Бур для космического шахтера

Разговоры о добыче полезных ископаемых на астероидах и Луне звучат скорее как декорации к сюжетам Айзека Азимова, чем как серьезные планы ученых. Тем не менее, разработки в этой области ведутся, и редакция N + 1 совместно со специалистами из НИТУ «МИСиС» попыталась разобраться в тех сложностях, с которыми придется столкнуться будущим горнякам (роботам или людям) на Луне и астероидах, а также ответить на вопрос, как их можно будет решить.

Что именно можно (и имеет смысл) добывать на астероидах и других небесных телах? Ученые выделяют две категории ископаемых: первые можно будет использовать прямо на месте, вторые — транспортировать на Землю. К первой группе относятся, например, конструкционные материалы, и в особенности вода. С помощью электролиза ее можно разложить на водород и кислород, чтобы затем использовать их в качестве топлива для космических аппаратов и различного оборудования. Ко второй группе относятся редкие металлы и газы. Например, довольно часто упоминается гелий-3, который может оказаться ценным сырьем для будущей термоядерной энергетики. Конечно же, если она когда-нибудь появится на Земле.

Рентабельность разработки ископаемых обеих категорий определяется технической сложностью и стоимостью их добычи и транспортировки до места использования по сравнению с земными аналогами — примерно теми же принципами руководствуются и при разработке земных месторождений. Так, заранее понятно, что доставлять сотни тонн топлива за пределы Земли — сложная и чрезвычайно дорогостоящая затея. Скорее всего, для работы станции, например на Луне, потребуется какое-то местное топливо. Но если добыча этого топлива даст определенный эффект, то будет ли рентабельна добыча ископаемых второй категории, пока никто не знает. Некоторые оценки указывают, что добыча металлов платиновой группы покроет убытки, но и это вызывает немало вопросов.

Уже сейчас существуют две сравнительно крупные частные компании, планирующие разведку, а в будущем и добычу полезных ископаемых на астероидах. Первой о своих планах заявила Planetary Resources, возглавляемая Эриком Андерсоном, который занимался бизнесом в области космического туризма (его компания Space Adventures организовывала полеты на МКС всех космических туристов). Cооснователями первой космической горнодобывающей компании стали такие далекие от космической отрасли люди, как Джеймс Кэмерон и Ларри Пейдж. В 2012 году компания обещала, что к 2020 году создаст первый космический «склад горючего». На сегодня ей удалось запустить два пробных околоземных спутника-телескопа, предназначенных для демонстрации технологии разведки.

Второй крупный игрок — Deep Space Industries, также частная американская компания, пользующаяся поддержкой правительства Люксембурга. О своих планах DSI заявила в 2013 году, через год после Planetary Resources. Компания надеется начать активную добычу ценных металлов и воды уже к 2023 году. Сегодня первый спутник-прототип — Prospector-X — лишь ожидает старта.

Стоит сразу отметить, что технологии по забору материала с астероидов и комет уже существуют, правда, их совершенно точно нельзя назвать эффективными. Среди миссий по доставке образцов внеземного вещества можно выделить Stardust (несколько миллионов частичек из хвоста кометы) и «Хаябуса» (несколько частичек с поверхности астероида Итокава). Массовая добыча ископаемых подобными методами невозможна, они попросту не масштабируемы.

Немногим лучше обстоит дело с отработкой посадки на поверхность небольших небесных тел: в 2001 году аппарат NEAR Shoemaker стал первым зондом, совершившим мягкую посадку на астероид (Эрос), а в 2014 году на комету Чурюмова—Герасименко сел аппарат «Филы». Правда, посадка прошла не вполне удачно.

Но предположим, каким-то образом мы подготовили к запуску в космос автоматизированную станцию для добычи ископаемых, благо у нас теперь есть новая тяжелая ракета-носитель (спасибо, Илон). С какими проблемами столкнется космошахтер дальше? Рассмотрим их по порядку.

Куда лететь?

Уже на этапе выбора потенциальной цели возникают сложности. Заранее определить, какие полезные ископаемые и в каком количестве имеются на том или ином астероиде, чрезвычайно сложно. В арсенале астрономов, по сути, имеются только спектроскопические исследования с помощью земных и околоземных телескопов. Но они показывают лишь, как поверхность астероида отражает свет. Это позволяет делать некоторые предположения, например о преобладании металлов на каких-то астероидах — они сильнее «блестят» по сравнению с другими. Но чтобы делать конкретные предсказания по химическому составу и содержанию ископаемых, нам не хватает статистики.

Поэтому так важны миссии к астероидам, и поэтому планы как Planetary Resources, так и Deep Space Industries начинаются именно с подготовки флота небольших спутников-разведчиков. Важную роль в сборе данных сыграют и миссии OSIRIS-REx и «Хаябуса-2», направившиеся к углистым хондритам Бенну и Рюгу за образцами грунта.

Однако самые большие сложности у космических шахтеров возникнут тогда, когда они приступят к добыче полезных ископаемых на небесных телах. Уже сейчас горные инженеры разрабатывают соответствующие технологии — этим занимаются в NASA, свои проекты есть у Научно-образовательного центра «Инновационные горные технологии», который был учрежден в 2005 году Горным институтом НИТУ «МИСиС» совместно с Институтом проблем комплексного освоения недр РАН при участии структур Росатома.

Что делать с низкой гравитацией?

Казалось бы, большой вес руды — это скорее проблема шахтеров на Земле, где необходимы массивные установки, мощные манипуляторы и большое количество взрывчатки для горных работ. Но, попав на Луну, почти вся существующая техника окажется в шесть раз менее эффективной. Академик Николай Мельников, директор Горного института Кольского научного центра РАН, отметил на круглом столе в НИТУ «МИСиС», что осевое давление в буровом станке, к примеру, скорее приведет к тому, что приподнимется сам станок, чем пойдет бурение, а экскаватор будет отъезжать от забоя из-за большого напорного усилия.

Но у этой проблемы есть сравнительно простое решение — анкерные крепления для горнодобывающего оборудования. Впрочем, вопрос крепления к реголиту все-таки не так прост, о механических свойствах этого материала мы знаем не так много.

Специалисты NASA разрабатывают технологии, способные обеспечить сцепление при любой гравитации

Как не дать оборудованию износиться раньше времени?

Внеземным шахтерам предстоит столкнуться с реголитом — мелкодисперсным материалом с хорошими абразивными свойствами, особенно если говорить про лунный реголит. Это означает, что любое оборудование типа буровых установок будет быстро изнашиваться, а заменить бур на Луне не так-то просто.

Поэтому работа с реголитом потребует нестандартной техники забора грунта. Здесь может сыграть положительную роль то, что этот материал несет на себе электрический заряд: лунная пыль многие тысячи лет бомбардировалась заряженными частицами солнечного ветра, что привело к накоплению заряда. Значит, грунт можно будет собирать с помощью электрических полей.

«Заряженные частицы лунного грунта хорошо прилипают ко всему, — рассказывает Анна Плотникова, сотрудник Горного института НИТУ «МИСиС». — Можно представить себе робота, типа крота, который всасывает в себя грунт как пылесос. Но из-за этого прилипания нужно как-то продумать заборное отверстие, чтобы оно не забивалось».

Для того чтобы создавать устройства, способные работать на Луне и других небесных телах, сотрудники Горного института «МИСиС» создали аппарат для производства реголита, чтобы проводить практические испытания внеземных горных машин. Это плазменная установка, которая позволяет создать аналог лунного реголита из земных составляющих.

Как быть без атмосферы?

Если мы говорим о роботизированных системах добычи, то отсутствие воздуха на Луне или астероиде поначалу выглядит как плюс: меньше причин для коррозии металлических деталей. Но и тут не все просто. Предположим, лунный шахтер занимается добычей воды, которой в реголите и так немного. В земной атмосфере вода легко конденсируется и в широких температурных пределах остается жидкой или твердой. В условиях Луны вода будет легко сублимироваться и улетать при малейшем нагреве — сублимация возможна при температуре минус 160 градусов Цельсия. А значит, большинство активных механических методов типа бурения приведут к потере драгоценного топлива.

Чтобы избежать этого, разрабатываются техники холодного бурения, при которых значительного нагрева бура и грунта не происходит.

Анна Плотникова и ее коллеги разработали способ менять конфигурацию наконечника бура с помощью магнитных полей, что позволяет значительно сократить трение и, следовательно, нагрев.

А в 2016 году была успешно отработана методика извлечения воды путем нагрева грунта (точнее, имитации реголита) для аппаратов в форм-факторе CubeSat. В качестве средства забора грунта выступает полый конус с большим количеством отверстий. На поверхности конуса размещены нагревательные элементы, способные высвобождать даже химически связанную воду (в виде кристаллогидратов и гидроксидов).

Другой важный аспект — в вакууме сложно отводить тепло от нагревающихся приборов (на Земле с этим хорошо справляется воздух посредством прямой теплопередачи). Впрочем, с этой проблемой инженеры уже научились справляться для космических аппаратов. Лишнее тепло в этом случае уходит в форме излучения.

Как концентрировать собранное?

Внеземные полезные ископаемые второй категории, требующие транспортировки, совершенно точно ни к чему перевозить на Землю (или околоземную орбиту) в виде руды. Зачем тратить добытое с большим трудом топливо на доставку обыкновенных силикатов наряду с металлами платиновой группы? Поэтому внеземной комплекс для добычи ископаемых должен сразу включать в себя отдельную линию по концентрированию добытого.

Один из существующих подходов к решению этой задачи заключается в испарении и последующей очистке руды с помощью метода «флеш-металлургии». Испарив руду и получив плазму, — «облако» ионизованных атомов, — ее можно разделить с помощью магнитного поля, чтобы извлечь только необходимые вещества. Хотя этот процесс требует большого количества электроэнергии (возможно, тут помогут солнечные батареи), он позволяет в конечном итоге получить очень чистые металлы.

Интересно, что Deep Space Industries предполагает использовать при добыче еще более сложную версию этого метода концентрирования. В ранних сообщениях о планах компании говорилось об использовании испарения металлов для 3D-печати запчастей и деталей прямо на астероиде или Луне.

Следует отметить, что в лунном грунте содержится большое количество магнитных материалов, например минерала ильменита, титаната железа. А значит, при работе с ним можно использовать уже известные техники магнитной сепарации.

А это вообще законно?

Еще один важный вопрос: легальна ли вообще добыча ископаемых в космосе? В договоре о космосе 1967 года (точнее, о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела) однозначно указано, что космическое пространство не может быть национализировано — ни путем оккупации, ни как-либо иначе. Но про коммерческое использование космоса в нем не сказано ни слова.

Возможно, в космосе реализуется ситуация с добычей рыбы в море — открытое море ничье и ловить в нем рыбу можно всем. Сейчас правовая регуляция добычи природных ресурсов на астероидах и Луне существует лишь в двух странах — в США и Люксембурге. Она обходит вопрос принадлежности небесных тел и их частей следующим образом.

На этапе добычи территория небесного тела и само небесное тело не принадлежат компании, как и ценные ресурсы, которые есть на нем. Право собственности на добытое возникает лишь после того, как ценный ресурс был непосредственно получен. Единственное существенное различие между законодательствами Люксембурга и США состоит в том, что американские правовые нормы распространяются лишь на компании, базирующиеся в США. Люксембургское законодательство распространяется и на компании, у которых просто есть офис в Люксембурге.

Как отметил Валентин Уваров, экс-директор департамента Объединенной ракетно-космической корпорации, сейчас в России создается экспертная группа по правовым вопросам космической деятельности. Она будет работать при Совете по космосу Российской академии наук.

По договору 1967 года «все станции, установки, оборудование и космические корабли на Луне и на других небесных телах открыты для представителей других государств». Поэтому будущие внеземные шахты будут открыты для посещения, если, конечно, кто-то соберется лететь ради такой «экскурсии» на Луну или астероид.

Есть в международном соглашении еще один пункт, который может повлиять на работу будущих космических старателей. «Участники Договора осуществляют изучение и исследование космического пространства, включая Луну и другие небесные тела, таким образом, чтобы избегать их вредного загрязнения, а также неблагоприятных изменений земной среды вследствие доставки внеземного вещества». Но будем надеяться на то, что разработка астероидов будет вестись «чистыми» способами.

Когда полетят первые робошахтеры?

Эксперты неоднократно называли самые разные сроки. Упомянутые выше Planetary Resources и DSI планировали приступить к добыче полезных ископаемых уже в 2020-х годах. Кроме того, сейчас появляются первые компании-конкуренты, например Aten Engineering, возглавляемая бывшим сотрудником NASA и главой отдела Центра малых планет по стратегиям и инновациям Хосе Луи Галаше. Галаше считает, что первые попытки извлечения ресурсов из астероидов произойдут в ближайшие 10-20 лет, а космическая добывающая промышленность начнет развиваться через 20-50 лет.

К добыче ресурсов на астероидах планирует присоединиться и Китай. Примерно полгода назад Китайская аэрокосмическая научно-техническая корпорация заявила о планах начать разработку астероидов к 2040 году. Правда, в данном случае действительно могут возникнуть правовые препятствия: если все вышеперечисленные проекты намечены и осуществляются частными компаниями, то появление у них конкурента в лице государственной корпорации может быть расценено как попытка национализировать участок космоса.

Напоследок стоит заметить, что платиновые металлы за пределами Земли есть не только на астероидах. На околоземной орбите находятся тысячи единиц космического мусора — вышедшие из строя спутники, ступени ракет-носителей и обломки, возникшие в результате столкновений. Сегодня разрабатывается множество проектов по сбору всего этого добра, поэтому вполне возможно, что первыми ценными ресурсами, доставленными на Землю из космоса, окажутся наши же земные золото, иридий и осмий.

Владимир Королёв