Борис Шустов
Согласно самому мощному современному источнику знаний (а иногда и заблуждений) — Википедии — ресу́рс — это источник покрытия нужд, потребностей человечества. Человечество на протяжении своего существования использует различные ресурсы, важнейшими из которых являются энергия, сырье и продовольствие. По мере развития человечеству требуется все больше ресурсов, и за обладание ими происходит большинство социальных конфликтов, в том числе военных. Можно сказать, что двигателем истории является борьба за ресурсы. Особенно обостряются конфликты, когда каких-то ресурсов не хватает. Очевидно, что глобальная нехватка ресурсов, о которой в последнее время говорят и пишут все чаще, вызывает и глобальные напряженности. И все чаще в поисках ресурсных источников люди обращают свое внимание на безграничный космос. Какие же ресурсы там есть?
Как правило, представления людей о ресурсах ограничиваются списком, приведенным в предыдущем абзаце. Но поскольку одна из задач журнала «Знание — сила» — распространять научный, то есть критический и системный подход в познании окружающего нас мира (и самих себя), приведем некоторую довольно простую, хотя и вполне общую классификацию ресурсов, которую автор использует в лекциях.
Ресурсы можно классифицировать по видам следующим образом:
1. природные
• неисчерпаемые ресурсы
• исчерпаемые ресурсы
• возобновляемые ресурсы
• невозобновляемые ресурсы
2. экономические ресурсы (факторы производства)
3. временны́е ресурсы
4. информационные ресурсы
5. другие…
Космические ресурсы, конечно же, являются природными. Для удобства введем еще два понятия: ресурсный фактор и ресурсный источник. К ресурсным факторам относятся:
• энергия (электромагнитная, гравитационная и так далее),
• вещество (сырье, строительный материал, защита и так далее),
• пространство,
• другое…
В Солнечной системе к ресурсным источникам относятся:
• Солнце,
• околоземное космическое пространство (ОКП),
• Луна, планеты, астероиды, кометы, межпланетная пыль.
Как правило, когда обсуждают космические ресурсы, то прежде всего имеют в виду источники минерального сырья. В последнее время проблема нехватки земных минеральных ресурсов стала одной из самых часто обсуждаемых. Например, активно обсуждают надвигающуюся нехватку некоторых металлов, в частности, редкоземельных. Объемы рынка редкоземельных элементов за последние 50 лет увеличились с 5 до 125 тысяч тонн в год. Это объясняется их применением в быстроразвивающихся областях промышленности, связанных с производством гибридных автомобилей, оборонной техники, компьютерной и телевизионной техники, лазеров, сверхпроводников и прочей наукоемкой продукции (производство магнитов — 22%; высококачественная оптика и стекло — 15%; катализаторы — 18%; конструкционные материалы — 19%; прочее — 26%). Сплавы с редкоземельными металлами широко используются в военно-промышленной и авиационно-космической отраслях и поэтому считаются стратегическим сырьем. Любое технически сложное изделие или электронный прибор содержит в себе миллиграммы редкоземельных металлов, а также лития, платины, золота и других. Но поскольку электронные приборы производятся в массовом масштабе, то запасы некоторых из этих металлов быстро истощаются.
На рисунке, взятом с сайта Европейского химического общества, в оригинальной форме представлены данные о содержании 90 естественных химических элементов, из которых состоит все вокруг (другие элементы получаются в лабораториях в микроскопических количествах). Прямоугольниками отмечены элементы, используемые при производстве смартфонов. Тонами серого цвета показано ресурсное состояние: средне-серый означает, что запасов хватит надолго, чуть более светлый — запасы пока есть, серый с точками — риск истощения повышен из-за нарастающих темпов использования, темно-серый — серьезная угроза истощения в ближайшее столетие. Черным цветом отмечены элементы, добыча которых сопряжена с большим риском, поскольку их запасы находятся в зонах военных конфликтов.
Более конкретные оценки приведены в таблице, составленной по данным Геологической службы США.
На этом рисунке приведены оценки (в годах) сроков истощения указанных элементов, полученные делением объема разведанных запасов элементов на современный темп их потребления, и даты потенциального истощения. Эти данные представляют «худший сценарий», так как не учитывают рост запасов при открытии новых месторождений и не включают данные о запасах во временно заброшенных (по условиям экономической конъюнктуры) месторождениях. Тем не менее, вывод «готовься к худшему» представляется предусмотрительной стратегией. Готовиться — значит искать другие источники ресурсов и не только на Земле, но и в космосе.
Каждый из вышеперечисленных (и многих неупомянутых нами) видов космических ресурсов чрезвычайно интересен и важен и уж точно заслуживает отдельной статьи в журнале «Знание — сила», но мы ограничимся одной проблемой — проблемой использования астероидов и комет.
О ресурсах малых тел Солнечной системы
Малые тела (астероиды, кометы) могут представлять различные ресурсные возможности. Например, для дальних путешествий людей по Солнечной системе, когда критическую роль играет радиационная безопасность, можно попытаться найти астероиды или кометы, движущиеся в направлении, близком к нужному. Понятно, что выигрыша в затратах ракетного топлива не получится, так как космический корабль должен выровнять скорость с астероидом, но астероид можно использовать как убежище, защищающее от вредного воздействия радиации в течение многих лет. Для этого достаточно заглубиться в астероид на небольшую глубину порядка 1–2 метров.
Как показал ход истории, наша замечательная, считающая себя высшей форма жизни, сиречь человечество, может любой ресурс (или его нехватку) превратить в оружие. Да, и астероиды могут быть оружием, но пока что, слава разуму, оружия, направленного не против других людей, а против других астероидов и комет. Речь, конечно, идет об астероидно-кометной опасности. Коллеги из ИКИ РАН разрабатывают оригинальный метод изменения траекторий опасных астероидов, орбиты которых известны за несколько лет до возможного столкновения с Землей. Этот метод — изменение орбиты опасного для Земли астероида путем попадания в него другого, меньшего во много раз по размеру, астероида-снаряда. Собственно, идея так называемого «космического биллиарда» обсуждается уже более 30‑ти лет. При этом удар по опасному небесному телу (мишени) осуществляется управляемым небольшим астероидом-снарядом, для управления которым предлагается использовать ракетный двигатель небольшой мощности. Эта идея, впрочем, крайне трудно реализуема. Ведь для того, чтобы изменить траекторию даже небольшого по космическим меркам астероида c целью его наведения на астероид-мишень, требуются огромные затраты топлива (рабочего тела), которые оцениваются как нереальные для современной ракетной техники. Суть же предлагаемого коллегами из ИКИ РАН способа состоит в использовании гравитационного маневра около Земли для того, чтобы направить относительно небольшой астероид-снаряд (размером до 10–15 метров) на астероид-мишень. Управление ударником состоит в заблаговременном сообщении малому астероиду-снаряду относительно малого приращения скорости 3–15 метров в секунду. После этого малый астероид пролетает около Земли, совершая гравитационный маневр, эквивалентный сообщению астероиду скорости до 7 километров в секунду. Данная концепция проиллюстрирована на рисунке.
И все же главное ресурсное использование астероидов — добыча полезных ископаемых. У астероидов есть определенные преимущества перед Луной. Главное из них в том, что существуют астероиды — готовые концентраты ценнейших полезных ископаемых. Собственно, и на Луне-то основным ожидаемым минеральным ресурсом (кроме воды) является обогащенное металлами вещество когда-то разбившихся о Луну астероидов. Но ценные астероиды в межпланетном пространстве еще надо найти. Астероиды — ведь тела очень разного состава, что связано с их происхождением и возможной переработкой вещества астероидов в первичных относительно крупных телах (планетезималях) на ранних этапах образования и эволюции Солнечной системы.
Как же узнать — из чего состоит астероид? Один из методов: рано или поздно небольшие тела — метеороиды (чаще всего фрагменты более крупных тел — астероидов и ядер комет) сталкиваются с Землей, выпадают на планету в виде метеоритов, и тогда появляется возможность исследовать химический состав метеорита. Но метеорит — это лишь часть астероида и чаше всего непонятно, какого? Лучше всего прилететь к астероиду и изучить его на месте. Это возможный, но очень уж дорогой путь. В настоящее время основным (массовым) способом исследования астероидов считаются астрономические методы — фотометрия и спектроскопия в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Эти методы позволяют разложить солнечный свет, отраженный от астероида, на составляющие, построить спектральную кривую отраженного излучения, и, таким образом, определить состав внешних слоев астероида. Во многих научных центрах мира, в том числе и в Институте астрономии РАН и ГАИШ МГУ имени М. В. Ломоносова на протяжении многих лет идет работа по определению спектральных классов астероидов.
По результатам исследований вещество астероидов можно разделить на три широких класса:
— примитивное (первичное) вещество протопланетного диска;
— вещество, претерпевшее нагрев до нескольких сотен градусов и претерпевшее некоторые изменения;
— дифференцированное вещество, подвергшееся полному или частичному плавлению, которое привело к разделению его на фракции.
В структуре Главного пояса астероидов (ГПА) четко прослеживается следующая закономерность:
• астероиды, состоящие из примитивного вещества, располагаются на окраине ГПА. Это в основном углеродсодержащие астероиды, они составляют примерно 75% популяции астероидов ГПА. Эти астероиды относительно богаты водой.
• астероиды, состоящие из наиболее дифференцированного вещества, располагаются ближе к Солнцу, во внутренней области Главного пояса. Это, в основном, силикатные астероиды (они составляют 15% популяции и состоят из силикатных соединений железа и магния) и так называемые железные астероиды, которые составляют 10% популяции. Железные астероиды богаты железом, никелем, металлами платиновой группы и так далее.
Каждый класс можно разделить на несколько подклассов в зависимости от спектральных характеристик астероидов.
В Главном поясе можно найти астероиды «на все вкусы». Но затраты на то, чтобы достичь их, очень велики. Поэтому наибольшее внимание уделяется особому классу астероидов, так называемым астероидам, сближающимся с Землей (АСЗ). На сайте NASA в разделе «Доступные астероиды» приводится таблица достижимости приблизительно 2000 астероидов, сближающихся с Землей. Топлива для достижения таких тел нужно гораздо меньше, чем для астероидов Главного пояса.
Распределение АСЗ по составу заметно отличается от распределения астероидов Главного пояса. Среди АСЗ преобладают астероиды с наиболее дифференцированным веществом. Это отличие от астероидов ГПА объясняется механизмом их миграции в околоземное пространство, куда чаще попадают тела из внутренней области Главного пояса астероидов. Среди АСЗ, согласно проведенным исследованиям, в основном присутствуют силикатные и железные астероиды (с высоким содержанием металлов). Углеродсодержащих астероидов относительно меньше (уже не 75%, а только 30%). Отметим, что общее количество АСЗ размером от 30 метров и более оценивается в 800 тысяч, но состав определен только для нескольких тысяч объектов. К тому же из дистанционных наблюдений нам известен только состав поверхностного слоя.
В контексте ресурсов наиболее важно знать содержание ценных элементов в веществе астероидов. Оказывается, что определенных элементов, например, металлов, в метеоритах — «посланниках» астероидов, в процентном соотношении существенно больше, чем в земной коре.
Поэтому вполне закономерно встает вопрос о добыче полезных ископаемых на астероидах. Например, металлические астероиды могут состоять на 0,01% из золота и платины. Это очень много. Элементы группы платиноидов (благородные металлы: платина, золото, серебро, рутений, родий, палладий, осмий, рубидий) настолько ценны для промышленности, что их уже в близком будущем может стать выгоднее «импортировать» из космоса. А при современных ценах на редкоземельные элементы один небольшой астероид диаметром 200 метров и массой 32 миллиона тонн может стоить многие сотни миллиардов долларов. Важно, что довольно многие астероиды достижимы с современными средствами космической техники. К тому же на астероидах сила гравитации невелика, что позволяет легче транспортировать с них добытые материалы.
Но не только металлы интересны как объект добычи. Вода может оказаться наиболее важными космическим ресурсом, необходимым для дальнейшего продвижения человечества в просторы космоса. Вода в космосе — критически важный ресурс, ее можно использовать для нужд будущих космических поселений. Человеку для жизнедеятельности необходимо очень много воды. Доставка больших объемов воды с Земли — дорогое занятие. Может оказаться выгоднее снабжение водой непосредственно из космоса, если затраты на транспортировку одного литра воды с одного из астероидов на космическую станцию будут намного меньше, чем затраты на доставку литра воды с поверхности Земли. Кислород и водород из воды можно использовать как компоненты топлива для двигателей космических аппаратов будущего. Хранилища такого топлива можно создавать прямо на орбите астероида.
Конечно, полагаться только на дистанционные методы анализа состава астероидов неразумно. Проекты по добыче полезных ископаемых на астероидах весьма дорогостоящие и нужно заранее убедиться, что «игра стоит свеч». Рассматривается такой алгоритм — сначала по результатам дистанционных исследований отбираются наиболее интересные астероиды. Затем в большинстве проектов будущего освоения астероидов предполагается предварительное исследование объекта добычи с помощью межпланетных аппаратов. Чтобы отправить исследовательский аппарат к астероиду, надо знать точные параметры орбиты астероида. Как можно с высокой точностью определить орбиту? Долговременные наземные наблюдения (например, измерения, полученные более чем на двух оборотах астероида вокруг Солнца) позволяют спрогнозировать положение астероида с точностью существенно лучше 1000 километров и направить космический аппарат для встречи с астероидом. На заключительном этапе перелета необходимо будет воспользоваться системой навигации самого КА с использованием его камер. Эта технология прекрасно отработана в недавних космических миссиях — японских «Хаябуса» (к астероиду Итокава) и «Хаябуса‑2» (к астероиду Рюгу) и американской «Озирис-Рекс» (к астероиду Бенну). Кстати, все эти астероиды являются астероидами, сближающимися с Землей.
Ядра комет также представляют интерес как источники воды и газов, находящихся в твердом состоянии (льды). Но основная проблема в использовании комет состоит в том, что скорости движения комет относительно Земли по сравнению с астероидами велики и в окрестности Земли могут достигать 72 километров в секунду, поэтому подавляющее большинство комет труднодостижимо.
Помимо добычи материалов на астероидах и их транспортировки на Землю, еще одной идеей, над которой бьются ученые и инженеры, стал захват и перемещение астероидов целиком поближе к Земле с помощью космических аппаратов. Примером проекта по захвату астероида может служить американский проект «ARM» (AsteroidRetrievalMisson — миссия по доставке астероида). При прежнем президенте США, г‑не Обаме, этот проект развивался весьма интенсивно, и запуск соответствующего КА предполагался в начале 2020‑х годов. Следующий президент, г‑н Трамп, закрыл эту программу по политическим соображениям, но политические условия имеют свойства меняться.
Сейчас мы становимся свидетелями того, как зарождается новая отрасль промышленности — разведка, добыча и переработка полезных ископаемых на астероидах. Заинтересованные стороны предпринимают попытки изменить национальные законодательства и международные законы о космосе, чтобы присвоить себе первоочередное право добычи полезных ископаемых. Например, в конгрессе США, в нарушение международного Договора о космосе (Договор о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела) 1967 года, в 2015 году был принят законопроект «Об исследовании и использовании ресурсов космоса», разрешающий частным компаниям добывать полезные ископаемые на астероидах. «Любые астероидные ресурсы, полученные в открытом космосе, являются собственностью лица, получившего такие ресурсы, вместе со всеми причитающимися правами, предусмотренными положениями Федерального закона и существующими международными обязательствами», — гласит законопроект. По данным интернета (Wikipedia.org), уже девять компаний в мире провозгласили своей бизнес-идеей — освоение космических ресурсов. Гонка, получившая в США название новой золотой лихорадки, уже началась, только сейчас это гонка за межпланетными ресурсами.
Шустов Борис Михайлович, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, Институт астрономии РАН.
