Полезные ископаемые на Луне: теории, проекты добычи, состав почвы и необходимый уровень технологического развития
Луна – естественный спутник Земли. Полвека назад человек впервые ступил на его поверхность. С тех пор появились реальные возможности для непосредственных научных исследований поверхности и недр этого небесного объекта. Есть ли на Луне полезные ископаемые? Что это за ресурсы, и можно ли их добывать? Ответы на эти вопросы вы найдете в нашей статье.
Луна и ее внутренняя структура
У нашей планеты имеется лишь один естественный спутник – Луна. Это самый близкий к Солнцу спутник в пределах всей Солнечной системы. От Земли Луна находится на расстоянии в 384 тысячи километров. Ее экваториальный радиус равен 1738 км, что примерно соответствует 0,27 земного радиуса.
Прежде чем рассказывать о полезных ископаемых на Луне, следует максимально подробно описать внутреннюю структуру этого небесного тела. Итак, что известно ученым на сегодняшний день?
Как и планета Земля, Луна состоит из ядра, мантии и внешней коры. Лунное ядро относительно небольшое (всего 350 км в диаметре). В нем содержится много жидкого железа, также встречаются примеси никеля, серы и некоторых других элементов. Вокруг ядра находится слой частично расплавленного вещества, возникший в результате кристаллизации магмы около 4 миллиардов лет назад (вскоре после образования самой Луны).
Мощность лунной коры изменяется от 10 до 105 километров. Причем ее толщина заметно меньше на той стороне спутника, которая обращена к Земле. Глобально в лунном рельефе можно выделить две зоны: гористую материковую и пониженную – так называемые лунные моря. Последние – это не что иное, как огромные кратеры, сформировавшиеся в результате бомбардировки поверхности Луны астероидами и метеорами.
Поверхность Луны
Мы уже привыкли осознавать, что под нашими ногами находится многометровая толща осадочных пород – известняков, песчаников, глин. Но Луна – не Земля. Здесь все устроено по-другому, и горных пород осадочного происхождения здесь попросту нет и быть не может. Вся поверхность нашего спутника покрыта реголитом или «лунным грунтом». Это смесь мелкообломочного материала и тонкодисперсной пыли, образованная в результате постоянной метеоритной бомбардировки.
Толщина реголитного слоя Луны может достигать нескольких десятков метров. А на некоторых участках поверхности она не превышает и двух сантиметров. Внешне этот слой напоминает серо-коричневое одеяло из пыли. Кстати, сам термин «реголит» происходит от двух греческих слов: «литос» (камень) и «реос» (одеяло). Любопытно, что по своему запаху реголит напомнил астронавтам аромат пережженного кофе.
Следует отметить, что себестоимость транспортировки одного килограмма вещества с Луны оценивается примерно в 40 тысяч долларов. Тем не менее американцы, в общей сложности, уже доставили на Землю свыше 300 килограммов реголита с разных участков поверхности спутника. Это позволило ученым провести тщательный анализ лунного грунта.
Как оказалось, реголит рыхлый и достаточно неоднородный. При этом он хорошо слипается в комочки, что объясняется отсутствием окисной пленки. В верхнем слое реголита (не глубже 60-тисантиметров) преобладают частички размером до одного миллиметра. Лунный грунт полностью обезвожен. В его основе – базальты и плагиоклазы, которые по своему составу практически аналогичны земным.
Итак, есть ли под слоем реголита какие-либо полезные ископаемые на Луне? Об этом вы узнаете далее из нашей статьи.
Полезные ископаемые на Луне: полный список
Не стоит забывать, что Земля и Луна – это, по сути, единокровные сестры. Поэтому вряд ли недра нашего единственного спутника скрывают в себе какие-либо минеральные сенсации. Но все же, какие полезные ископаемые есть на Луне? Давайте разбираться.
Нефть, уголь, природный газ… Этих минеральных ресурсов на Луне нет и быть не может, ведь все они – биогенного происхождения. Так как на нашем спутнике нет ни атмосферы, ни органической жизни, их формирование попросту невозможно.
Однако в недрах Луны залегают различные металлы. В частности, железо, алюминий, титан, торий, хром, магний. В составе лунного реголита также обнаружены калий, натрий, кремний и фосфор. С помощью автоматической межпланетной станции Lunar Prospector, запущенной в 1998 году, удалось также определить локализацию того или иного металла на лунной поверхности. Так, например, выглядит карта распространения тория на Луне:
В целом все лунные породы и минералы можно условно поделить на три группы:
- Базальты лунных морей (пироксен, плагиоклаз, ильменит, оливин).
- KREEP-породы (калий, фосфор, редкоземельные элементы).
- ANT-породы (норит, троктолит, анортозит).
Помимо всего прочего, на Луне также были обнаружены значительные запасы воды в виде льда (в общей сложности около 1,6 млрд тонн).
Гелий-3
Пожалуй, главным и наиболее перспективным в плане освоения ископаемым на Луне является изотоп гелий-3. Земляне рассматривают его как возможное термоядерное топливо. Так, по мнению американского астронавта Гаррисона Шмидта, добыча этого легкого изотопа гелия в ближайшем будущем сможет решить проблему энергетического кризиса на Земле.
Гелий-3 в научных кругах нередко называют «горючим будущего». На Земле он встречается крайне редко. Все запасы этого изотопа на нашей планете оцениваются учеными не более чем в одну тонну. Исходя из этого, стоимость одного грамма вещества равна одной тысяче долларов. При этом один грамм гелия-3 способен заменить до 15 тонн нефти.
Стоит отметить, что наладить процесс добычи гелия-3 на поверхности Луны будет нелегко. Беда в том, что в одной тонне реголита содержится всего лишь 10 мг ценного топлива. То есть для освоения данного ресурса на поверхности нашего спутника нужно будет построить настоящий горно-обогатительный комплекс. Очевидно, что в ближайшие десятилетия это неосуществимо.
Проекты по добыче полезных ископаемых на Луне
Человечество уже всерьез задумывается и о колонизации Луны, и об освоении ее минеральных ресурсов. Теоретическая добыча полезных ископаемых на Луне вполне возможна. Но вот практически осуществить это очень непросто. Ведь для этого на поверхности нашего спутника нужно будет создать соответствующую промышленную инфраструктуру. Причем все необходимое придется привезти с Земли – материалы, воду, топливо, технику и т. д.
Тем не менее определенные проекты уже разрабатываются. Так, американская компания SEC планирует всерьез заняться добычей лунного льда и производством на его основе топлива для космических кораблей. Для этого планируется использовать как роботов, так и живых людей. NASA еще в конце 2017 года объявила о приеме заявок с технологическими предложениями по добыче ресурсов на космических объектах. Специалисты этого ведомства надеются, что добыча полезных ископаемых станет реальностью уже к 2025 году.
А вот Китай всерьез заинтересован редкоземельными элементами, которые содержатся в лунной коре. Для изучения и освоения этого ресурса страна планирует основать на Луне специальную исследовательскую базу. Не отстает от ведущих космических держав и Российская Федерация. К 2025 году Роскосмос планирует создать серию роботов для добычи полезных ископаемых на Луне.
В заключение…
Полезных ископаемых на Луне как таковых нет. По крайней мере, в нашем, земном, понимании этого термина. Тем не менее в лунной коре, в частности, в реголите обнаружен целый ряд металлов. Среди них – железо, алюминий, титан, торий, хром, магний и прочие. Добыча минеральных ресурсов на поверхности Луны теоретически возможна, однако практически пока не является целесообразной.
Источник
Недра Вселенной: какие космические тела пригодны для добычи ископаемых и почему ученые сегодня против этого
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Источник