Перспективы использования ресурсов луны

Полезные ископаемые на Луне: проекты по добыче и перспективы развития отрасли

Даже сегодня, когда миллионные бюджеты вкладываются в космические программы, добыча полезных ископаемых на Луне и не только (к примеру, на астероидах), звучит, как искусная фэнтезийная зарисовка. Однако современные учёные проводят многочисленные опыты и разработку в этой сфере.

У добычи полезных ископаемых на Луне очень много аспектов и задач, которые зачастую требуют изобретательности и нестандартного подхода. Будущим «космическим» горнякам, видимо, предстоит осваивать все тонкости добычи полезных ископаемых в недрах луны.

Открытым остаётся вопрос – есть ли смысл организовать добычу минералов, металлов и других ископаемых и какие именно из них могут активно разрабатываться в крайне нестандартных условиях.

В данном контексте учёные выделяют два типа ископаемых, которые они планируют извлекать из лунных недр. Первый – ископаемые, которые задействуются локально, прямиком на местах добычи. Второй – породы, которые транспортируются на земную поверхность.

К числу первых можно отнести водные источники и конструкционные составляющие. Водная масса посредством электролиза будет раскладываться на O и H₂. Их можно использовать в качестве источников топлива космических аппаратов и прочей важной техники. Во вторую категорию входят газовые массы и редкие типы металлов. Среди этих веществ одним из важнейших считается гелий-3. В перспективе он может стать важным источником сырья в термоядерном синтезе.

Насколько будет окупаться добыча полезных ископаемых на Луне, можно понять, определив стоимость, технические издержки и возможности транспортировки полезных ископаемых к зонам использования в сравнении с аналогичным обслуживанием на Земле. Схожие моменты учитываются также и при разработке месторождений на нашей планете.

Безусловно, доставка сотен тонн рабочего топлива с Земли к Луне будет весьма дорогим и сложным мероприятием. Именно поэтому учёные думают над тем, какой вид топлива можно добывать и применять локально. Таким образом, неясно, станет ли мероприятие по добыче полезных ископаемых 2-й категории рентабельным в целом.

Отдельные исследования показывают, что разработка платино-металлических руд способна покрыть такие убытки. Однако эта идея всё ещё остаётся под вопросом. Сегодня отдельные весьма крупные предприятия частного типа планируют лунную разведку, а также разработку минеральных и металлических руд на астероидах в обозримом будущем. Вместе с тем активно обсуждаются и разрабатываются планы по освоению и добыче минералов и железных руд на земном спутнике.

Одна из крупных организаций, которая планирует осваивать минеральные богатства Луны – Planetary Resources. Её основатель ранее имел дело с космическим туризмом и был главой компании Space Adventures. В качестве со-основателей первой компании по добыче полезных ископаемых вне земных условий стали Л. Пейдж И Дж. Кэмерон. 1-й склад топлива для освоения космической разработке минеральных и металлических руд компания пообещала организовать к 2020 году.

Сегодня организация уже запустила пару тестовых спутниковых телескопа на орбиту нашей планеты. Их основная задача технологическая демонстрация космических разведывательных технологий. Ещё одно крупное предприятие, принимающее активное участие в освоении добывающей космической отрасли – DSI. Это частная организация из США, которая заручилась правительственной поддержкой ещё в 2013 году. По заверению её руководителей, активный поиск и добыча H₂O, а также ценных металлов станет возможной уже к 2023 году.

Какие небесные полезные ископаемые планируется добывать?

На Луне в настоящее время обнаружены такие элементы, как титанат железа, а также силикаты щелочных металлов и железа. Как уже было сказано, планируется разведка и добыча воды из Лунных недр.

Среди астероидов существует три основных типа, на которых содержится достаточно количество определённых полезных ископаемых, планируемых к добыче. Так, на астероидах типа C планируется добыча воды, органики и углерода. Астероиды типа М богаты металлами платиновой группы, а также никелем и железом. Наконец, астероиды категории S интересны наличием в их недрах силикатов различной природы и консистенции.

Примечательно, что уже существуют технологии, позволяющие добывать материалы с комет и астероидов. Однако они ещё далеки от совершенства и активно развиваются в настоящий момент.

Stardust – одна из миссий по доставке образцов грунтовых внеземных веществ. Сопутствующий её проект Хаябуса также нельзя назвать масштабным, а потому для добычи полезных ископаемых в более ли менее серьёзных промышленных масштабах.

Среди более перспективных космических проектов по добыче полезных ископаемых можно выделить миссии зонда NER-Shoemaker, который совершил мягкую посадку на астероид. Однако транспортировка полезных ископаемых из космоса на Землю – далеко не единственная проблема, с которой столкнутся будущие космонавты-добытчики. Какие же ещё нюансы существуют? Взглянем на них подробнее.

Низкая гравитация – как с ней быть?

Проблемы с большим весом добываемой руды актуальны для шахтёров, работающих в земных условиях. Им требуются крупные установки с мощным оборудованием и взрывчаткой – всё это позволяет эффективно проводить горные работы. Однако на Луне эффективность такой техники предположительно в 5-6 раз меньше, чем на Земле.

Согласно заявлениям директора Горного института при научном центре РАН, буровой станок будет подвержен существенному осевому давлению, и в лунных условиях это закономерно приведёт к подъёму самой установки, нежели к бурению. Неэффективными окажутся и классические экскаваторы, которые в условиях низкой лунной гравитации при заборе грунта будут отъезжать от места забоя вследствие мощной напорной силы.

Однако современные учёные уже нашли достаточно простое решение этой проблемы. Целесообразным становится использование анкерных креплений. С их помощью горнодобывающее оборудование будет стационарным, фиксированным, а, следовательно, устойчивым к эффектам на Луне, описанным выше. С другой стороны, крепление к лунному грунту (реголиту) – тоже не самая простая задача, поскольку о его свойствах на данных момент известно немногое.

Износ оборудования – как снизить его до приемлемого минимума?

Итак, лунные шахтёры будут работать с лунным реголитом. По сути это мелкодисперсная субстанция с прекрасными абразивными показателями. Таким образом, любые бурильные установки будут достаточно скоро изнашиваться при активной работе. Примечательно, что замена бура на Луне – задача не из простых.

Поэтому работа с лунным реголитом требует нестандартного подхода в заборе местного грунта. Один из важных нюансов – материал лунной поверхности имеет определённый электрический заряд. Это обусловлено тем, что на протяжении многих тысяч лет лунная быль была подвержена бомбардировке заряженными частицами солнечных ветров. Таким образом, на поверхности земного спутника накопилось достаточное количество заряда.

Это означает, что в теории забор грунта возможен с использованием свойств электромагнитного поля. Сотрудник Горного института НИТУ говорит о том, что заряженные частицы реголита имеют свойство плотно прилипать к любым предметам и поверхностям. А основании этих данных можно создать, например, машину-крот, которая будет проходить сквозь грунт и во время бурения всасывать его в себя наподобие пылесоса.

Однако сам факт прилипания потребует наличие некоего заборного отверстия, которое не будет забиваться. Примечательно, что уже проводился ряд практических испытаний внеземных горнодобывающих станций. Для этого были созданы специальные плазменные установки, формирующие аналог лунного реголита из земных материалов, с которыми могут работать и испытываться эти станции.

Отсутствие атмосферы – как быть с этим фактором?

Если учесть, что добычей полезных ископаемых на Луне будет заниматься роботизированная металлическая техника, отсутствие атмосферных условий могло бы оказаться на руку. В этих условиях отсутствуют факторы, вызывающие коррозию металлических запчастей. Однако это лишь одна сторона вопроса.

Если представить себе добычу воды лунными шахтёрами, то в отличие от Земли, где вода легко конденсируется и в широком диапазоне температур остаётся твёрдой/жидкой, то при отсутствии атмосферы она будет подвергаться сублимации. При этом водные частички будут мгновенно улетучиваться при нагреве. Если учесть, что водная сублимация происходит при температуре 160 о С.

Таким образом, согласно расчётам учёных, активные способы механического бурения будут приводить к существенным топливным потерям. В стремлении решить эту проблему, они стали разрабатывать технику холодного бурения. Она предполагает, что в процессе работы бура с грунтом, соприкасающиеся поверхности не подвергаются сильному нагреву.

Благодаря смене конфигурации буровых наконечников при помощи магнитного поля сокращается фактор трения, что приводит к существенному снижению нагрева в процессе бурения.

Согласно словам научного деятеля Анне Плотниковой, занятой разработке этой техники, нагрев происходит вследствие трения. Лунный грунт имеет свои особенности. Солнечные ветры непрерывно ионизируют и имплантируют заряды Таким образом, почва на луне отличается аномальным коэффициентом трения, который превышает общепринятую единицу. Принцип работы сводится к тому, что после удара бур прокручивается. В момент удара контакт инструмента с породой минимизируется. При этом практически исключается трение. Ударная техника позволяет откалывать породы, без их срезания.

Примечательно, что уже в 2016 году методику извлечения водных запасов на Луне успешно отработали благодаря технике грунтового нагрева при помощи аппарата типа CubeSat. Испытания проводились с использованием имитации лунного реголита. В качестве заборного элемента был использован пустой изнутри конус, на поверхности которого проделано большое количество отверстий. Также на поверхности присутствуют нагревательные элементы, которые способствуют высвобождению даже химически связанных источников воды, к примеру, воду в форме гидроксиодов или кристаллогидратов.

Ещё один проблемный аспект – отведение тепла от нагревающихся рабочих элементов в вакууме. Прямая воздушная теплопередача на Земле хорошо справляется с этой задачей. В условиях космического безвоздушного пространства учёные придумали отводить тепло в виде излучения.

Вопрос концентрации собранных пород

Любые полезные ископаемые второй категории, которые нуждаются в транспортировке, не нуждаются в доставке на Землю в форме руд. Для экономии топлива целесообразно снабдить космический добывающий комплекс отдельной линией концентрации добытых грунтовых пород и материалов.

Одним из наиболее перспективных рабочих подходов в решении этого вопроса считается метод испарения и очистки руды посредством «флеш металлургии». После рудного испарения образуется облако плазмы, состоящее из ионизированных атомных частиц. Такие структуры разделяются магнитными полями для извлечения конкретных, только необходимых веществ. Это достаточно энергоёмкий технический процесс, однако благодаря его применению есть возможность получать максимально чистые металлы.

Корпорация DSI планирует использовать для добычи усложнённый и более совершенный вариант этой методики. Её представители ранее заявляли о том, что испарение металлов будет использоваться для деталей и комплектующих, собранных методом 3D-печати, непосредственно на месте добычи.

Лунный грунт богат магнитными материалами. К их числу можно отнести титанат железа, а также ильменит. Наличие таковых позволяет задействовать уже существующие методы магнитной рудной сепарации.

Когда состоятся первые миссии по разработке и добыче полезных ископаемых на Луне?

Уже не единожды были названы самые разные сроки. Согласно вышеупомянутым DSI и Planetary-Resources, добыча полезных ископаемых на космических объектах типа астероидов и Луне планировались в 2020 году. В настоящее время у этих компаний стали появляться конкурирующие структуры в лице таких компаний, как Aten-Engineering, которую возглавил бывший сотрудник NASA.

По его мнению, первые пробы пера на почве добычи полезных ископаемых на Луне реальны в ближайшие 20 лет. Сама же промышленно-добывающая космическая отрасль в целом получит активное развитие в течение ближайшего полувека. Помогать с добычей ресурсов на астероидах планируют и китайские аэрокосмические научно-технические компании. Китайцы планируют заняться разработкой этой отрасли к 2040 годам.

Хочется отметить, что металлы платины, которые находятся вне пространства Земли, присутствуют не только на космических объектах типа астероидов. Околоземная орбита богата многочисленными космическими обломками и прочими сравнительно небольшими телами. К таковым можно отнести вышедшие из строя спутники, ракетные ступени, а также их обломки, которые образовались после столкновения. В настоящее время космические компании в международных масштабах планируют организовать сбор этого потенциально «полезного» околоземного космического мусора.

Это говорит лишь о том, что лунные проекты могут отойти на второй план в ближайшей перспективе, поскольку целесообразно привезти на Землю в качестве первых ценных ресурсов из космоса осмий, иридий, золото и т.п., которые само человечество некогда запускало в космическое пространство.

Источник

Перспективы использования ресурсов луны

На нынешнем этапе экспедиции на Луну не имеют значительных преимуществ перед методами исследования Луны с помощью автоматических станций, однако рано или поздно на Луне будет создана постоянная научная станция со сменяемым экипажем. Опубликовано много работ, посвященных устройству жилищ на Луне [3.48] — искусственных пещер, домов из надувной затвердевающей пластмассы, из пустых топливных баков грузовых ракет. Существует немало проектов исследовательских и транспортных аппаратов, управляемых людьми, для передвижения по поверхности Луны и над ней: колесных, способных взлететь с помощью ракетного двигателя (даже, если нужно выходить на орбиту) [3.49]; прыгающих за счет энергии расширения сжатого газа, который снова сжимается после завершения прыжка [3.50], и т. п.

Большие перспективы сулит создание астрономической обсерватории на Луне. Считается, что лучшее место для нее — на обратной стороне Луны, а конкретнее — кратер Циолковский. Помимо оптических телескопов, здесь могут быть установлены и радиотелескопы, чему способствует отгороженность от земного радиофона, характерная для обратной стороны вообще, и большая площадь, свободная от скал, гор, каньонов, борозд и т. п., что не часто встречается на Луне [3.44].

На видимом полушарии Луны целесообразно создать метеорологическую станцию для наблюдения Земли. Лунный наблюдатель различит на Земле в телескоп в 4—5 раз меньшие детали, чем земной наблюдатель в тот же телескоп различит на Луне. Причина в том, что, хотя земная атмосфера и затрудняет работу лунного наблюдателя, возмущения в ней ему не вредят. Для наблюдения Солнца удобно будет создать три экваториальные станции на расстоянии 120° друг от друга, так что Солнце всегда будет в поле зрения двух из них [3.51].

Остановимся на вопросе о том, может ли способствовать Луна развитию межпланетных сообщений. Можно уверенно сказать, что Луна как космическая платформа не имеет никаких преимуществ перед искусственным спутником Земли. Она расположена так далеко от Земли, что ее было бы невыгодно использовать, даже если бы она не обладала собственным полем тяготения. Наличие же

у Луны поля тяготения делает такую идею вовсе бессмысленной, так как оказывается необходимым преодоление притяжения Луны как при посадке, так и при взлете. (Столь же бессмысленной и по тем же, по существу, причинам была бы попытка использования Луны в качестве базы для стрельбы по Земле ракетами, снабженными ядерными бомбами.) Дело может измениться к лучшему, если на Луне станут возможны постройка ракет из собственных лунных материалов и заправка их лунным же топливом, причем стоимость материалов и топлива была бы не выше стоимости их доставки с Земли на Луну. Это предполагает такую степень освоения Луны, о которой пока можно лишь мечтать.

Но есть и другие методы. К области, близкой к научной фантастике, относятся некоторые предложения, пока еще недостаточно научно аргументированные. К ним, например, относится идея 7 посылать с поверхности Луны с помощью специальных устройств узко направленные потоки ионов, которые бы способствовали перемещению космических кораблей, находящихся на расстоянии в десятки тысяч километров (атмосфера мешала бы направлять такие потоки с поверхности Земли).

Более детально разработана проблема использования Луны в качестве сырьевой базы для индустриальных комплексов на орбитах вокруг Земли. Предполагается, что из лунного реголита, залегающего на поверхности, могут быть добыты металлы, а также такие хорошие строительные материалы, как стекло и керамика [3.52]. Добытое сырье, заключенное в контейнеры, будет разгоняться с огромными ускорениями (порядка 500 g) в электромагнитных «пушках», причем будет использоваться магнитная подвеска. Этот принцип предлагается для поездов и на Земле (в Японии ожидался пуск такого экспресса, развивающего скорость и связывающего Токио с окрестностями), однако подлинный эффект должен достигаться на Луне в отсутствии атмосферы — возможно достижение скорости Агрегат массой сможет в течение года выбрасывать с Луны в горизонтальном направлении породы [3.53]. Порода накапливается вблизи точки либрации в помещенном там коническом мешке. По расчетам для накопления массы мешок должен иметь длину и диаметр основания и обладать массой (из которых только приходится на сам мешок, а остальное на двигатель, баки с топливом и ядерную энергетическую установку) [3.54]. Если бы можно было решать задачу прибытия в точку в рамках ограниченной задачи двух тел, то следовало бы установить электромагнитную «пушку» в центре видимой стороны Луны и совершать перелеты в по полуэллиптической траектории (продолжительность перелета 6 сут, начальная скорость близка к параболической — Но здесь мы вынуждены оставаться в рамках задачи трех тел. Поэтому наша «пушка» должна быть расположена на плоскогорье в

точке с координатами 1°50 с. ш., 33°40 в. д. (учтены особенности рельефа). В этом случае «снаряд» из «пушки» достигает точку за и попадает в мешок со скоростью 300 м/с (рис. 114). Либрации Луны вызывают отклонения траекторий, однако они фокусируются вблизи что облегчает маневрирование космического аппарата-мешка. Мешок с накопленным сырьем далее совершает двухимпульсный перелет на орбиту станции-колонии. Подобные станции могут быть расположены как в точках либрации так и на других орбитах.

Рис. 114. Схема накопления лунного сырья в точке либрации и его транспортирования на станцию — колонию: 1 — начальный импульс с помощью электромагнитной «пушки», 2 — путь к мешку-накопителю 3, 4 — транспортирование наполненного мешка на орбитальную колонию 5.

Рис. 115. Траектория перевода мешка-накопителя из точки двухнедельную орбиту колонии в системе координат, вращающейся вместе с линией Земля — Луна.

Для снабжения лунным сырьем очень удобной является орбита станции с двухнедельным периодом обращения (1/2 сидерического месяца), высотой . В точке мешок-накопитель получает импульс в сторону Луны и переходит на очень вытянутую орбиту спутника Луны, сильно возмущаемую Землей, так что на третьем витке он переходит на большую эллиптическую орбиту спутника Земли, которая сильно возмущается Луной. Сказанное может быть изображено в системе отсчета, вращающейся с линией Земля — Луна (рис. 115); перескок «во власть Земли» происходит вблизи точки Для перехода на орбиту станции мешку сообщается импульс (в случае прибытия в точку он был бы в 48 раз больше) [3.55].

Двухнедельная орбита станции пригодна не только для переработки сырья (в частности, в ракетное топливо) и пересылки полученных материалов и изделий на стационарную орбиту, но и выгодна для межпланетных операций [3.56]. Здесь нет противоречия с указанной курсивом в § 7 гл. 8 закономерностью: если бы ракеты стартовали с Земли, то выгоднее всего было бы дозаправлять их на

низкой околоземной орбите, но если они изготовляются на орбите, дело обстоит иначе. Впрочем, улетая к планетам, ракета все равно должна будет по полуэллиптической орбите приблизиться к Земле, чтобы дополнительно разогнаться в перигее 13.23, 3.56].

Итак: космопорт в точке накопление сырья в точке его переработка в индустриальном комплексе на двухнедельной орбите, межпланетный порт тут же, энергостанции на стационарной орбите, колонии в точках единая космическая система связи во всем этом районе, развернувшемся на полмиллиона километров. Феерическая картина. И ни один фантаст не изобразил ничего подобного! Научно-техническая мысль обгоняет фантазию литератора.

Источник