Какие есть полезные ископаемые в космосе
За последние 100 лет численность населения возросла с 1,5 млрд до более чем 7 млрд человек — это обострило борьбу за и без того ограниченные ресурсы Земли. Технологические компании предлагают выход из этой ситуации — добывать полезные ископаемые в космосе. Однако ученые считают, что ископаемых в Солнечной системе может хватить максимум на 500 лет — затем они истощатся и получать новые ресурсы будет попросту неоткуда: расстояние до ближайшей к системе звезды составляет 4,2 световых года. «Хайтек» рассказывает, почему ученые предлагают решить проблему радикально — превратить 85% Солнечной системы в заповедник, реально ли добыть полезные ископаемые и доставить их на Землю.
По данным Геологической службы США (USGS), темпы использования железа в промышленности удваиваются каждые 20 лет. Если в 1800 году промышленности по всему миру требовалось 450 тыс. т этого металла, то в 1994 году — уже 900 млн т. К 2016 году этот показатель вырос до 2,2 млрд т — и продолжает расти до сих пор.
Если люди начнут добывать ископаемые на планетах, лунах, астероидах и других телах в Солнечной системе, они частично истощатся примерно через 460 лет, подсчитали ученые Смитсоновской астрофизической обсерватории.
Исследователи обнаружили, что ежегодный прирост в 3,5% израсходует восьмую часть ресурсов Солнечной системы за 400 лет. В этот момент у человечества будет всего 60 лет, чтобы ограничить добычу и избежать полного истощения запасов полезных ископаемых.
«Если мы не задумаемся об этом сейчас и пойдем осваивать ближайшие космические тела, мы продвинемся вперед, а через несколько сотен лет столкнемся с экстремальным кризисом, намного хуже, чем сейчас на Земле. Как только вы заканчиваете добывать ресурсы в Солнечной системе, вам больше некуда идти», — рассказывает Мартин Элвис, старший астрофизик в Смитсоновской астрофизической обсерватории в Кембридже.
У этого ограничения есть две цели: защитить еще не освоенные миры от наихудших проявлений человеческой деятельности и избежать катастрофического будущего, в котором все ресурсы, находящиеся в пределах его досягаемости, будут использованы на постоянной основе. При этом Элвис отмечает, что восьмая часть всего железа в Поясе астероидов более чем в миллион раз превышает оценочные запасы железной руды на Земле, которых может хватить на несколько веков.
Космические тела в Солнечной системе
Конкретные области, добыча полезных ископаемых в которых окажется под запретом, астрофизики не называют. Этот вопрос требует более детального изучения, поясняют авторы исследования в статье в журнале Acta Astronautica.
Какие запасы полезных ископаемых существуют в Солнечной системе?
Космические тела в Солнечной системе интересуют ученых и предпринимателей с точки зрения добычи трех типов ресурсов — воды, металлов и газов. Вода необходима по большей части для будущих колонизаторов — как в качестве источника влаги для живых организмов, так и в виде топлива для космических кораблей при расщеплении на кислород и водород. Газы и тяжелые металлы (железо, никель, молибден, кобальт, золото, платина и другие) представляют интерес для Земли, где их запасы близки к истощению.
Луна
Естественный спутник Земли не представляет большого интереса в качестве объекта по добыче полезных ископаемых. В первую очередь, потому что Луна представляет собой базальтовое тело — то есть, по сути, ту же скалу, которая образует дно океана.
Самую большую ценность представляет собой гелий-3 — самый легкий из изотопов гелия, который в большом количестве (по разным оценкам, от 500 тыс. т до 2,5 млн т) содержится в поверхностном слое спутника, но редко встречается на Земле. Элемент может использоваться в электростанциях в качестве топлива, практически не загрязняющего окружающую среду. Гипотетически, при термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 т гелия-3 с 0,67 т дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн т нефти.
Поверхность Луны богата гелием-3, который можно использовать как экологичный источник энергии на Земле
Однако Луна, как и Антарктида, защищена международным правом — ни одна страна не может претендовать на права на естественный спутник Земли. Кроме юридических, существуют физические ограничения — скорость убегания Луны. Чтобы вывести 1 кг материала из гравитации спутника, его необходимо разогнать до 2,4 км/с. Для сравнения, для того же самого результата на комете 67P/Чурюмова — Герасименко груз необходимо разогнать лишь до 1 м/c.
Марс
Вторая по близости к Земле планета, Марс, по геологическому строению похожа на нашу. Это значит, что на ней можно обнаружить все основные соединения, такие как железо, алюминий, вольфрам и так далее. Исследователи также обнаружили на Красной планете следы лития, меди, золота, цинка, никеля, кобальта, ниобия и других элементов. Другими словами, можно случайным образом указывать на элементы периодической таблицы Менделеева и с большой долей вероятности угадать те, которые можно найти на Марсе.
Ровер Opportunity также обнаружил на Марсе гематитовые сферы, богатые железной рудой — так называемые марсианские сфероиды. Последние не представляют интереса для промышленности и могут стать ценностью только для коллекционеров. Вода, азот и аргон могут быть использованы только для нужд будущих колонизаторов.
Гематитовые сферы
Часть элементов появилась на Марсе в результате астероидной бомбардировки. Другая сформировалась благодаря тому, что Красная планета и Земля образовались из одного облака газа и пыли. Однако концентрация веществ в марсианской почве, с высокой долей вероятности, невелика или сильно варьируется в зависимости от региона. Наряду с высокой стоимостью добычи и доставки ресурсов на Землю это делает Марс малопривлекательным местом для добычи полезных ископаемых для земной промышленности, — чего нельзя сказать о возможных будущих колонистах.
Венера
Венера и Земля — фактически близнецы по размеру, массе, составу и условиям, в которых они сформировались. Как и Земля, Венера имеет большое железное ядро и скалистую силикатную мантию, а ее кора, по аналогии с нашей планетой, базальтовая.
Судя по данным советских исследовательских аппаратов Venera 13, 14 и Vega 2, концентрация кремния, алюминия, магния, железа, кальция, калия, титана, марганца и серы в базальтах Венеры зависит от локации, однако в целом соответствует их концентрации на Земле.
Наблюдения также показали, что залежи этих минералов, вероятно, покрыты слоем полупроводников неизвестного происхождения — возможно, речь идет о железосодержащих минералах, таких как пирит или магнетит. Кроме того, на Венере присутствуют свинец и висмут, которым планета обязана своим ярким свечением на ночном небе.
Венера и Земля очень похожи по структуре и условиям возникновения
Однако добыть эти минералы вряд ли удастся — давление на Венере в 92 раза выше, чем на нашей планете. Средняя температура составляет 460 °С — больше, чем на Меркурии, расположенном в два раза ближе к Солнцу. Такого жара хватит, чтобы расплавить свинец. Причина в особенном устройстве атмосферы планеты: вместо того, чтобы нагревать поверхность до тропического климата, как на Земле, облака отражают тепло и выжигают Венеру.
Ситуация усугубляется еще и тем, что на Венере отсутствует кислород — 96% атмосферы состоит из углекислого газа, а несколько раз в день на поверхности выпадают дожди из серной кислоты. Вряд ли хотя бы один известный науке организм проживет в таких условиях больше нескольких секунд, а техника — больше нескольких часов.
Пояс астероидов
Пояс астероидов — главный кандидат на добычу полезных ископаемых на космических телах и самый далекий от Земли среди перечисленных выше космических тел: расстояние от нашей планеты до ближайшей точки в поясе астероидов составляет 1,2 а.е. (180 млн км).
Астероиды в поясе делятся на два типа: водные и каменно-металлические. Первые содержат большое количество воды. Они, в общем-то, бесполезны для землян, но могут быть чрезвычайно ценным ресурсом для будущих космических колонистов: одного «водного» астероида может хватить на долгие-долгие годы снабжения космической колонии. Такой тип астероидов является наиболее распространенным, «водных» астероидов около 75% в нашей Солнечной системе.
Пояс астероидов может стать центром добычи полезных ископаемых в Солнечной системе, но только в далеком будущем — расстояние до ближайшей точки пояса от Земли составляет 180 млн км
В каменно-металлических астероидах много железа, никеля и кобальта. Кроме того, есть и золото, платина, родий, редкоземельные металлы и прочее. Само собой, ученых и представителей бизнеса больше всего интересуют металлические астероиды с максимальным содержанием металлов.
На большинстве астероидов обоих видов содержатся никель, железо, кобальт, на некоторых — платина, золото и аммиак. Проблема заключается в том, чтобы извлечь эти ресурсы и доставить их на Землю.
Экономическая выгода
Одно из самых больших препятствий в дополнение к еще не разработанному оборудованию для добычи ископаемых на астероидах и других описанных телах — транспортировка добытых ресурсов на Землю. Речь идет о миллионах и миллиардах метрических тонн ископаемых — в ином случае их просто нет смысла добывать. Современные ракеты и космические корабли с этой задачей справиться не смогут.
Кроме того, такие полеты будут очень дорогими — для сравнения, вся программа «Апполон», которая обошлась США в $25 млрд, позволила доставить на Землю лишь 383,7 кг лунного грунта. При этом перед астронавтами не стояла задача по добыче или переработке минералов.
Сейчас НАСА работает над миссией по отправке зонда на астероид Психея. Цель миссии — получить крошечный образец весом около 60 г. Оценочная стоимость миссии — около $1 млрд.
Но затраты могут окупиться — если оценки ученых верны, самый экономически выгодный астероид 253 Mathilde диаметром 2,8 км может принести до $9,53 трлн прибыли. Оценочная стоимость космического тела составляет более $100 трлн.
Наиболее экономически активным считается астероид 2000 BM19, очень маленький объект O-типа (шириной менее 1 км). Он находится достаточно близко к Земле, а его оценочная стоимость составляет $18,50 трлн. Прибыль оценивается в $3,55 трлн. Подробнее с оценкой экономической эффективности разработки астероидов можно ознакомиться здесь.
Юридические вопросы
Юридические ограничения в вопросах, связанных с разработкой астероидов, — это едва ли не самые сложные для будущей космической добывающей индустрии. Могут ли полезные ископаемые на космических телах принадлежать компаниям или частным инвесторам, правительствам или они являются собственностью всего человечества, как следует из Договора о космосе?
Договор о космосе, или Договор о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну — межправительственный документ, подписанный в 1967 году. Основные положения договора сводятся к запрету размещения ядерного оружия или любого другого оружия массового уничтожения на орбите Земли, Луны или другого космического тела. Документ ограничивает использование Луны и других небесных тел только мирными целями и запрещает предъявлять претензию на владение космическим телом или его частью.
Некоторые страны — например, США и Люксембург — уже приняли законы, которые позволяют частным компаниям получить право на добычу ресурсов в космосе. Однако такие решения пока не согласуются с международным правом и не обсуждались с правительствами других государств.
Пока Договор о космосе, ратифицированный почти 100 странами, предполагает, что ни одна нация не может заявлять свои права на астероиды, планеты или любые другие космические объекты.
Человек как никогда раньше приблизился к тому, чтобы начать колонизацию Марса, Луны и всей Солнечной Системы в целом. Мы уже умеем запускать спутники и ракеты, мы построили МКС, место жизни вне Земли! К 2024 году мы полетим на Марс, а к концу века построим там колонию, а в туризме появится новое направление – космические полёты вокруг Земли!
И всё же чтобы говорить нормально об освоении космоса, о создании не только научных баз, полноценных колоний, нужно покорить то, на что мы даже не обращаем внимания. Ни Марс, ни Луну, ни даже Титан (спутник Сатурна, на котором, возможно, есть жизнь). Нужно освоить астероиды, ведь они очень и очень важны!
Зачем вообще нам астероиды?
Скажите, из чего у вас в доме провода? Конечно же, из меди либо алюминия – ведь другие металлы (золото, платина, медь) слишком дорогие, хоть и обладают лучшими характеристиками. Однако знаете ли вы, из чего состоит астероид? Это ведь буквально летающий в космосе камень, состоящий из кремния и благородных металлов! В астероидах можно найти платину, медь, золото, палладий, олово, железо и множество других, почти всю таблицу химических элементов!
Зачем нам нужно такое количество металлов? Для строительства! К примеру, серебро является лучшим металлом для проводов, ведь проводит электричество с наименьшим сопротивлением, то есть с минимальными потерями! Но стоимость серебряного провода в 9 раз выше медного и в 13 – алюминиевого! А ещё делают провода из золота, которое также имеет низкое сопротивление, а также устойчиво к повреждениям. Представьте его цену?
Провода из серебра и золота можно купить, но слишком огромные суммы выйдут на покрытие хотя бы одной комнаты. Именно поэтому их применяют в особо важных целях – к примеру, в аппаратах на МКС.
Кроме отличной проводимости, металлы обладают и другими отличными свойствами: к примеру, защищают от губительной радиации и хорошо проводят тепло, что может пригодиться будущим колонистам на Марсе.
А ещё на астероидах могут быть те металлы, в которых мы нуждаемся, но которых мало на Земле – к примеру, калифорний, плутоний, уран, тритий и другие. Они нужны нам для добычи энергии, так что вопрос об их использовании стоит очень остро.
Но где брать столько металла? Конечно же, на астероидах!
Но почему именно на астероидах, а не на Марсе или хотя бы не на Земле?
Посмотрите на эту глыбу. Это астероид 2011 UW158, и он сблизился с Землёй на максимально возможное расстояние в 2015 году. О нём сразу же раструбили в новостях, ведь кроме своих размеров (примерно 0.3 кубических километра) он содержит в себе платины на 5 триллионов долларов!!! Это в 2.3 раза больше, чем размеры всех известных запасов на Земле (180 тысяч тонн против 80)!
Платина имеет множество применений, начиная от катализаторов для промышленности и заканчивая изготовлением пломб. И в будущем её добычи на Земле может не хватить, тогда почему бы не использовать для этого астероиды? Кстати, некоторые компании (Planetary resources и Deep space industries) уже выразили свои намерения добывать платину на этом астероиде.
А вот это – астероид 16 Психея и он по-настоящему драгоценен для нас. Во-первых, он просто огромен (шар диаметром в 180 километров). Во-вторых, в нём есть много чего интересного – железо, никель, золото, серебро, платина, и даже водород, кислород и вода! Этих запасов нам может хватить на тысячи лет вперёд, ведь оценочная стоимость этого астероида – 10 квадриллионов долларов! Это в 200 раз больше нынешней мировой экономики!
В 2022 году NASA собирается отправить туда зонд, который приземлится на астероид в 2026 году. Он изучит его подробнее, а также скажет, насколько реальна добыча полезных ископаемых на астероидах в целом.
У нас уже был опыт приземления!
2 года назад человечество уже совершило огромный скачок. Мы посадили космический аппарат “Розетта” на комету Чурюмова — Герасименко. Это заняло у нас 13 лет, но мы смогли сделать это – посадить космический корабль на быстродвижущийся маленький объект! Это значит, что мы таким же образом сможем попасть и на астероиды!
Уже существуют десятки частных и государственных компаний, разрабатывающих собственные проекты по добыче полезных ископаемых на астероидах. В ближайшие 10 лет будет осуществлено минимум 3 полёта на астероиды в NASA и Роскосмосе. И я уверен, однажды мы сможем покорить не только Землю, Марс и Луну, но и построить добывающие станции на множестве астероидов!
Понравилась статья? Ставьте палец вверх и подписывайтесь на мой канал – там ещё множество научных тем: космос, химия, физика, технологии,изобретения и многое другое.Читайте меня в телеграме (Будни Учёного 2.0) и в Яндекс.Дзене (Мир науки)!
Если вам нравится научная фантастика, вы знаете, что мысль о колонизации Луны создает невероятные творческие истории. Но есть хорошая вероятность, что лунные города станут реальностью в 21 веке! Колонизация Марса – еще один вариант.
В настоящее время одной из самых больших проблем с идеей основания колонии на Луне является вопрос строительства предметов снабжения. На Луне нет строительного депо, поэтому туда откуда-то должны поступать строительные материалы. Единственное место, где можно получить расходные материалы прямо сейчас, это Земля, а космические корабли работают как грузовик. Использование космического корабля таким образом – это что-то вроде использования почты для получения всех материалов для строительства дома на строительной площадке. Это невероятно дорого и не очень эффективно!
Астероиды могут быть гораздо лучшим местом для получения предметов снабжения. Ранние данные свидетельствуют о том, что в астероидах, которые приближаются к Земле, есть минералы и металлы. Астероиды настолько близки, что многие ученые считают, что миссия по добыче ископаемых легко осуществима. Несколько международных организаций разрабатывают планы по сбору этих природных космических ресурсов.
В этой статье мы рассмотрим, какие ценные ресурсы могут найти шахтеры на астероидах, и как добыча полезных ископаемых может получить эти ресурсы!
Полезные ресурсы астероидов
Ученые считают, что астероиды – это остаточный материал от раннего образования Солнечной системы или обломков от разрушения планеты. Есть десятки тысяч астероидов, которые кружат вокруг Солнца. Большинство из них сгруппированы внутри пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Некоторые астероиды, отклоняются от этой орбиты, и летают ближе к Земле.
Большинство астероидов вписываются в три основные категории:
С-тип – более 75% известных астероидов вписываются в эту категорию. Состав астероидов С-типа аналогичен составу Солнца без водорода, гелия и других летучих веществ.
S-тип – около 17% астероидов относятся к этому типу. Они содержат месторождения никеля, железа и магния.
М-тип – небольшое количество астероидов, содержат никель и железо.
Даже без пилотируемой миссии, чтобы провести полномасштабное исследование астероида, ученые много знают о том, что содержат астероиды. Астрономы используют телескопическую спектроскопию, которая анализирует свет, отраженный от поверхности астероида, чтобы выяснить, что может быть там. Ученые полагают, что помимо железа, никеля и магния, вода, кислород, золото и платина также существуют на некоторых астероидах.
Вода больше всего интересует исследователей космоса, потому что это может помочь сохранить космическую колонию в живых. Без воды нет никакого способа двигаться вперед с человеческим исследованием космоса. Вода также может быть разбита на водород и кислород для образования ракетного топлива. Металлическую руду на астероидах можно добывать и использовать для строительства космических аппаратов и других сооружений для космической колонии.
Корпорации, которые, возможно, не заинтересованы в изучении пространства для приключений и науки, могут быть заинтересованы в сокровищах, которые операция по космической добыче могла бы отправить обратно на Землю. Согласно одному из отчетов НАСА, минеральное богатство астероидов в поясе астероидов может превышать 100 миллиардов долларов для каждого из шести миллиардов человек на Земле. Джон С. Льюис, автор книги по добыче полезных ископаемых « Горное небо», сказал, что астероид диаметром в один километр будет иметь массу около двух миллиардов тонн. В Солнечной системе, возможно, миллион астероидов такого размера. Один из этих астероидов, по словам Льюиса, будет содержать 30 миллионов тонн никеля, 1,5 миллиона тонн металлического кобальта и 7 500 тонн платины. Только платина имела бы стоимость более 150 миллиардов долларов!
Астероиды обладают удивительным потенциалом для промышленности. Но что потребуется, чтобы приземлиться на астероид, найти эти ценные материалы, извлечь их и обработать? Давайте разберемся, как операции по добыче астероидов могут обеспечить Землю и ее колонии на других планетах множеством материалов.
Экстракция и обработка астероидов
Привод для установки операции добычи на астероиде является вопросом простой экономики. В то время как строительство астероидной шахты будет стоить миллиарды долларов, это будет намного дешевле, чем перенос предметов снабжения с Земли на Луну или Марс.
Космический аппарат должен был нести еду и предметы снабжения для горнодобывающего экипажа, и оборудование для шахты. Люди уже приземлялись на Луну, и некоторые астероиды проходят ближе, чем Луна. Космический корабль, идущий на астероид, нуждался бы в меньшей мощности и топливе ракеты, чем на Луну.
Одна из проблем будет заключаться в том, как работать в условиях вращения астероида. Некоторые эксперты предлагают приложить ракеты к астероиду, чтобы вырваться из него. Но как только горняки высаживаются на астероид, как они планируют его копать, обрабатывают добытые материалы и переносят их в космическую колонию или на Землю?
Никто точно не знает, как будет выглядеть первая астероидная шахта, но вот некоторые хорошие предположения:
– Механизм, вероятно, будет работать на солнечной энергии, чтобы уменьшить потребность в топливе, которое необходимо было бы вытащить на астероид с помощью космических аппаратов;
– Оборудование также должно быть легким для транспортировки на астероид;
Некоторые эксперты, включая Льюиса, высказались за использование роботизированного оборудования для ограничения персонала, необходимого для выполнения проекта по добыче. Это уменьшит количество предметов снабжения, таких как еда, необходимая для пилотируемой миссии.
Шахтеры на астероидах будут использовать методы, подобные тем, которые используются на Земле. Наиболее вероятным методом было бы соскоблить требуемый материал с астероида и туннелировать сборник определенных веществ. Скребок или добыча полосы вытаскивают ценную руду, которая будет плавать с астероида. Поскольку большая часть руды будет лететь, для ее сбора можно использовать большой купол.
Астероиды почти не имеют силы тяжести, поэтому горное оборудование и астронавты-майнеры, которые его эксплуатируют, должны будут использовать крепежи, чтобы привязываться к поверхности. Однако отсутствие гравитации является преимуществом при перемещении добытого материала без необходимости использовать большую мощность.
Когда груз материала готов к отправке на Землю или в космическую колонию, ракетное топливо для паромного корабля может быть получено путем разрушения воды от астероида до водорода и кислорода.
После того, как минералы и ресурсы астероида были исчерпаны проектом добычи, оборудование затем можно транспортировать к следующему астероиду.
Из-за отсутствия силы тяжести и атмосферы, переправлять вновь добытые материалы на Луну будет легко. Когда-то там они могут быть очищены и превращены в строительные материалы!