В наши дни добыча полезных ископаемых в космосе часто представляется как реалистичная перспектива. Политики, журналисты, и даже ученые, порой манипулируют общественным мнением, приписывая космической добыче огромный потенциал и представляя ее с одной стороны как средство решения проблем дефицита ресурсов на Земле, а с другой стороны как яблоко раздора, которое может повлечь политическое обострение отношений.
За примером далеко ходить не надо, не далее как летом 2022 года глава NASA Билл Нельсон выразил журналистам опасения, что Китай может объявить Луну "своей территорией". Оставим на совести журналистов точность приведенного высказывания и возможную политическую мотивацию самого Билла Нельсона, которому очевидно выгодно "выбить" из бюджета США как можно большее финансирование для реализации лунной программы NASA.
Однако отметим, что манипуляции эти часто не учитывают сложные реалии космических технологий и физические ограничения, которые существуют вне зависимости от технологического прогресса. Давайте разберемся подробнее, что вообще можно добывать в космосе и какие проблемы возникают на этом пути.
Что вообще можно добывать в космосе?
Итак, взглянем на то, какие полезные ископаемые и минералы можно добыть в космосе. Основные ресурсы, которые обычно представляют интерес для космической добычи, включают:
Вода:
Вода является критически важным ресурсом для поддержания жизни и может быть использована как топливо для ракет (через электролиз воды на водород и кислород).
Металлы:
Такие как железо, никель, кобальт, эти металлы широко распространены на астероидах и могут быть использованы для строительства в космосе.
Редкоземельные и драгоценные металлы:
Такие как платина, золото и родий, они встречаются на некоторых астероидах в высоких концентрациях.
Гелий-3:
Это изотоп гелия, который редко встречается на Земле, но может быть найден в больших количествах на Луне.
Ядерное топливо:
Включая уран и торий, такие материалы могут быть найдены на Луне, Марсе, астероидах и других небесных телах.
Прежде всего нужно понять, что не все из перечисленных ресурсов целесообразно добывать для отправки на Землю.
Первые два вида ресурсов - вода и обыкновенные металлы, могут представлять интерес только в случае строительства баз и колоний в космосе, исключительно по "месту пребывания" - где добыли, там и использовали. Эти материалы, такие как железо или никель, доступны в больших количествах прямо на Земле и добываются с куда меньшими затратами, чем это возможно в космосе.
Если же мы рассматриваем экономически выгодный для земной экономики вариант, есть лишь несколько типов ресурсов, которые актуальны для доставки на Землю.
Далее мы рассмотрим актуальность добычи каждого из этих ресурсов более подробно.
Гелий-3 и проблема его текущей невостребованности.
Гелий-3 часто упоминается как потенциально ценный космический ресурс, который может быть ключевым для будущего развития технологии ядерного синтеза, что в свою очередь предвещает революцию в вопросе мировой энергетики. Однако на текущий момент Гелий-3 почти нигде не используется, кроме как в научных исследованиях. Технологии, которые могут эффективно использовать этот элемент в качестве топлива, еще находятся в стадии разработки, и нет гарантии, что они будут успешно реализованы в ближайшем будущем.
По состоянию на 2023 год, большинство термоядерных реакторов используют другие виды топлива, такие как дейтерий и тритий. При этом, не построено еще ни одного реактора синтеза, который бы производил больше энергии, чем он потребляет. Это означает, что на сегодняшний день невозможно экономически оправданное производство энергии с помощью реакторов ядерного синтеза.
И хотя Гелий-3 потенциально может обеспечить более безопасный и эффективный процесс термоядерного синтеза, на данный момент нет технологии, которая могла бы использовать его на практике.
Следовательно, даже если бы мы могли добыть Гелий-3 в космосе, это не обязательно привело бы к экономическому успеху. Сначала нужно разработать технологии, которые могут эффективно использовать этот ресурс. И если эти технологии не появятся, то Гелий-3, скорее всего, останется невостребованным.
Другие ценные энергетические ресурсы. Ядерное топливо.
Пожалуй на этом моменте стоит немного отвлечься. Энергетические ресурсы, такие как углеводороды и ядерное топливо - это камень преткновения всей мировой экономики. Вещества, способные к быстрому высвобождению больших количеств энергии, с последующей переработкой ее в электричество - тесно связаны с благополучием современной цивилизации. Поэтому обращая свое любопытство на космическое пространство, люди зачастую задумываются о том, что неплохо было бы добывать подобные ресурсы и за пределами Земли.
Но в случае с углеводородами бессмысленность этой идеи лежит на поверхности. Да, углеводороды можно найти на планетах солнечной системы, например на спутнике Сатурна - Титане. Но ракеты летают в космос используя углеводородное топливо, и нам предельно ясно: доставить одну тонну углеводородов на Землю ценой тысячи тонн на заправку ракеты - глупая затея.
Но может все не так плохо, если рассмотреть доставку ядерного топлива?
Специалисты обсуждают возможность добычи ядерного топлива, такого как уран и торий на ближайших к нам небесных телах. Это могло бы быть полезно для Земной электроэнергетики, учитывая конечность запасов ядерного топлива на нашей планете. Однако, по данным, полученным от различных космических миссий и анализа метеоритов, уран и другие тяжелые элементы в космических объектах встречаются в гораздо меньших количествах, чем на Земле. Предполагается, что большинство этих элементов было сформировано в результате взрывов сверхновых звезд, и поэтому они довольно редки во вселенной.
К тому же добыча ядерного топлива в космосе могла бы представлять значительную опасность при доставке на нашу планету. Представьте, что к Земле направляется ракета, загруженная несколькими тоннами ядерного топлива. Как известно, на практике любая техника может дать сбой и неудачная операция по входу аппарата в атмосферу может стать чудовищной катастрофой, если вы перевозите столь опасные материалы. Учитывая, что космические аппараты начинают вход в атмосферу Земли на огромных скоростях, они подвержены сильнейшим температурным, вибрационным, инерционным нагрузкам. Стоит этому аппарату потерять управление в полете, и в таком случае к посадочному космодрому будет приближаться груда обломков вперемешку с радиоактивным ураном.
Исходя из этих соображений, на данный момент добыча ядерного топлива в космосе не является экономически целесообразной и безопасной, и данная идея вряд ли будет реализована в обозримом будущем.
Драгоценные и редкоземельные металлы.
Тем не менее, существует одна группа материалов, которая заслуживает внимания — это редкоземельные металлы. Эти элементы, включая такую экзотику как неодим, празеодим, европий и диспрозий, играют важную роль в производстве высокотехнологичного оборудования, включая ветровые турбины, электромобили и различные электронные устройства. В то время, как они необходимы для производства продвинутых технологий, их добыча на Земле становится все более сложной и затратной.
Согласно последним научным данным, редкоземельные металлы могут быть обнаружены в значительных количествах на некоторых астероидах, что делает их потенциально привлекательными для добычи в космосе. Однако, несмотря на то, что цена этих металлов на мировом рынке может быть достаточно высокой, существует ряд серьезных технологических препятствий для осуществления такой добычи.
Редкоземельные металлы распределены в материале астероидов не равномерно и часто обнаруживаются вместе с другими, менее ценными элементами, что создает сложности для их извлечения. Также важно учесть, что добыча этих ресурсов потребовала бы сложного и дорогостоящего оборудования, способного работать в космическом пространстве.
И хотя редкоземельные металлы могут быть самыми вероятными кандидатами для добычи в космосе, далее мы обсудим другие аспекты космической добычи ресурсов, которые позволят нам понять целесообразность этой идеи в целом.
Логистика. Как доставить ценный груз?
Прежде чем поговорить о способах самой добычи полезных ископаемых в космосе, затронем вопрос логистики. Транспортировка ресурсов на Землю представляет собой серьезную проблему, и это связано с физическим принципом работы ракет, описанным в формуле Циолковского. Суть этого принципа заключается в том, что увеличение скорости ракеты требует экспоненциального увеличения топлива.
Допустим ситуацию, когда на одном из астероидов уже функционирует аппарат по добыче ископаемых, и он готов произвести отгрузку материалов для отправки на Землю.
При доставке пустого транспортного аппарата с Земли на астероид, в каждый конкретный момент доставки необходимо учитывать массу самого корабля и массу топлива, необходимого для перелета. Поэтому, чем больше груза вы собираетесь привезти с астероида, тем больше топлива вам понадобится, и эти затраты увеличиваются в геометрической прогрессии.
Это означает, что для доставки даже небольшого количества полезных ископаемых с астероида на Землю потребуется значительное количество топлива, кратно большее по массе, чем добытые ресурсы. И это делает экономическую сторону таких операций очень сомнительной.
Вопрос о том, стоит ли добывать ресурсы в космосе, затрагивает не только возможности добычи, но и того, насколько рационально тратить огромные объемы топлива для перевозки этих ресурсов на Землю.
Доставка с помощью транспортных систем ближайшего будущего.
Рассмотрим экономическую целесообразность транспортировки на примере самой перспективной транспортной ракетной системы - Starship. Хотя стоит отметить, что на сегодняшний момент эта система еще не введена в эксплуатацию.
Система Starship от SpaceX принадлежит к классу новых, "дешевых" и многоразовых космических систем, которые ведут нас к революции в доступности космоса. Однако, даже если мы учитываем заявленные Илоном Маском цены на один запуск Starship (около 2 миллионов долларов за полет), доставка ресурсов из космоса все равно остается крайне дорогостоящим предприятием. Это становится ясным, когда мы учитываем, что даже после достижения орбиты Земли, корабль будет нуждаться в дополнительной заправке для перехода к астероиду и обратно.
Продвинутая технология многоразового космического корабля Starship, разработанная SpaceX, заметно снижает стоимость запуска на орбиту по сравнению с классическими одноразовыми ракетами. Однако даже с учетом этого прорыва, процесс транспортировки ресурсов из космоса на Землю всё ещё представляет собой сложную и дорогостоящую задачу.
Для лучшего понимания давайте взглянем на основные этапы этого процесса:
- Выведение транспортного корабля Starship на орбиту Земли. Это требует значительного количества топлива - на одну заправку потребуется 5000 тонн топливно-окислительной смеси. По итогу этого этапа на орбите окажется пустой "транспортный" Starship с небольшим запасом топлива на борту.
- Заправка транспортного корабля на орбите Земли. Поскольку корабль должен преодолеть большое расстояние до места добычи ресурсов, он должен быть полностью заправлен. Не будем вдаваться в подробности характеристической скорости, которая является мерой "дальнобойности" космических ракет, но отметим что в одиночку транспортный корабль не справится с задачей посещения пояса астероидов.
- Поэтому далее требуется выведение на орбиту нескольких сопутствующих "дозаправщиков" похожих на обычный транспортный Starship. Эти дополнительные корабли необходимы для дальнейшей дозаправки основного корабля в процессе полёта.
- Следующий шаг - заправка этих дозаправщиков на орбите Земли. Аналогично основному кораблю, эти дозаправщики также требуют дозаправки, что влечёт за собой ещё больше запусков.
- Перелёт в зону добычи ресурсов. Основной корабль и его сопутствующие дозаправщики совершают перелёт до места добычи, потребляя значительное количество топлива.
- Перелёт обратно к Земле. После загрузки ресурсов корабли возвращаются на Землю, что опять-таки требует топлива.
- Маневр торможения в окрестностях Земли для безопасного входа в атмосферу. Для снижения скорости до безопасного уровня перед входом в атмосферу Земли может потребоваться ещё один прожиг топлива.
Следовательно, для одного рейса по доставке ресурсов с помощью системы Starship необходим целый флот кораблей и десятки отдельных запусков. Этот факт подчеркивает огромные затраты на топливо, связанные с добычей и доставкой ресурсов из космоса на Землю, даже с использованием самых современных технологий.
Даже если мы считаем стоимость только лишь топливной смеси, для одного подобно рейса потребуются десятки тысяч тонн топлива, которое разумеется не бесплатно. Итоговый чек за весь объем топлива может составлять десятки миллионов долларов. При этом, Starship, будучи многоразовым кораблем, все же требует обслуживания, организации работы наземной инфраструктуры, выплаты зарплат персоналу и многое другое, и все это будет стоить больших денег.
И еще раз напоминаем: Starship - это самая дешевая, экономически выгодная ракетная система, в основе которой лежит принцип полной многоразовости. Если пытаться провернуть подобную доставку из пояса астероидов с помощью других, более привычных на сегодняшний день одноразовых ракет, то помимо топлива и амортизации придется оплатить еще и производство одноразовых ракет, которые нельзя будет использовать повторно, что выльется в совсем нереалистичные суммы.
Таким образом, несмотря на весь потенциал Starship и многоразовых технологий, вопрос о том, стоит ли добывать ресурсы в космосе, остается открытым. Скорее всего, ответ будет зависеть от конкретного типа ресурса, его доступности на Земле и потенциальных применений.
Как извлекать ресурсы на космических месторождениях?
Итак, мы рассмотрели вопрос доставки. Теперь рассмотрим процесс извлечения полезных ресурсов.
Сам процесс добычи ресурсов в космосе представляет собой еще одну серьезную проблему. Космическая среда кардинально отличается от условий на Земле, что означает, что технологии и методы добычи, используемые здесь, могут быть неэффективными или даже невозможными для использования в космосе.
Во-первых, космическая среда — это экстремальные условия, такие как микрогравитация (отсутствие заметного притяжения может стать проблемой для закрепления аппарата на интересующем астероиде), огромные температурные колебания, вакуум и высокая радиация. Это означает, что любое оборудование для добычи должно быть спроектировано и изготовлено с учетом этих факторов, что повышает техническую сложность и стоимость проекта.
Во-вторых, каждый тип миссии — будь то добыча воды из лунного полюса, извлечение гелия-3 из лунного реголита или добыча металлов на астероидах — требует уникального, индивидуального подхода и специализированного оборудования. Это увеличивает время и затраты на исследования и разработки, а также сложность проведения таких операций. Практически невозможно унифицировать аппарат добычи для двух различных астероидов, поскольку каждый из них имеет свои уникальные характеристики размера и массы, свою уникальную траекторию движения, структуру пород, концентрацию ископаемых и прочее.
В-третьих, такие аппараты могут быть достаточно массивными и тяжелыми, что вызывает дополнительные проблемы их доставки к месту назначения. Любое увеличение массы груза приводит к увеличению необходимого топлива для запуска и транспортировки, что, в свою очередь, увеличивает общую стоимость миссии. Вообще не факт, что аппарат, способный производить добычу ресурсов в промышленных масштабах, будет иметь массу и габариты, подходящие для запуска на современных ракетах. Текущее ограничение по массе полезной нагрузки, отправляемой в космос, составляет 120-150 тонн.
Дополнительная проблема, с которой сталкивается промышленная добыча ресурсов в космосе, связана с обеспечением энергией. Добыча и обработка ресурсов на Земле требуют огромного количества энергии. В космосе это становится еще более сложной проблемой.
Минеральные ископаемые, такие как металлы и редкоземельные элементы, обычно находятся в твердом состоянии и требуют большого количества энергии для их извлечения и переработки. В среднем, для работы одного крупного горного бурового станка на Земле требуется порядка 1-2 мегаватт энергии. Для сравнения, большинство современных космических аппаратов, включая международную космическую станцию, используют от нескольких киловатт до нескольких десятков киловатт энергии, которые идут в основном на поддержание жизнедеятельности экипажа, научных исследований и коммуникации.
Даже если были бы разработаны методы добычи и обработки, специально адаптированные для космической среды и более энергоэкономные, они все равно потребовали бы значительно больше энергии, чем та, которую обычно используют исследовательские космические аппараты. Поэтому вдобавок к самому добывающему устройству, было бы неплохо отправить к месту добычи солидную по размерам (и стоимости) электростанцию - будь то солнечные панели или ядерный реактор.
Солнечная энергия — самый очевидный источник энергии в космосе, но она имеет свои ограничения. Во-первых, солнечные батареи производят меньше энергии на астероидах или Марсе, чем на Земле, из-за большего расстояния от Солнца. Во-вторых, они не могут производить энергию в течение ночи (что актуально и для большинства астероидов).
Итак, даже если мы исключим все проблемы с транспортировкой ресурсов, просто процесс добычи в космической среде все еще представляет собой колоссальную инженерную и экономическую проблему.
Так будет ли человечество добывать ресурсы в космосе?
В целом, экономическая целесообразность добычи и доставки ресурсов из космоса на Землю на текущий момент выглядит крайне сомнительной. Даже если учесть потенциальные преимущества многоразовых космических кораблей, таких как Starship, фундаментальные физические ограничения (формула Циолковского), делают эту затею невероятно дорогостоящей.
Редкоземельные металлы являются единственным классом ресурсов, доставка которых с других планет или астероидов может быть потенциально целесообразной. Однако стоимость таких операций все равно останется весьма высокой и может быть сопоставима или даже превысить стоимость их добычи на Земле.
Заострим ваше внимание на одном тезисе:
Добыча ресурсов в целом возможна, и может быть крайне полезна с научной точки зрения.
- Привезти на Землю для исследований несколько тонн пород, залегающих глубоко в астероиде - это важная миссия, которая продвинет геологию и астрофизику, даст нам огромное количество важных данных и позволит смоделировать жизненный цикл солнечной системы в прошлом.
- Построить на лунной поверхности научную базу, и обеспечивать ее функционирование в том числе с помощью местных ресурсов в виде металлов, воды и кислорода - это так же огромный скачок вперед для развития наших технологий.
Главное НО в этом вопросе заключается в том, что космические просторы не подходят для поиска "золотой жилы". Для повышения благополучия необходимо работать на Земле с тем что есть, и едва ли у кого то получится извлечь сверхприбыль на просторах Солнечной системы.
А все идеи о грядущих "войнах за космические ресурсы", "захвате территорий" и борьбе за космические ископаемые в большей степени проявляются как политические манипуляции или домыслы, нежели отражают реальное положение дел. Преодолеть экономические и технологические барьеры на пути к коммерческой добыче космических ресурсов будет весьма непростой задачей.
Итак, несмотря на огромный потенциал и привлекательность космоса как источника богатства, наше понимание и оценка этого потенциала должны быть основаны на реалиях современной науки и технологий, а не на научно-фантастических представлениях или политической манипуляции.
