Реферат полезные ископаемые космоса
Обновлено: 30.06.2024
Борис Михайлович Шустов, доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, научный руководитель Института астрономии РАН, Москва, Россия
О проблеме ресурсов на Земле
Человечество на протяжении своего существования использует различные ресурсы, важнейшими из которых являются энергия, сырье и продовольствие. Сырье в виде полезных ископаемых предоставлено нам природой. По мере развития человечеству требуется все больше ресурсов, за обладание ими происходит большинство конфликтов, в том числе военных. Современные ресурсы – это прежде всего энергоносители: нефть и газ, кроме того, повышенным спросом пользуются редкоземельные металлы.
Объемы рынка редкоземельных элементов за последние 50 лет увеличились с 5 до 125 тыс. тонн в год. Это объясняется их применением в быстроразвивающихся областях промышленности, связанных с производством гибридных автомобилей, оборонной техники, компьютерной и телевизионной техники, лазеров, сверхпроводников и прочей наукоемкой продукции. Сплавы с редкоземельными металлами широко используются в военно-промышленной и авиационно-космической отраслях и поэтому считаются стратегическим сырьем. Любое технически сложное изделие или электронный прибор содержит в себе миллиграммы редкоземельных металлов, а также лития, платины, золота и др. Но поскольку электронные приборы производятся в массовом масштабе, то запасы этих металлов быстро истощаются.
Рисунок 1 взят с сайта Европейского химического общества и подготовлен к отмечаемому в 2019 году 150-летнему юбилею таблицы химических элементов Менделеева. На нем в оригинальной форме представлены данные о содержании 90 естественных химических элементов, из которых состоит все вокруг (другие элементы получаются в лабораториях в микроскопических количествах). Прямоугольниками отмечены элементы, используемые при производстве смартфонов. Цветом показано ресурсное состояние: зеленый означает, что запасов хватит надолго, желтый - запасы пока есть, светло-коричневый - риск истощения повышен из-за нарастающих темпов использования, коричневый - серьезная угроза истощения в ближайшее столетие. Черным цветом отмечены элементы, добыча которых сопряжена с большим риском, поскольку их запасы находятся в зонах военных конфликтов.
Рис. 1. Запасы основных химических элементов по версии Европейского химического общества
Более конкретные оценки приведены в таблице, составленной М. Д. Сизовой (Институт астрономии РАН) по данным Геологической службы США и показанной на рис. 2.
Рис. 2. Оценки сроков истощения запасов некоторых полезных ископаемых (худший сценарий)
Виды космических ресурсов
2) экономические ресурсы (факторы производства),
3) административные ресурсы,
4) информационные ресурсы,
5) временны́е ресурсы,
Космические ресурсы, конечно, являются природными. Для удобства введем еще два понятия: ресурсный фактор и ресурсный источник. К ресурсным факторам относятся:
- энергия (электромагнитная, гравитационная и т. д.),
- вещество (сырье, строительный материал, защита и т. д.),
В Солнечной системе к ресурсным источникам относятся:
- околоземное космическое пространство (ОКП),
- астероиды, кометы, межпланетная пыль.
Напрашивается вопрос: а могут ли быть ресурсы за пределами Солнечной системы? Астрофизики из Института космических исследований РАН и их зарубежные коллеги дают интересный ответ: уже сейчас можно использовать сигналы от рентгеновских пульсаров для создания надежной и точной системы автономного навигационного обеспечения космических аппаратов (КА) в дальнем космосе .
Астрофизики из Института космических исследований РАН и их зарубежные коллеги уверены: уже сейчас можно использовать сигналы от рентгеновских пульсаров для создания надежной и точной системы автономного навигационного обеспечения КА в дальнем космосе.
Кратко остановимся на некоторых ресурсных факторах и ресурсных источниках.
О ресурсах ОКП
Ресурсы околоземного космического пространства разнообразны. К ним можно, прежде всего, отнести:
· геосинхронные орбиты и особенно геостационарную орбиту (ресурсный фактор - пространство),
· низкие околоземные орбиты (ресурсный фактор -пространство),
· материалы и конструкции (ресурсный фактор -вещество),
· гравитационные маневры у Земли и Луны (ресурсный фактор - гравитационная энергия).
В последние годы особое внимание уделяется также изучению возможностей использования материалов и конструкций, из которых состоят уже неиспользуемые КА и их фрагменты (т.е. космический мусор). Предлагается, например, использовать долгоживущие антенные узлы для переустановки их в космосе на вновь запускаемых аппаратах. Весьма интересны исследования по использованию космического мусора в качестве рабочего тела в электродвигательных установках КА, которые сами и занимаются сбором космического мусора .
Гравитационные маневры стали в последние десятилетия обычным приемом, позволяющим весьма существенно снижать затраты по выведению КА в определенные области космического пространства. Суть маневра состоит в том, что за счет удачно подобранного сближения с Землей или Луной, осуществляемого малыми затратами характеристической скорости (DV ~ несколько десятков км/с) КА, можно получить изменение скорости на несколько км/с.
Еще раз о лунных ресурсах
Тема лунных ресурсов широко обсуждается, в том числе и в журнале ВКС (см., например, ). Не будет преувеличением сказать, что лунная гонка, т.е. включение все большего числа стран в исследования Луны космическими средствами, в значительной степени мотивируется не столько научными аспектами, сколько фактором лунных ресурсов.
По мнению одного из ведущих исследователей Луны и энтузиаста ее освоения - И. Г. Митрофанова (ИКИ РАН) - временная шкала освоения Луны Россией оптимистична:
- Закрепление за Россией района для научных исследований и разработки технологий, для развертывания посещаемого лунного полигона с перспективой строительства на нем российской лунной базы (срок 5 – 10 лет). Здесь ресурсный фактор - пространство.
- Обеспечение лунной космонавтики лунными ресурсами энергетики, связи, радиационной защиты и жизнеобеспечения космонавтов (срок 10 – 20 лет). Ресурсный фактор - энергия и др.
- Обеспечение наземной промышленности особо редкими ресурсами лунного происхождения, создание лунной промышленности с привлечением частного бизнеса (срок 20 – 50 лет). Ресурсный фактор - вещество.
Мы не будем обсуждать многочисленные и разнообразные варианты использования лунных сырьевых ресурсов, но остановимся на двух перспективных научных проектах, использующих ресурсный фактор пространства. Здесь Луна не объект изучения, а именно ресурс или плацдарм для проведения уникальных научных экспериментов.
Гигантский модульный радиотелескоп, размещенный на Луне, позволит получить информацию о Вселенной в диапазоне частот ниже 10 - 15 МГц, который закрыт для наземного наблюдателя ионосферой Земли. Это означает, что откроется для исследований последнее недоступное окно электромагнитного спектра.
Длинноволновый лунный радиотелескоп. Размещение гигантского модульного радиотелескопа на Луне позволит получить информацию о Вселенной в диапазоне частот ниже 10 - 15 МГц, который закрыт для наземного наблюдателя ионосферой Земли. В результате будет открыто для исследований последнее неисследованное окно электромагнитного спектра. Список научных задач для этого телескопа весьма внушителен:
- мониторинг геомагнитной активности магнитосферы Земли, дистанционное изучение атмосферного электричества Венеры и Марса;
- изучение транзиентных источников радиоизлучения;
- получение данных о процессах во Вселенной в эпоху реионизации водорода;
- поиск экзопланет, пригодных для развития жизни, по изучению проявлений их магнитного поля.
Рис. 3. Вариант размещения модулей радиотелескопа в лунном кратере по спирали. На врезке показан отдельный модуль (приемник излучения)
Модули радиотелескопа могут быть расположены по спирали размером до ~100 км (см. рис. 3). Масса одного модуля оценивается примерно в 5 кг, потребляемая мощность 2 Вт, количество элементов от 300 до 1000. Разворачивать такой телескоп можно постепенно, добавляя все больше металлических дипольных штанг в его систему и, таким образом, увеличивая собирающую поверхность.
- изучение межзвездной среды при помощи моделей распространения ядер космического излучения (КИ),
- изучение анизотропии КЛ,
- поиск частиц странной материи – странглетов.
А вот популярная идея размещения крупных оптических телескопов на Луне пока что оценивается неоднозначно. Если предыдущие проекты действительно уникальны и кроме как на Луне осуществить их невозможно, то размещение там оптических телескопов может оказаться экономически невыгодным по сравнению с размещением таких же инструментов в ОКП.
Ресурсы малых тел Солнечной системы
И все же главное ресурсное использование астероидов - добыча полезных ископаемых. У астероидов есть определенные преимущества перед Луной. Главное их них в том, что существуют астероиды – готовые концентраты ценнейших полезных ископаемых.
Астероиды и кометы – это остатки строительного материала, из которого состоит наша Солнечная система. Рано или поздно небольшие астероиды сталкиваются с планетами, например с Землей, выпадают на планету в виде метеоритов, и тогда появляется возможность исследовать химический состав метеоритов и сравнить их с образцами земными пород. Оказывается, что определенных элементов, например металлов, в метеоритах (соответственно, и в астероидах) в процентном соотношении больше, чем в земной коре (см. табл. 1, взятую из ).
Химический состав земной и лунной коры, метеоритов (в весовых %).
Современные средства космической техники позволяют достичь астероидов, которые можно назвать готовыми концентратами ценнейших полезных ископаемых.
Как мы узнаем, из чего состоит астероид? В настоящее время основным способом исследования астероидов считаются астрономические методы - фотометрия и спектроскопия в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Фотометрия позволяет провести исследование света, отраженного от поверхности, в различных фильтрах и, таким образом, определить альбедо и показатели цвета астероида. Спектральные наблюдения позволяют разложить свет, отраженный от астероида, на составляющие и построить спектральную кривую отраженного излучения и, таким образом, определить состав внешних слоев астероида. Во многих научных центрах мира, в том числе и в Институте астрономии РАН, на протяжении многих лет идет работа по определению спектральных классов астероидов.
Но не только металлы интересны как объект добычи. Вода может оказаться наиболее важными космическим ресурсом, необходимым для дальнейшего продвижения человечества в просторы космоса. Вода в космосе – критически важный ресурс, ее можно использовать для нужд будущих внеземных поселений. Человеку для жизнедеятельности необходимо много воды. Доставка больших ее объемов с Земли - дорогостоящее дело. Снабжение водой непосредственно из космоса может оказаться выгоднее, если затраты на транспортировку одного литра воды с одного из астероидов на космическую станцию будут намного меньше, чем затраты на доставку литра воды с поверхности Земли. Кислород и водород из воды можно использовать как компоненты топлива для двигателей космических аппаратов будущего. Хранилища такого топлива можно создавать прямо на орбите астероида.
Ядра комет также представляют интерес как источники воды и газов, находящихся в твердом состоянии (льды). Но основная проблема в использовании комет состоит в том, что скорости движения комет относительно Земли по сравнению с астероидами велики и в окрестности Земли могут достигать 72 км/с, поэтому подавляющее большинство комет труднодостижимо.
Космическая гонка за ресурсами началась
Заключение
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
БАЛАШОВСКОГО МУНИЦИПАЛЬНОГО РАЙОНА
научно практическая конференция
Возрастная группа : 7-9 классы
Автор работы : Корниенко Сергей, школа им. В.П.Сергеева с. Родничок,9 класс
Руководитель работы : Корниенко Алексей Васильевич, учитель физики.
С ростом потребления полезных ископаемых и истощением их запасов на Земле человечеству, видимо, неизбежно придётся начать добывать ресурсы в космосе. Мы попросили Стива Картера из французской компании Dassault Systèmes GEOVIA, которая занимается разработкой решений в том числе и в этой почти фантастической отрасли, рассказать, с какими вопросами придётся столкнуться землянам, чтобы обеспечить себя ресурсами с других планет, их спутников и даже Солнца.
В конце января 2013 года стало известно, что в США образована компания Deep Space Industries, которая займется добычей полезных ископаемых на астероидах. Хотя, пожалуй, правильнее будет сказать, что компания будет заниматься добычей самих астероидов — их планируется опускать на Землю целиком и обрабатывать уже здесь.
В настоящий момент, ракеты, которые отправляются в открытый космос, используют жидкое топливо и сжиженный кислород. Они занимают значительное пространство и массу в запускаемом аппарате. Из-за этой проблемы доставка ресурсов с астероида могут стоить в разы дороже, чем добытые на Земле.
Прежде чем говорить о перспективах космических разработок, следует разобраться, что же все-таки можно добывать в космосе. Наиболее лакомым куском представляются астероиды класса М — третьего по распространенности в Солнечной системе. Дело в том, что многие (хотя и далеко не все) астероиды этого класса состоят из сплава никеля и железа. Довольно часто это просто огромные куски сплава, почти без примесей. Ученые полагают, что они образовались в результате разрушения железных ядер крупных астероидов и протопланет, сформировавшихся на заре развития Солнечной системы. Крупнейший из астероидов такого типа — 16 Психея. Его диаметр составляет около 100 километров, и он почти полностью состоит из металла (по оценкам ученых, масса астероида составляет один процент от массы всего главного пояса астероидов, где он и располагается). Главное достоинство астероидов класса М — высокое, по сравнению с земным, содержание никеля в сплаве.
Другой класс астероидов, который может заинтересовать будущих космических шахтеров — это тип S. Они составляют примерно 17 процентов от всей популяции астероидов в поясе астероидов и состоят преимущественно из силикатов магния и железа. По мнению ученых, такие астероиды могут содержать залежи — уже, правда, в виде жил — железа, никеля, магния и прочих металлов. Помимо этого, специалисты утверждают, что на астероидах вполне могут быть месторождения платины, магния, золота и множества других металлов, а также воды.
Надо понимать, что речь идет о колоссальных по современным меркам числах. По оценкам специалистов NASA, если разделить полезные ископаемые в поясе астероидов среди всех жителей земли поровну, то каждому достанется, в пересчете на современные цены, состояние в 100 миллиардов долларов. Типичный астероид класса M диаметром порядка километра содержит (по подсчетам планетолога Джона Левиса) 30 миллионов тонн никеля, 1,5 миллиона тонн кобальта и 7,5 тысячи тонн платины. Стоимость только последней составляет около 150 миллиардов долларов. Считается, что в Солнечной системе таких астероидов может быть до миллиона штук — в качестве примера можно привести 3554 Амон, стоимость которого была оценена в 20 триллионов долларов. Как же добыть это невероятное богатство?
В рамках этого метода для перетягивания астероида в удобное для разработки место подходят способы, схожие с теми, которые предполагается использовать для защиты Земли от астероидной опасности. Например, это можно сделать при помощи космического буксира, который может как цепляться напрямую к самому небесному телу, так и работать на орбите, возмущая траекторию астероида своим притяжением (это так называемые гравитационные буксиры). Еще один метод, снискавший широкую известность на ниве потенциальной борьбы с Апофисом, — изменение альбедо, то есть отражающей способности. Сделать это можно при помощи обычной краски или светоотражающей пленки (если покрыть ею астероид или его часть). Остальное, при правильно выполненных расчетах, конечно, доделает эффект Ярковского-О’Кифа-Радзиевского-Пэддэка, который заключается в изменении скорости вращения тела из-за неравномерного нагрева его поверхности Солнцем. Говорят, что именно такого рода методы рассматривали в свое время советские специалисты.
Другой подход — это создание фабрики по добыче полезных ископаемых непосредственно на астероиде. Учитывая, что некоторые астероиды в одноименном поясе содержат воду, причем в довольно большом количестве (до 20 процентов от массы глин в астероидах класса C, по мнению все того же Джона Левиса), то потенциально можно рассматривать вариант строительства добывающих — и, возможно, перерабатывающих — фабрик прямо в космосе. Впрочем, подобную схему пока сложно представить без участия человека. Чтобы добыча ресурсов на астероидах была прибыльной, они должны содержать максимальное количество ценных металлов и минералов (в идеале полностью состоять из них). Отследить такие астероиды весьма проблематично, так как они находятся на значительных расстояниях от Земли и обнаружить с помощью обыкновенного металлоискателя у вас не выйдет. На данный момент существует методика определения состава астероидов по спектральной характеристике, которая имеет небольшую точность.
Однако все эти скептические заявления процесс не остановили, и в конце января 2013 года стало известно, что еще одна компания собирается добывать полезные ископаемые из астероидов. Новая фирма получила имя Deep Space Industries. Представители ее также заявили, что их компания будет ориентироваться для начала на околоземные объекты. Первые аппараты, получившие название FireFly, массой 25 килограммов будут запускаться в космос уже в 2015 году. Их целью станет геологическая разведка. Следующим этапом будут автономные системы DragonFly, которые начнут летать с 2016 года. Они будут доставлять на Землю астероиды массой до 45 килограммов. Обкатка систем будет длиться до 2020 года. После этого начнется полноценная коммерческая эксплуатация аппаратов.
Основателем и руководителем компании Deep Space Industries стал Рик Тамлинсон, принимавший участие в организации полета первого космического туриста и создании фонда X-Prize для поддержки рискованных проектов, а также создавший первую в мире компанию по серийному производству космических скафандров.
Как уже говорилось выше, многие специалисты высказывают скепсис по поводу планов обеих компаний, и здесь уместно будет рассказать вот какую историю.
Организовать горнодобывающую колонию с постоянным проживанием людей практически неосуществимая задача из-за высокого радиационного фона и жестких ионизирующих излучений в открытом космосе. Да и доставка продовольствия для космонавтов отразится на стоимости конечной продукции. Поэтому для разработки полезных ископаемых нужно разработать полностью автономное и надежное оборудование, которым можно будет управлять и обслуживать с Земли.
Так что новые начинания вполне могут закончиться ничем — только практика покажет, насколько рентабельной будет добыча полезных ископаемых на астероидах. Однако окупится это предприятие обязательно.
Чем добыча ископаемых в космосе отличается от земной?
УСЛОВИЯ РАБОТЫ. Космос — мягко говоря, опасное место. В некоторых районах космоса уровень опасности необычайно высок, например на Солнце. Его температура и нечеловеческие условия на нём означают, что добыча ресурсов на его поверхности не будет возможна никогда. Однако ресурс в форме энергии доступен в изобилии на огромных расстояниях от Солнца. На Земле мы можем добывать её с помощью солнечных панелей, а в космосе потенциал производства энергии из солнечного излучения во много раз выше, чем на нашей планете. Так что в непрямом и нетрадиционном смысле добывать полезные ископаемые на Солнце возможно.
ГРАВИТАЦИЯ И РАССТОЯНИЯ. Эти факторы серьёзно влияют на стоимость разведки месторождений и добычи полезного ископаемого. По существу, в космосе эта стоимость повышается в прямой зависимости от расстояния и от силы гравитации. Например, если предположить, что одно и то же ископаемое существует на Юпитере и на Луне, его добыча на поверхности Юпитера будет дороже, чем на спутнике Земли. Потому что гравитация на Юпитере гораздо сильнее, расстояние до Земли — больше, а руду, скорее всего, надо будет отправлять на Землю или её орбиту.
ВРЕМЯ. С ходом истории новые технологии и методологии исследований, экономика и доступность тех или иных ресурсов сделают одни ископаемые более необходимыми, а другие — менее.
В итоге получается, что почти любой объект Солнечной системы обладает потенциалом по добыче полезных ископаемых — от относительно малых астероидов до Солнца. Определять возможности добычи на каждом историческом этапе будут развитие технологий и состояние экономики на Земле — так же как и изменение представлений, что такое разработка ресурсов вообще.
Какие природные ресурсы мы не сможем добывать в космосе?
Сложно составить список того, что мы не сможем добывать в космосе. Есть два фактора, которые нужно учесть:
Существует ли ресурс в космосе или на какой-то другой планете?
Ответ на этот вопрос связан с уникальностью процессов на Земле, благодаря которым появляются природные ресурсы. Это, например, ископаемые, которые получились из-за органической и тектонической активностей на планете. Растения, которые погибают и со временем разлагаются под действием жары и давления, образуют уголь, а органическая материя из-за тех же времени, жары и давления создаёт нефть и природный газ. Такие ископаемые в космосе вряд ли можно найти, разве что на планетах с похожими на Землю условиями, но, скорее всего, не в Солнечной системе.
Существует ли вероятность того, что добывать ресурс в космосе невыгодно или что не появятся нужные технологии?
Этот вопрос существенен, но ответить на него невозможно из-за постоянных изменений в экономике и технологии. То, что невозможно или невыгодно сейчас, может стать возможным завтра, а экономическая обстановка может измениться. Если мы что-то и можем заключить из прошлого опыта, то только то, что предсказания о будущем редко сбываются на 100%.
Что нужно, чтобы добывать ресурс
Когда нужно решить, стоит ли начать добычу природного ресурса — будь он в космосе, на крупном астероиде, спутнике Земли или другой планеты, на Земле или другой планете, — при всём различии процессов нужно рассмотреть одни и те же вопросы:
Так же как разведка ресурсов в космосе и на экзопланетах будет помогать развитию связанных с этим процессом технологий, так и необходимость получить эти ресурсы катализирует развитие технологий добычи. Сейчас считается, что в этом поможет робототехника. В последние годы всё больше стали использовать роботов в разных отраслях промышленности. И в том числе в добыче полезных ископаемых: компания Rio Tinto недавно объявила о создании беспилотных грузовых машин. Ну и все знают о прогрессе в разработках беспилотных автомобилей.
Эти разработки — важный индикатор потенциала робототехники в добыче ископаемых. За окружающую среду бояться не стоит: космос стерилен, а значит, традиционные опасения об отрицательном влиянии на флору и фауну там смысла не имеют.
Без добычи полезных ископаемых современное общество не смогло бы появиться. Почти всё, что мы ежедневно используем, так или иначе зависит от этой практики: транспорт, дороги, здания, телефоны, продукты сельского хозяйства, ткани, компьютеры и так далее — список бесконечен. Даже с прогрессом в использовании вторичного сырья, особенно в восстановлении металла почти на 100%, без новых ископаемых всё равно будет никуда — иначе не обеспечить экономический рост и развитие общества.
Движение человечества к созданию постоянных поселений в космосе, на других планетах и спутниках, будет сопровождать необходимость в энергии, металлах, пластиках, стекле и других ресурсах — вне зависимости от места жительства людей. Эта нужда приведёт к экономической необходимости поиска месторождений ресурсов, их добычи и обработки, чтобы создавать нужные материалы. Так что нужно будет понять, что дешевле — добывать их недалеко от поселения или доставлять с поверхности Земли.
Конечно, главная надежда от добычи полезных ископаемых вне Земли — на то, что мы найдём огромные залежи ресурсов. За сотни лет, которые мы добываем ресурсы на Земле, мы уже исчерпали всё, что можно добыть без усилий. То, что осталось, залегает глубоко, это сложно достать, и его качество ниже. Нет сомнения в том, что добыча ископаемых на Земле продолжится неопределённое количество времени — и это приведёт к дальнейшему снижению качества ресурсов и повышению их стоимости. Так что в какой-то момент необходимость добывать полезные ископаемые в космосе станет неизбежной. И вместе с развитием технологий препятствия для деятельности человека в космосе будут разрушены.
Одно дело — знать, что определённые ресурсы могут существовать в космосе, и совсем другое — знать, где они находятся. Как поиск и разведка полезных ископаемых на Земле связаны с неопределённостью, так же с ними связаны и процессы в космосе, но даже с ещё большими рисками, поскольку космос не только гораздо больше нашей планеты, но и условия в нём опаснее. Расширение наших знаний и возможностей технологий, особенно робототехники, поможет эффективнее разведывать месторождения в космосе, которые с экономической точки зрения имеет смысл разрабатывать.
Возможность существования ресурсов
В космосе — на других планетах и спутниках — разные процессы означают образование разных ископаемых и других природных ресурсов. Человечество пока только начало понимать, как эти процессы устроены. Миссии вроде Rosetta — важный шаг в исследовании этой темы. Благодаря похожим миссиям мы будем лучше понимать, где какие ресурсы можно искать.
1
Что можно добыть?
Освоение космических недр — это добыча полезных ископаемых на астероидах, планетах, кометах и других небесных телах Солнечной системы. Согласно исследованию астрофизиков из Гарварда, сегодня для добычи ископаемых пригодны 10 астероидов, сближающихся с Землей.
Космические объекты содержат железо, никель, магний, кобальт, титан, драгоценные и редкоземельные металлы (рений, иридий, платина и др.), минералы, из которых можно получать воду, кислород, водород.
2
Это выгодно?
Потенциальные масштабы горного дела в космосе исчисляются триллионами долларов. Например, стоимость:
ресурсов в поясе астероидов — $700 квинтиллионов или $100 млрд на каждого жителя Земли;
среднего платинового (богатого платиной) астероида — около $3 трлн;
небесного тела с замороженной водой – около $5 триллионов;
железной руды на астероиде (16) Психея, космический аппарат для изучения которого отправится в 2022 году, — $10 трлн;
полезных ископаемых астероида UW-158, содержащего около 100 млн тонн платины, – до $5,4 трлн.
3
Как работать в невесомости?
Предлагаются несколько технологий:
разработка месторождений открытым способом (к примеру, материал соскребается с поверхности с помощью ковша или шнека);
добыча в шахтах (при невозможности открытого способа необходимо строительство шахт и транспортных систем для доставки руды на поверхность и в центр обработки);
сбор металлов с поверхности с помощью магнитов (космические объекты с высоким содержанием металлов покрыты рыхлыми породами, которые могут быть собраны с помощью специальных магнитов);
добыча с помощью теплового воздействия (воды и различных летучих соединений газов, таких как водород, на ядрах выродившихся комет);
биодобыча (использование микроорганизмов для извлечения металлов из горных пород или рудников).
4
И что с этим делать?
Природный материал можно доставлять для переработки на Землю, либо перерабатывать на месте. Если удастся реализовать идею по выводу объектов на околоземную орбиту с оптимальными условиями гравитации, реальностью станет организация постоянной добычи.
Для освоения внеземных недр потребуются роботизированные станции и космическая инфраструктура. Уже появляются проекты орбитальных фабрик, т.е. производства продуктов в космосе. Первым устройством для такой работы стал 3D-принтер, созданный компанией Made In Space (США).
5
Кто имеет право на добычу в космосе?
Основа космического международного права — Договор о космосе (подписан в 1967 году СССР, США и Великобританией, сегодня участников уже более 100). Согласно документу, небесные тела не могут быть частной или национальной собственностью. Условия добычи на них не оговариваются.
В Европе юридическим центром зарождающейся индустрии стал Люксембург. В 2017-м здесь вступил в силу закон, легализующий собственность компаний на извлеченные ими космические ресурсы. Чтобы действовать в правовом поле, шахтеры небесных тел должны иметь офис в этой стране и получить письменное разрешение правительства.
6
Кто-то уже освоил горное дело на околоземных объектах?
Пока нет. Первые компании, разрабатывающие подобные технологии, появились совсем недавно:
2009 год — ARKYD Astronautics (в 2012-м переименована в Planetary Resources);
2010 год — Moon Express;
2013 год — Deep Space Industries (DSI).
Большинство космических миссий, нацеленных на разработку полезных ископаемых в космосе сегодня, — американские, европейские, японские, китайские, индийские.
7
Когда появятся внеземные шахты
Драйверами индустрии называют снижение стоимости коммерческих космических запусков за счет использования многоразовых ракет, развитие фотоники и робототехники.
Количество международных патентных заявок растет (в 2008–2017 годах – с 124 до 339), новые технологии делают возможной добычу полезных ископаемых в космосе уже в ближайшие десятилетия.
Сразу несколько важных событий планируется на 2020 год:
запуск космических аппаратов Arkyd-301 (Planetary Resources, США) для подробной оценки рудоносности целевых астероидов и сбора информации о будущей разработке шахт;
создание роботизированной станции на Южном полюсе Луны для гелия-3 (Moon Express, США);
возвращение на Землю аппарата Hayabusa2 (JAXA, Япония) с образцами грунта астероида (162173) Рюгу.
В 2023 году ожидается доставка для исследования образца грунта с астероида (101955) Бенну (миссия NASA OSIRIS-REx, стартовавшая в 2016-м).
В 2026-м — плановое прибытие на астероид (16) Психея аппарата миссии Psyche (NASA, США).
2030-е — прогнозируется начало коммерческой добычи полезных ископаемых на Луне и астероидах.
2040-е — появление космических орбитальных фабрик.
Разговоры о добыче полезных ископаемых на небесных телах кажутся либо абсолютной фантастикой, либо делом далекого будущего. Однако уже сегодня есть люди, которые готовы перевести эти разговоры в практическую плоскость и мало-помалу превращать фантастику в бизнес-стратегию.
Шаг 1. Анализируем перспективы
Прежде чем начать добычу полезных ископаемых в космосе, компании Planetary Resources нужно подобрать астероид, который пообещал бы при разработке хорошую экономическую отдачу. Однако астероиды – это не звезды, а небольшие темные небесные тела, которые очень трудно разглядеть через толщу земной атмосферы. Лучше всего было бы охотиться на них с помощью телескопа, подвешенного в космическом пространстве. Вот почему в штаб-квартире компании Planetary Resources, расположенной в Бельвю, штат Вашингтон, президент компании, а по совместительству и ее главный инженер Крис Левицки уже приступил к сборке телескопа серии Arkyd 100. Это будет первый космический телескоп во владении частной компании.
Воду. Хондритовый астероид (С-типа) диаметром всего 7 м может содержать в себе 100 тонн воды. Она может потребоваться для синтеза ракетного топлива или для жизнеобеспечения астронавтов.
Металлы. Металлический астероид размером 24 м может содержать 33000 тонн пригодного к использованию металла. Одной только платины в нем содержится количество, эквивалентное 50 миллионам долларов. Вот только смогут ли космические згорнодобытчики воспользоваться этими богатствами?
Космический аппарат весом всего 20 кг будет поменьше и попроще, чем любой из космических телескопов, построенных на государственные средства. Hubble, например, обошедшийся казне в полтора миллиарда долларов, имеет первичное зеркало диаметром 235 см, а зеркало телескопа Arkyd составит в диаметре всего-то 22,5 см. Hubble обладает широким полем зрения и набором инструментов, позволяющих сканировать глубины космического пространства. Arkyd нацелен на гораздо более простую задачу – поиск объектов пределах Солнечной системы. Малые размеры – большая экономия. Стоимость вывода таких аппаратов на орбиту можно радикально снизить, запуская их в качестве дополнительного груза вместе с крупными спутниками на чужих ракетах-носителях.
На этом этапе компания уже совершит первую попытку окупить свои капиталовложения, сдавая в аренду аппараты Arkyd 100. Телескопы космического базирования могут заинтересовать и астрономов, и тех ученых, которым было бы интересно исследовать земную поверхность с разрешением около 2 м на пиксель. Первый свой аппарат Planetary Resources планирует запустить уже к концу 2013 года, а какова будет стоимость аренды, руководство компании пока не решило.
При разработке космических полезных ископаемых вода будет цениться намного дороже золота. Ее ценность становится наглядной, если вспомнить, из каких элементов она состоит. Водород — то самое, что нужно для перезарядки топливных элементов, при повторном соединении водорода с кислородом мы получим весьма энергоемкое топливо. Воду намного дешевле будет находить в космосе, чем доставлять с Земли. Ведь запуск в космос каждого килограмма обойдется в десятки тысяч долларов. Компания Planetary Resources может извлекать прибыль, продавая добытую в космосе воду каким-либо государственным космическим агентствам или частным космоперевозчикам. Цена такой воды может быть ниже, чем стоимость ее доставки с Земли, и при этом такая торговля может оказаться весьма прибыльной.
Сотрудник NASA стоит перед шестью сегментами главного зеркала из космического телескопа Джеймса Уэбба. Пионеры внеземной геологоразведки станут первыми частными владельцами космических телескопов. Возможно, они даже будут сдавать их в аренду.
Космические телескопы засекли какой-то перспективный в плане разработки космический объект. Теперь у нас есть только один способ выяснить, чего стоят содержащиеся в нем ресурсы – подобраться к нему поближе.
После этого робот может провести химический анализ породы, определить, есть ли там вода и какие-либо металлы. Результаты анализа будут переданы на Землю. Идеальным для такого экспресс-анализа можно было бы считать спектроскоп на базе лазерно-индуцированного пробоя среды (LIBS). При этой методике под воздействием лазерного луча поверхность образца испаряется, после чего соответствующие датчики могут анализировать свет, излученный плазмой, возникшей в результате испарения, и фиксировать наличие в образце тех или иных элементов. Первые аппараты, построенные на принципе LIBS, ChemCam, будут задействованы при исследовании чужих миров, когда ровер Curiosity достигнет Марса на борту отправленного NASA космического аппарата.
Вопрос о претензиях частной компании на какой-либо астероид пока слабо отражен в международном законодательстве. В 1967 году был заключен Договор по космосу, а сейчас его ратифицировало более сотни государств. Уже в будущем десятилетии перед юристами встанет задача как-то зафиксировать в этом договоре права предпринимателей из частного сектора. Но, скорее всего, подтвердится известное изречение о том, что владение — 9/10 права, и простой радиопередатчик, укрепленный на астероиде, вполне сможет гарантировать права собственности той компании, что установила маячок.
Робот-прототип, разработанный в Лаборатории реактивного движения NASA, вместо опор имеет 750 стальных крючков. Они цепляются к шершавым поверхностям, не позволяя роботу в условиях слабого притяжения отцепиться от поверхности астероида и улететь в космическое пространство.
Инфраструктура добычи полезных ископаемых в космосе. С 2009 по 2011 год агентство NASA с помощью своего космического телескопа WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) создавало сводный каталог астероидов, имеющихся в Солнечной системе. В поясе между Марсом и Юпитером было обнаружено 100 000 ранее неизвестных астероидов. 19500 астероидов среднего размера обнаружилось неподалеку от Земли. Зафиксировано 4700 крупных астероидов, попадающих в пределы относительной космической близости к Земле (критерием считался радиус 8 миллионов километров, и такие астероиды объявлялись потенциально опасными). В NASA считают, что в данный каталог попало только 30% из числа таких потенциально опасных астероидов.
Магнитные грабли. В некоторых случаях для добычи драгоценных металлов не потребуется рыть никаких шахт. Достаточно будет граблей или гребешка с магнитами на каждом зубце. Стоит пройтись такой бороной по поверхности реголита, и в условиях малой гравитации зерна драгметаллов сами прилипнут к зубьям.
Сито, действующее при слабых гравитационных силах. Вот вам повод для реверансов перед золотоискателями старой закалки. В 2009 году ученые попробовали использовать вибростол для просеивания грунта через решето, чтобы отделить частицы того размера, который является оптимальным для дальнейшей переработки. Эта система продемонстрировала работоспособность при нулевой гравитации, которую создавали полетом самолета по параболической траектории.
Якоря для швартовки к астероиду. В условиях практически нулевой гравитации приземлиться на астероид – непростая задача. Ничуть не проще в такой обстановке вести добычу ископаемых. В лаборатории реактивного движения при NASA разрабатываются сейчас механизмы для забивки в грунт астероида клиньев, ориентированных под разными углами – так они должны держаться существенно надежнее. С другой стороны, компания Honeybee Robotics занимается сейчас разработкой ввинчивающихся буров, которые должны еще надежнее крепить космические аппараты к поверхности астероида.
Читайте также: