Одна из наиболее часто обсуждаемых проблем, возникающих в начале пути освоения космоса, - как доставить с Земли ресурсы, необходимые для жизни. Обычно это две вещи - вода и кислород, но, к счастью, кислород можно получить путём расщепления молекулы воды, поэтому наиболее важным ресурсом, который мы можем найти в космосе, является вода. На языке космических ресурсов воду принято называть «летучим веществом», и именно она находится в центре внимания многих планов по использованию местных ресурсов на Луне, Марсе и в других местах. Некоторые из этих планов были хорошо продуманы, другие - нет. Один из них, в частности, продемонстрировал многообещающие перспективы, когда в 2019 году он был отобран в рамках финансирования Института перспективных концепций НАСА (NIAC), и здесь мы рассмотрим его более подробно.
Концепция, официально известная как «Термическая добыча льда на холодных телах Солнечной системы» (или просто «термическая добыча») - детище Джорджа Соуэрса, эксперта по космическим ресурсам и профессора машиностроения в Горной школе Колорадо. Концепция, лежащая в основе проекта, удивительно проста и знакома каждому, кто в детстве играл с увеличительным стеклом.
Если направить солнечный свет на определённую точку, сфокусировав его с помощью гигантского зеркала или другой технологии, то эта точка будет нагреваться. Если нагреть в вакууме лёд, то лёд сублимируется в водяной пар, и начнёт улетучиваться с нагреваемой поверхности. Этот водяной пар можно уловить с помощью холодной ловушки или аналогичного механизма, а затем собрать воду для использования в исследовательских целях, например, для питья, дыхания или даже для заправки ракет.
Итак, базовая архитектура системы термической добычи проста и состоит из трёх основных компонентов. Во-первых, это большое зеркало (так называемый гелиостат), которое направляет солнечный свет в определённую область на другом мире. Второй - гигантский тент, в котором собирается сублимированная вода, и третий - холодная ловушка/транспортная система, которая будет захватывать воду, когда она будет уходить с поверхности.
Однако его близость не меняет общей архитектуры - три основных компонента по-прежнему необходимы независимо от того, где находится место добычи. Поэтому третьей задачей команды доктора Соуэрса стало испытание разработанной архитектуры.
Они изготовили имитатор лунного реголита и вручную нарезали кусочки льда, которые затем превратили в шарики и смешали с реголитом. Вариант этой смеси с различной концентрацией льда помещался в вакуумную камеру, охлаждаемую ванной с жидким азотом. Затем подали тепло от лампы, имитирующей перенаправленный солнечный свет, измерили потерю массы образца и по ней рассчитали количество сублимированной воды.
При выполнении этих экспериментов они столкнулись с двумя интересными проблемами: одна из них связана с испытательной установкой, а другая может помешать реальному использованию на Луне.
Испытательная установка команды учёных была сравнительно небольшой, а система охлаждения жидким азотом располагалась относительно близко к образцу, который должен был сублимироваться. Таким образом, большая часть тепла от лампы, которая должна была нагревать образец, нагревала жидкий азот, который действовал как теплоотвод. На Луне этого не произошло бы, поскольку все тело настолько холодное, что под образцом нет теплопроводного материала, который поглощал бы большую часть энергии, предназначенной для нагрева воды. Поэтому сейчас инженеры строят более просторную испытательную камеру, чтобы попытаться ограничить влияние этой проблемы на эксперименты.
Однако другая проблема гораздо серьёзнее - за относительно короткое время при термическом способе добычи на верхней части реголита образуется высохший слой, который служит тепловым барьером для воды, которая может скрываться на большей глубине. Мало того, что к нижним уровням реголита поступает меньше тепла, так ещё и высохший слой, по сути, превращается в барьер для пара, что делает практически невозможным сублимацию воды и её последующее накопление в холодных ловушках.
Такие трудности, конечно, не являются непреодолимыми, и, пожалуй, один из наиболее важных аспектов отчёта показывает, почему их действительно можно преодолеть, - это экономическое обоснование. По оценкам команды д-ра Соуэра, общая стоимость разработки достаточно крупной термальной шахты в лунных кратерах вечной тени составляет около $800 млн и ещё $613 млн - стоимость продукции. Эксплуатационные расходы составят около $80 млн в год.
Эти затраты влекут за собой весьма значительные выгоды, особенно если удастся сэкономить на доставке воды с Земли на ранние стадии лунного производства. По расчётам авторов доклада, внутренняя норма прибыли (показатель рентабельности проекта) составит примерно 8%, если операторы системы будут продавать её исключительно коммерческим источникам (т.е. тем, которые пытаются вести на Луне другую экономическую деятельность). Это несколько ниже приемлемого инвестиционного уровня по мнению многих финансистов, особенно для заведомо рискованного проекта. Однако предположим, что заказчиками лунных операций станут NASA или другие национальные космические агентства. В этом случае внутренняя норма прибыли возрастает до ~16%, что значительно ближе к тому уровню, который может заинтересовать финансистов.
Д-р Соуэрс признает, что бизнес-обоснование - одна из самых рискованных частей предложения, поскольку оно требует наличия спроса, которого в настоящее время не существует, так как на Луне практически нет операций, требующих использования воды. Благодаря появлению миссий «Артемида» от НАСА ситуация изменится в ближайшее десятилетие, но неясно, будет ли на эту технологию достаточный спрос, чтобы сделать её экономически жизнеспособной.
Существуют и другие риски, в том числе неопределённость в отношении общего количества и местоположения воды на Луне. В кратерах вечной тени она, несомненно, есть, но может оказаться, что вблизи поверхности, где её можно собрать с помощью термической добычи, её недостаточно для длительного обитания человека, и воду и другие «летучие вещества» придётся доставлять с Цереры или из других мест из пояса астероидов. Если это так, то все же можно утверждать, что технология термодобычи может быть полезной - просто она может оказаться нерентабельной.
Пока что вся система находится только на стадии планирования, технология не вышла на следующую фазу разработки, и неясно, какой прогресс был достигнут за последние несколько лет. Однако технология запатентована, и команда предлагает её для лицензирования на своём сайте передачи технологий. А по мере развития технологий в целом идея добычи полезных ископаемых на Луне будет становиться все более и более привлекательной. Так что есть все шансы, что эта технология в конце концов будет реализована, даже если это займёт некоторое время.
Комментарии (18)
Sun-ami
29.07.2023 15:08+1Как я уже давно и неоднократно писал, предлагая подобный метод добычи воды на Луне — нужен четвёртый элемент системы — тепловые трубки в скважинах с пластинами для сбора солнечного тепла на верхнем конце.
leha_gorbunov
29.07.2023 15:08Вот бы получать кислород из реголита(его же там много в составе) и ловить водород прилетающий от Солнца (вот у Меркурия вся атмосфера из солнечного водорода, правда улетает также быстро).
ViacheslavNk
29.07.2023 15:08Одна из наиболее часто обсуждаемых проблем, возникающих в начале пути освоения космоса, - как доставить с Земли ресурсы, необходимые для жизни.Разве это главная проблема на пути освоения космоса? Как мне водиться, с химическим двигателем освоение космоса человеком ограничиться “флажком” на Марсе и это будет большим достижением.
djek7
29.07.2023 15:08Ресурсы добытые в космосе выгодно использовать, тоже в космосе, но для этого нужно потребителей этих ресурсов поселить в космосе, что на первом этапе уже затратно.
ababich
29.07.2023 15:08Ресурсы добытые в космосе выгодно использовать, тоже в космосе, но для этого нужно потребителей этих ресурсов поселить в космосе, что на первом этапе уже затратно.
просто подростки (перечитавшие научной и ненаучной фантастики) и взрослые люди с ментальностью подростка в данном случае не понимают, что это замкнутый круг:
спрашиваешь, а зачем нам еще больше ресурсов (вне пределов Земли)?
отвечают : ну как зачем??? чтобы еще дальше продвинуться в "освоение" космоса!!!
а зачем дальше продвинуться в "освоение" космоса !!!?
ну как зачем?!
чтобы у нас было еще больше ресурсов
:))))
z250227725
Человек, который поставил минус статье, ты бы хоть комментарий с пояснением написал бы...
Politura
У статей из не-корпоративных блогов практически всегда так: появляется статься, ее сразу кто-то минусует. Потом выравнивается. Может и корпоративные блоги тоже отхватывают минуса, но это сразу выравнивается другими аккаунтами компании, поэтому со стороны не заметно, не знаю.
densss2
del
densss2
Судя по всему, у автора есть хейтеры, которые просто ставят ему минус автоматом. Заметил такую штуку: статья только появилась, а минусы уже кто-то поставил. У Ализара тоже такое замечал иногда.
ababich
я не ставил, честное слово :)))
я давно вырос из этого возраста, когда играются с лайками, кармами и прочим :))))
но прокомментировать могу :))))
в "начале пути освоения космоса" имеет смысл обсудить простые и основополагающие вещи ... после чего можно к этой теме не возвращаться
космос освоить не получится так как :
1)калорийность химических топлив очень мала, а других нет
2)белковая жизнь чрезвычайно хрупка... мы можем жить тут...но за пределами тропосферы мы долго не выдерживаем... а создать замкнутый биоценоз размером с Землю и на нем путешествовать не реально
3)что-то осваивать ради ресурсов- бессмысленно : производство (добыча) чего-либо за пределами Земли сильно нерентабельно по понятным причинам
4)переселиться миллиардам землян куда - либо не получится, а ради получения новых знаний,новых данных - никуда лететь не надо (даже на Марс) , это сейчас делают автоматы, у которых явное преимущество :
их не надо сильно защищать от космических факторов как в случае хрупких белковых тел
их не надо возвращать на Землю
из ресурсов им надо пару киловатт электричества (в отличие от белковых тел, которым надо много всего)
они возвращают на Землю результаты своих исследований в виде электромагнитных волн, что достаточно просто ...но грунт с Марса будет обязательно доставлен на Землю еще при нашей жизни
они уже сейчас могут десятилетиями колесить по Марсу (например) , а стоит такое не дорого, если сравнивать с пилотируемой космонавтикой
saboteur_kiev
Учитывая многоразовость современных ракет в США и Китае, добыча чего-либо в космосе не равна расселению миллиардов землян.
Вопрос о добыче полезных ископаемых на Луне, на Марсе или на астероидах - уже очевидно что прибыльна с точки зрения бизнеса. Не очень очевидно это случится сейчас, через 10 лет или через 100 лет, но это случится.
Можно предположить, что потребуются первоначальные вливания, чтобы поднять на орбиту достаточно материалов, и уже там сварганить большой перерабатывающий завод, который вполне может себе существовать на орбите, перерабатывать подтягиваемые к нему астероиды в более плотный полезными ресурсами материал и эффективно и дешево спускать его на землю причем доставлять в ближайший космопорт.
И развивать разведку астероидов, чтобы вытягивать максимально вкусные, например с германием.
Добыча в космосе, скорее всего, будет дело небыстрое, но не истощает запасов земли любой страны, то есть технически им может заниматься кто угодно, кто достиг космоса, а не только тот, кто территориально сидит на старых запасах нефти или никеля.
ababich
я этого не утверждал....хотя вообще не улавливаю связи :)))
так УЖЕ прибыльна? :))) или будет прибыльна ? :)))
вы про буксировку астероидов начитались в ненаучной или научной фантастике??? :))) к сожалению вы вообще не представляете, что из себя представляет эта задача с практической точки зрения (это не реально...хотя начинать можно с того, что это не нужно)
про астероиды с германием сами придумали? :)))
ViacheslavNk
Вопрос о добыче полезных ископаемых на Луне, на Марсе или на астероидах - уже очевидно что прибыльна с точки зрения бизнеса.Разве? Пока вообще не очевидно, скорее даже на оборот, пока не видно профита. Профит будет если на астероидах будет какой-то ресурс которого нет на Земле и невозможно синтезировать, тогда просто нет выбора, во всех остальных случаях добыча ресурсов на Земле дешевле.
но не истощает запасов земли любой страны, то есть технически им может заниматься кто угодно, кто достиг космоса, а не только тот, кто территориально сидит на старых запасах нефти или никеля.Но при этом нужно с Земли запустить космический аппарат/корабль, долететь до астероида, набрать руды, вернуться на Землю, отправить руду на перерабатывающий комбинат, без дополнительных ресурсов с Земли, причем на первый взгляд превышавших добычу ресурсов с астероида , этого сделать нельзя.
Построить перерабатывающий комбинат в космосе/на орбите, пока выглядит совсем фантастической задачей, на самом деле наша планета уникально не только тем что на ней зародилась жизнь, но и тем что на ней достаточно “легко” вести сложную технологическую деятельность. Вам нужно что-то нагреть без проблем есть топливо, есть окислитель в атмосфере, нужно что-то охладить так же есть атмосфера, вода, водоемы куда можно “сбрасывать тепло”, есть гравитация (очень полезная вещь в производстве) и пр.
Самое печальное если наше понимание мира практически полное (за исключением каких-то “граничных” случаев) и окажется, что самый эффективный способ перемещения в пространстве это использование реактивной тяги.
ababich
достаточно полное, для того , чтобы уразуметь, что скорость света с - это предельная скорость и законы сохранения - не обойти (вечный двигатель не создать) :)))
а зачем нам перемещаться? куда и зачем?
тут , похоже ,самое лучшее место во Вселенной :)))
просто подростки (перечитавшие научной и ненаучной фантастики) и взрослые люди с ментальностью подростка периодически осознают, что на Земле не все идеально и предлагают или всех переселить к другой звезде или в другую галактику (и там все начать с чистого листа... чтобы все быдо правильно) или транспортировать астероиды (им на Земле не хватает того, что тут есть у нас) :)))
ViacheslavNk
а зачем нам перемещаться? куда и зачем?Зачем - это наша “жажда” приключений, исследований, основание новой цивилизации и пр.
А вот куда, с текущими технологиям особо не куда, по близости нет планет похожих по условиям на Землю, а те что “доступны” Марс, Венера не особо располагают к массовой колонизации.
ababich
ну, не то, чтобы наша, но подростки и взрослые с ментальностью подростка, увы, экстраполируют (некорректно) земные реалии (экпансию человечества в пределах планеты) за пределы тропосферы :)))
ViacheslavNk
С этим ничего не поделаешь, даже миллиардеры могут впасть в “ментальность” подростка и размышлять о “эко-поселке” на Марсе. И будь у них/нас технологии и возможности, то такие “поселки” строили бы на Марсе и дефицита среди добровольцев тоже думаю бы не было. Но соглашусь, что если телепортация, всякие врап/сжатия пространства и пр так и останутся уделом фантастов, то на реактивный тяги экспансия в Космосе будет сильно ограничена.
Zerg89
Мы до сих пор влияния на землю луны точно расчитать не можем. Не говоря уже о влиянии на изменение этой системы. Может стоит хоть попытатся рассчитать изменения перед тем как предлагать изменения