Космические ресурсы: анализ технологий промышленного освоения астероидов и прогноз на будущее

Ещё недавно добыча полезных ископаемых на астероидах считалась одним из стереотипных предсказаний писателей-фантастов. Считалось, что космические горняки, извлекающие ценные металлы из этих небесных тел – порождение той же фантазии, что и зелёные человечки на Марсе или джунгли с динозаврами на Венере. Однако в настоящее время всё больше экспертов склоняется к мнению, что речь идет о действующих технологиях, которые могут быть реализованы в недалёком будущем и дать человечеству новый источник полезных ископаемых. В США создана компания Planetary Resources, которая планирует создать и внедрить технологии разработки астероидов, а в Японии построен зонд «Хаябуса-2», миссия которого – не только научные исследования астероидного грунта, но и космическая геологоразведка. Эпоха металлов из космоса приближается, и в настоящее время можно смело применять к этим технологиям аналитические и прогностические подходы.

Естественнонаучная сторона вопроса

Прежде чем мы перейдём к описанию разрабатываемых технологий, стоит уделить внимание тому, что собой представляют астероиды, какие полезные ископаемые могут там залегать и с какими условиями могут столкнуться космические аппараты, прежде чем достигнут их.

Астероиды представляют собой небольшие каменистые тела, которые, подобно планетам, вращаются по орбитам вокруг Солнца. Астероид отличается от карликовой планеты размерами: он слишком мал, чтобы иметь значительное гравитационное поле или даже просто стечься в шарообразную форму от собственной тяжести. От подлинных же планет астероиды (как и карликовые планеты) отличаются тем, что могут встречаться группами, среди подобных же тел, на близких орбитах: настоящая планета всегда занимает свою орбиту в одиночестве или со спутниками, вращающимися вокруг неё, и поблизости от неё ничего другого обращаться не может.

Происхождение у астероидов и планет одно и то же: они сформировались из пылевого диска на заре существования Солнечной системы. Следовательно, астероиды состоят из тех же элементов, что и планеты, и на них можно найти многие из тех же веществ, что встречаются и в земной коре, мантии или ядре. Но ключевыми отличиями астероидов являются их малые размеры и недифференцированность: если на Земле и подобных ей планетах существуют огромные, недоступные, спрятанные под толщей коры мантия и ядро, то в астероидах те же металлы, что входят в состав земного ядра и недоступны для добычи, можно найти прямо на поверхности.

Напомним, что земное ядро состоит из металлического сплава, в который входят железо, никель, кобальт и другие так называемые сидерофильные элементы. И если в железе земное горное дело недостатка не испытывает, то никель и кобальт уже являются достаточно ценными и дорогими в выделении металлами. Поскольку в астероидах они доступны в тех же количествах, что и железо, то одни лишь они способны окупить дорогостоящую программу по освоению астероидов. А если учесть, что среди сидерофильных элементов есть и драгоценные металлы платиновой группы, то это делает технологию ещё более многообещающей.

Все ли астероиды содержат металлы? Не все. Астероиды подразделяются на четыре класса. Три из них обозначаются буквами: С, S и M. Класс M – те самые металлические астероиды, с высоким содержанием железа, металлов группы железа и платиновых металлов. Кроме них, в М-астероидах можно также обнаружить золото и другие редкие металлы. Это известно благодаря их фрагментам, падавшим на Землю в виде метеоритов.

Класс S – металлосиликатные астероиды. Они состоят из горных пород, главным образом из силикатов железа и магния. В них можно встретить вкрапления чистых металлов, во всём подобные М-астероидам, но меньшего размера.

Класс С – углеродосодержащие астероиды. Эти весьма распространённые астероиды состоят из смеси углеродистых хондритов и водяного льда. Ценность минеральных материалов, входящих в их состав, невысока, а вот водяной лёд представляет интерес как источник воды и кислорода для поддержки жизни человека в космосе. И наконец, четвёртый класс буквы не имеет: астероиды четвёртого типа представляют собой неактивные кометы и состоят из водяного, аммиачного и других льдов.

Массы астероидов всех перечисленных видов варьируют от тысяч до миллиардов тонн, а крупнейшие астероиды по массе приближаются к карликовым планетам. Доступность всей массы любого астероида для разработки делает их весьма многообещающими источниками полезных ископаемых.

Технологии добычи

Основными и необходимыми технологиями для любой добычи полезных ископаемых на астероидах являются космические аппараты, способные достигать их, и роботизированные устройства, предназначенные для непосредственного проведения работ. Даже если управление добычей берет на себя космонавт-человек, самой работой по дроблению астероидного грунта должны заниматься машины.

Что касается достижения астероидов, то некоторые из них вполне доступны современным космическим аппаратам, и автоматические зонды, подобные японскому «Хаябуса-1», уже достигали их и возвращались с пробами грунтов. Речь идет о так называемых околоземных астероидах, которые находятся на орбитах вокруг Солнца, близких к орбите Земли. Они принадлежат к числу наиболее легкодоступных объектов Солнечной системы, лежащих за пределами лунной орбиты. Поэтому отправка на такие астероиды горнодобывающих аппаратов, автоматических или управляемых людьми, уже не является чем-то фундаментально прорывным, и мешает ей только большая масса гипотетического отправляемого аппарата и соответствующая ей высокая стоимость такой космической миссии.

Вот какие требования предполагаются для проектируемых аппаратов, предназначенных для добычи полезных ископаемых на астероидах:

• По возможности небольшая масса. Все оборудование должно быть изготовлено из лёгких материалов, чтобы свести к минимуму стоимость доставки его на разрабатываемое небесное тело;
• Электропитание, основанное на технологии солнечных батарей. Околоземные астероиды находятся в зоне достаточно высокого солнечного излучения, поэтому солнечные батареи, находясь на них, будут развивать большую мощность;
• Высокая степень автоматизации. Даже при условии, что на разрабатываемом астероиде будет присутствовать постоянный контингент людей, их задачи должны сводиться к дистанционному управлению оборудованием;
• Непосредственная добыча должна производиться технологиями, схожими с земными. Для рыхлых астероидов подходит открытая, карьерная добыча минералов; в более плотных могут прорываться шахты;
• Поскольку астероиды не обладают высокой гравитацией, все работы на них должны быть спланированы с учётом условий почти полной невесомости. Эти условия отличаются от земных как в положительную сторону (облегченная транспортировка больших объёмов породы и минералов), так и в отрицательную (опасность отрыва минералов, оборудования или людей от поверхности).

Достижение рентабельности

Все эти требования могут быть удовлетворены с помощью существующих ныне технологий, но их недостаточно, чтобы сделать промышленное освоение астероидов рентабельным. Стоимость современного космического аппарата, предназначенного для достижения околоземного астероида и возвращения с 50-граммовой пробой грунта, составляет около 1 миллиарда долларов США. Увеличение аппарата в размерах приведет к сокращению разрыва между стоимостью аппарата и стоимостью доставленных на Землю минералов, но преодоление этого разрыва будет достигнуто только при запредельно высокой стоимости миссии.

Тем не менее, существуют технологии, способные существенно снизить стоимость подобной миссии и в перспективе сделать промышленную разработку астероидов рентабельной. В их число входят:

• Внедрение технологий использования ресурсов прямо на месте добычи. Из астероидов можно получать не только минералы; если они содержат водяной лёд, то он с помощью электричества от солнечных батарей может быть преобразован в водород и кислород – ракетное топливо для обратного пути. Это позволит не включать в массовый бюджет миссии большие количества ракетного топлива, предназначенные для доставки аппарата, гружёного рудой, на околоземную орбиту;
• Также, если аппарат планируется как пилотируемый, из того же льда можно получать воду и кислород, предназначенные для употребления членами экипажа;
• Использование самовоспроизводящихся роботов, способных производить подобные себе механизмы из материалов, доступных на астероиде, позволит ещё более существенно сократить массовый бюджет миссии;
• Даже в том случае, если доставка добытых на астероидах минералов, металлов и воды на Землю обойдется в более высокую стоимость, чем получение тех же веществ из земных источников, эти материалы могут быть использованы на околоземной орбите. Поскольку доставка массивных грузов с Земли на околоземную орбиту крайне дорогостояща, получить для разработки астероидов показатели себестоимости, более выгодные, чем эти, легче, чем уравнять себестоимость разработки астероидов с себестоимостью разработки земных месторождений.

Последний пункт обладает особой важностью для развивающейся космической индустрии. В настоящее время, когда любые сооружения на орбите должны строиться только из материалов, добываемых на Земле, и снабжаться ими же, это очень серьёзно ограничивает возможные размеры космических станций и их количество, доступное для содержания даже самыми развитыми странами. Появление альтернативного, более выгодного источника строительных материалов, топлива, кислорода и воды, в роли которого выступят астероиды, сделает содержание космических станций намного менее затратным. Поэтому многие эксперты в космической отрасли полагают, что освоение технологий разработки астероидов является необходимым шагом для дальнейшего развития космической индустрии вообще.

Также существенно удешевить разработку астероидов способно создание новых, более экономичных ракетных двигателей и способов вывода грузов на орбиту. Развитие таких технологий вообще крайне благотворно и стимулирующее скажется на космической отрасли: поскольку в этой отрасли каждый грамм, выведенный на орбиту, стоит больших денег, любое удешевление выступит как мощный стимул к развитию. Среди технологий, от которых ожидают такого эффекта, такие, как, например, одноступенчатые орбитальные космические аппараты (англ. Single Stage to Orbit), «космический лифт», ротоваторы, «космические катапульты» и другие перспективные разработки.