zmieniałyby się co dwa miesiące. Według SAI, typowy skład zawierałby dowódcę/pilota pojazdu LEM, pilota LEM/mechanika, technika/mechanika, lekarza/naukowca, geologa, chemika oraz biologa/lekarza.
SAI następnie oszacowało koszt budowy swojej bazy oraz jej trzyletniej eksploatacji w oparciu o prognozowane koszta operacyjne wahadłowców kosmicznych w odniesieniu do programu budowy stacji kosmicznej na orbicie Ziemi. W czasie gdy SAI prowadziło swoje studium, NASA określiła koszt swojej proponowanej stacji kosmicznej na kwotę pomiędzy 8 a 12 miliardów dolarów. Było to jednak niedoszacowanie, które miało na celu ukazanie tej koncepcji jako bardziej strawnej politycznie. Szacunki NASA określiły całkowity koszt budowy modułów logistycznych, zaopatrzeniowych, habitatu, laboratorium oraz innych struktur na poziomie około 7.1 miliarda dolarów, SAI więc oszacowało swoje koszta budowy modułów księżycowych (zaopatrzenia, habitatu, laboratorium oraz połączeniowego) na około 5.8 miliarda dolarów.
Choć pojazd OTV znalazłby zastosowanie w przypadku lotów na orbity LEO oraz GEO, SAI wliczyło koszta jego rozwoju i wprowadzenia do użytku w swój program bazy księżycowej (około 7.2 miliarda dolarów łącznie). Koszta jednorazowych Lądowników Logistycznych oraz pojazdu LEM wielokrotnego użycia wynosiłyby odpowiednio 6.6 oraz 4.8 miliarda dolarów. Choć lądownik LEM byłby strukturalnie bardziej złożony, to jednak Lądowniki Logistyczne kosztowałby więcej, ponieważ to w ramach tego projektu powstałyby systemy wspólne dla obu pojazdów.
Na podstawie optymistycznych szacunków NASA, zespół analityków SAI założył, że pojedynczy lot w kosmos wahadłowca kosmicznego będzie kosztował około 110 milionów dolarów w 1990 roku. Zatem 89 lotów promu kosmicznego w programie bazy księżycowej kosztowałoby łącznie 9.8 miliarda dolarów. Dla porównania, program stacji kosmicznej na orbicie Ziemi wymagałby jedynie 17 lotów wahadłowca, co zamknęłoby się kosztem 1.9 miliarda dolarów. SAI oszacowała całkowity koszt stacji orbitalnej wraz z jej trzyletnim okresem eksploatacji na około 14.2 miliarda dolarów. Koszt budowy bazy księżycowej wraz z dodatkowymi kwotami potrzebnymi w trzyletnim okresie jej funkcjonowania wyniósł tymczasem około 54.8 miliarda dolarów.
Na zakończenie swojego raportu, SAI zauważyła, że zarówno stacja na niskiej orbicie naszej planety jak i baza księżycowa mogłyby zostać ukończone w przeciągu dekady. Jednakże, stacja orbitalna mogłaby służyć szerszej społeczności naukowej oraz stanowiłaby podstawę dla bazy operacyjnej pojazdu OTV, znajdującej się na niskiej orbicie okołoziemskiej, dla ewentualnych przyszłych misji wspierających bazę księżycową. Zespół SAI stwierdził również, że stacja na niskiej orbicie okołoziemskiej byłaby rozsądnym celem krótkoterminowym (na okres następnych 10 lat), podczas gdy baza księżycowa przyniosłaby niewątpliwe korzyści w dłuższym okresie (50 lat) programu kosmicznego. Projektanci dodali również, że…
Program Kosmiczny będzie funkcjonował najlepiej, jeśli będzie posiadał jasno określone cele zarówno krótko jak i długookresowe. Cele wyznaczone na najbliższą przyszłość zapewnią dokonywanie postępów wraz z każdym upływającym rokiem. Cele bardziej dalekosiężne wyznaczą jednocześnie kierunki dalszego rozwoju. W chwili obecnej zarówno Stacja Kosmiczna jak i Baza Księżycowa wydają się spełniać oba te warunki.
David S.F. Portree
Beyond Apollo blog
Na podstawie:
“A Manned Lunar Science Base: An Alternative to Space Station Science? A Brief Comparative Assessment”, Report No. SAI-84/1502, Science Applications, Inc., January 10, 1984.
