Перспективы добычи полезных ископаемых в космосе

Почем астероид?

Рассуждать, сколько всего ценного можно добыть на астероидах, — задача приятная и увлекательная, поскольку цифры получаются астрономические, а подсчеты за нас уже провел Ян Уэбстер, создатель сайта Asterank (ныне принадлежит Planetary Resources). Он уже рассчитал приблизительную ценность недр тысяч астероидов и примерную стоимость их разработки с поправкой на то, насколько доступен тот или иной астероид для миссий с Земли. Самым экономически выгодным, по его расчетам, является астероид Рюгу — тот содержит никеля, кобальта, железа и воды на $ 83 миллиарда, а его разработка может принести до $ 30 миллиардов чистой прибыли. В этом году до него как раз должен долететь японский космический аппарат «Хаябуса-2».

Из чего состоят астероиды, с Земли можно установить по спектру света, который они отражают. Особенно интересны с точки зрения содержания воды, редкоземельных элементов и платиноидов астероиды, состоящие из углистых хондритов. Однако спектральный анализ, конечно, не абсолютно точен.

«Например, недавно выяснилось, почему спектр астероидов, которые состоят из углистых хондритов, отличается от тех хондритов, которые находятся в нашей метеоритной коллекции и могут быть исследованы в лаборатории. Оказалось, что в результате облучения солнечным ветром в частицах реголита на поверхности этих астероидов разрушается кристаллическая решетка и образуется аморфная пленка, а в ней — наносферы железа, которые придают спектру красноватый оттенок. Это стало понятно благодаря тому, что японский аппарат „Хаябуса“ доставил образцы реголита с поверхности астероида Итокава на Землю», — говорит в беседе с «Чердаком» Евгений Слюта, заведующий лабораторией геохимии Луны и планет Института геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского.

Однако экономическая целесообразность разработки астероидов пока остается под вопросом. «Платиноидов и редкоземельных элементов еще вполне достаточно и на Земле. Например, в России есть так называемые „забалансовые“ запасы, которые были разведаны еще в советское время. Как инженер-геолог по образованию, могу сказать, что этих месторождений хватит еще не на одну сотню лет», — считает Слюта.

К тому же сама технология доставки полезных ископаемых с астероидов на Землю — дело пока темное. Технологию захвата астероидов и доставки их на лунную орбиту разрабатывало НАСА, однако в прошлом году этот проект агентства был закрыт из-за отсутствия финансирования.

Основные энтузиасты космической добычи, те самые Planetary Resources и Deep Space Industries, пока зарабатывают не бурением шахт в далеких астероидах, а разработкой спутников. Так, в 2016 году Planetary Resources получила $ 21 миллион от инвесторов на программу дистанционного зондирования Земли Ceres, а Deep Space Industries поставляет спутники для компании, HawkEye 360, которая также разрабатывает систему мониторинга Земли из космоса.

Пока что на правду больше похоже использование добытых в космосе ресурсов на месте. Причем первым космическим месторождением, по всей видимости, станут не астероиды, а Луна, а добываемым ресурсом — вода.

Дотянуть до заправки

Точнее, не сама по себе вода, а кислород и водород, на которые вода разлагается под действием электрического тока. «Водородные двигатели уже существуют, и КПД у них высокий», — говорит Анна Плотникова, преподаватель МИСиС, старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Инновационные горные технологии».

Основным потребителем этого топлива могут стать заправочные станции для спутников. Запуск спутника — дело дорогое, а когда на нем кончается топливо, он превращается в космический мусор. С технологиями дозаправки в космосе экспериментируют и NASA, и Китай, и частные компании.

«Как только найдутся компании, которые станут заниматься дозаправкой спутников, добыча ресурсов в космосе станет очень экономически привлекательна. Сейчас вывести на орбиту Земли килограмм груза — это 10—30 тысяч долларов. А если добывать воду на Луне, то ее доставка будет стоит менее тысячи долларов. Как только появятся заправочные станции, найдутся желающие покупать эту воду», — уверена Плотникова.

При участии МИСИС, ТГУ, ТУСУР, НП «ЦИГТ» и ряда частных компаний ведутся работы над развитием технологий, связанных с добычей ископаемых в космосе: испарением воды из грунта, похожего на лунный реголит, технологией холодного бурения. «На Луне небольшое изменение температуры грунта из-за вакуума ведет к интенсивному испарению. Если при бурении порода нагреется больше, чем на несколько градусов, то все, что нас интересует, просто испарится», — объясняет Плотникова. Также ученые и инженеры работают над созданием имитаторов лунного грунта, чтобы тестировать на Земле космическую технику, — иначе получится как с марсоходом Curiosity, поверхность колес которого разрушается быстрее, чем планировалось.

«Сейчас мы вместе с Томским государственным университетом хотим запустить следующий проект: испарить кусок грунта, „разобрать“ его на атомы, после чего сконденсировать чистые материалы для строительства или производства деталей аппаратов непосредственно в космосе. С ТГУ — научные обоснования, с нас — изготовление оборудования и эксперименты», — рассказывает Анна.

Еще одна проблема, которую нужно решить, чтобы сделать разработку месторождений на Луне былью, — медленная связь. Сигнал до Луны идет где-то секунду с небольшим и столько же обратно. Если робот на ее поверхности совершит неудачный маневр, он может застрять в какой-нибудь расщелине прежде, чем на Земле успеют отдать ему команду поменять траекторию.

«Мы хотим сделать прототип разведочного робота и поставить его на Земле, например во дворе МИСиС, и через ЦУП ТУСУРа посылать сигнал в космос на спутник, а со спутника — на этот „лунный трактор“. Это поможет проработать проблемы со связью, которые могут возникнуть в ходе реальной экспедиции», — рассказала инженер.

В более отдаленных планах — прототип разведочного робота с искусственным интеллектом, который сможет сам принимать решения и самообучаться.

Подобный «трактор» разрабатывает и НАСА. Предполагается, что он полетит на Луну в начале 2020-х годов.

Лунный трактор НАСА, Resource Prospector

«Когда мы начинали этим заниматься в 2011 году, на этот проект реагировали неоднозначно. Основной вопрос, который мы слышали: „Ребят, вам что, на Земле делать нечего?“ А сейчас прошло семь лет и началась настоящая гонка. Европа активно занимается вопросами добычи воды, Китай изучает вопросы бурения в космосе. Думаю, что до реальной добычи ресурсов в космосе пройдет еще максимум еще 10 лет», — считает Плотникова.

Интересно, что при всем этом мировое законодательство запрещает использовать космические ресурсы в коммерческих целях. Но в США в 2015 году был принят закон, который дает право частным компаниям добывать минералы и другие вещества, в частности воду, на астероидах и Луне с коммерческими целями. А в прошлом году подобный закон появился в Люксембурге. Россия пока что следует международному законодательству. «Однако это ведет к тому, что еще чуть-чуть — и мы начнем очень сильно отставать в вопросах освоения ресурсов в космосе», — предупреждает ученый.

 Екатерина Боровикова

В нынешнем апреле группа инвесторов совместно с несколькими ветеранами аэрокосмической области учредила новую компанию, Planetary Resources, чья задача состоит в разработке полезных ископаемых, содержащихся в астероидах. «Ставка на прорыв в научно-технической сфере подразумевает исключительный коммерческий риск», — говорит сопредседатель в правлении этого стартапа Питер Диамандис. Компания поддерживается такими первопроходцами в технической сфере, как гендиректор компании Google Ларри Пейдж, кинорежиссер и изобретатель Джеймс Кэмерон, гуру программирования из компании Microsoft Чарльз Симоний. Конечно, все эти люди не рассчитывают на быстрый возврат инвестиций. «Полеты к астероидам начнутся уже через несколько лет, — говорит другой сопредседатель Эрик Андерсон, — но мы планируем нашу деятельность в расчете на столетнюю перспективу развития этой отрасли».

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.

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.

Planetary Resources собирается построить целый флот таких малоразмерных космических телескопов, снизив стоимость каждого как минимум до $10 млн. Такая стратегия позволяет и подстраховаться на случай отказа одного из аппаратов. «Необходимо поставить эту работу на конвейер, — говорит Левицки (ранее он в Лаборатории реактивного движения занимался темой полетов на Марс). — Неправильно было бы вложить все средства в один драгоценный аппарат, чтобы потом носиться с ним как с писаной торбой».

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.

Лучшими источниками H2O могут считаться астероиды из углеродистого хондрита. Как говорит Джон Льюис, заслуженный профессор Университета Аризоны и автор книги «Полезные ископаемые в небесах», упомянутые выше астероиды (их еще называют астероидами С-класса) имеют рыхлую, хрупкую структуру. «Кубик такого минерала можно раздавить, просто сжав между большим и указательным пальцами». На таком астероиде бурение не потребуется — чтобы извлечь воду, достаточно будет просто скоблить его поверхность.

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.

Шаг 2. Найти и «застолбить» участок

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.

Дальнейший сценарий в компании Planetary Resources представляют себе так. Целая стая роботов-разведчиков направляется в сторону обнаруженного астероида (он относится к классу «околоземных астероидов» или NEA) и облетает его со всех сторон. «Наши межпланетные зонды будут стоить во много раз меньше, чем нынешние модели, а для этого необходимо радикально изменить подход к задаче», — говорит Диамандис. Новый вид реактивного движителя, который при этом имеется в виду, агентство NASA уже дважды использовало в исследованиях глубокого космоса. Речь идет ионном двигателе, в котором поток ионизированного газа (ксенона), разгоняются в электростатическом поле. В результате формируется тяга, которая неспешно, в течение нескольких лет способна разогнать космический аппарат до приличных скоростей. Процесс довольно медленный, но к финишу скорость может превышать 300 000 км/час.

Интересующие нас астероиды будут, скорее всего, иметь в диаметре километр-полтора. Небесные тела таких размеров слишком малы, чтобы породить заметную силу притяжения. Посадка космического аппарата на такой «камень» просто невозможна. Здесь, скорее, следует говорить о «стыковке». Зонд медленно приблизится к поверхности астероида, мягко коснется цели, после чего нужно будет задействовать что-то вроде якоря. Если для этой цели использовать кошки или крючья, есть вероятность, что якорная лапа выворотит из поверхности кусок породы, а сам аппарат, ударившись, отлетит от астероида. Разумнее было бы использовать какие-то буровые устройства, которые могли бы ввинчиваться в посадочную площадку, надежно удерживая аппарат на поверхности планеты.

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.

Астероид пойман и готов к доставке. Для дальнейшего обследования и переработки астероиды можно подтащить поближе к Земле. В своем апрельском отчете Институт космических исследований Кека, действующий при Калифорнийском технологическом институте, расписал, как можно было бы перевести один из астероидов на лунную орбиту. Такое космическое тело могло бы стать для астронавтов весьма привлекательной тренировочной площадкой. «Выполнение этой программы будет очередным шагом на пути в солнечную систему», — говорит один из руководителей проекта Луис Фридман. На иллюстрации: 1.Обмеры. Комплекс лазеров и радаров выдает информацию о размерах астероида. После этого космический аппарат развертывает свой высокопрочный сачок до нужного размера. Конструкция из надувных лап, соединенных между собой тросами, должна плотно охватить пойманный астероид.
2.Отлов жертвы. Итак, астероид пойман в сачок. Датчики, закрепленные на конструкции снаружи, позволяют убедиться, что астероид не греется и не теряет свой водный запас.
3.Доставка домой. Аппарат отправляется в долгий обратный путь к лунной орбите. Эта дорога может занять шесть лет, и только по прибытии будет начата разработка астероида.

Зонд-разведчик может также пометить выбранный астероид, закрепив на его поверхности радиомаячок. Как утверждают в руководстве компании, такой маячок нужен не только для того, чтобы облегчить в дальнейшем поиск выбранного астероида. «Установка радиомаяка может служить неким юридическим жестом, подтверждающим право владения», — говорит Диамандис.

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.

Итак, представим себе, как рой горнодобывающих роботов, цепляясь за поверхность астероида своими когтистыми лапками, с хрустом грызет насыщенный водой слой грунта, используя для этого нечто вроде хоботков. Тем временем другие аппараты пылесосят поверхность планеты, следуя по стопам добытчиков и утрамбовывая остатки их деятельности. После этого умелые машины будут упаковывать грунт, то есть реголит, в специальные герметичные контейнеры. Эти роботы будут ползать, ходить или летать, регулярно навещая «горнообогатительную фабрику», «висящую» над поверхностью астероида или просто пришвартованную к нему намертво. Там реголит разогреют, выпарят из него воду и соберут ее в баки хранилища.

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.

Более сложные задачи встанут перед космическими горнодобытчиками, если они решатся на добычу металлов. Астероиды М-типа, представляющие собой просто здоровенные глыбы металла, окажутся крепким орешком для космического горнорудного предприятия. Таково мнение Гарри Максуина, геолога из Университета штата Теннесси и председателя группы исследования поверхности астероида в экспедиции Dawn, которую NASA организовало для исследования астероидов. Сама попытка закрепиться на поверхности такого небесного тела уже будет представлять собой достаточно сложную задачу. О бурении металлического массива можно забыть — как и о попытке отпилить от него кусок, чтобы забрать его на переработку. «Только подумайте, сколько на это уйдет энергии, и вы поймете, что задача не слишком-то реалистична», — говорит Максуин.

Правда, по расчетам Льюиса, некоторые из астероидов могут состоять из металла всего на 30%, где металлы представляют собой железо-никель-кобальтовый сплав или сплав платиновой группы. Как он говорит, «велик соблазн просто взять магнит и с его помощью извлечь крупинки металла из раздробленного реголита».