УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

БАЛАШОВСКОГО МУНИЦИПАЛЬНОГО  РАЙОНА

Открытая муниципальная

научно практическая конференция

«МОЯ ФИЗИКА»

«Добыча полезных ископаемых в космосе»

Номинация: «Физика в исследованиях»

Возрастная группа: 7-9 классы

Автор работы: Корниенко Сергей, школа им. В.П.Сергеева с. Родничок,9 класс

Руководитель работы: Корниенко Алексей Васильевич, учитель физики.

Балашов -2018

С ростом потребления полезных ископаемых и истощением их запасов на Земле человечеству, видимо, неизбежно придётся начать добывать ресурсы в космосе. Мы попросили Стива Картера из французской компании Dassault Systèmes GEOVIA, которая занимается разработкой решений в том числе и в этой почти фантастической отрасли, рассказать, с какими вопросами придётся столкнуться землянам, чтобы обеспечить себя ресурсами с других планет, их спутников и даже Солнца.

В конце января 2013 года стало известно, что в США образована компания Deep Space Industries, которая займется добычей полезных ископаемых на астероидах. Хотя, пожалуй, правильнее будет сказать, что компания будет заниматься добычей самих астероидов — их планируется опускать на Землю целиком и обрабатывать уже здесь.

 В настоящий момент, ракеты, которые отправляются в открытый космос, используют жидкое топливо и сжиженный кислород. Они занимают значительное пространство и массу в запускаемом аппарате. Из-за этой проблемы доставка ресурсов с астероида могут стоить в разы  дороже,  чем добытые на Земле.

Прежде чем говорить о перспективах космических разработок, следует разобраться, что же все-таки можно добывать в космосе. Наиболее лакомым куском представляются астероиды класса М — третьего по распространенности в Солнечной системе. Дело в том, что многие (хотя и далеко не все) астероиды этого класса состоят из сплава никеля и железа. Довольно часто это просто огромные куски сплава, почти без примесей. Ученые полагают, что они образовались в результате разрушения железных ядер крупных астероидов и протопланет, сформировавшихся на заре развития Солнечной системы. Крупнейший из астероидов такого типа — 16 Психея. Его диаметр составляет около 100 километров, и он почти полностью состоит из металла (по оценкам ученых, масса астероида составляет один процент от массы всего главного пояса астероидов, где он и располагается). Главное достоинство астероидов класса М — высокое, по сравнению с земным, содержание никеля в сплаве.

Правда, как уже говорилось выше, далеко не все астероиды такого класса сплошь металлические — есть и исключения. Например, астероид 21 Лютеция (линейные размеры, напомним,132 на 101 на 76 километров), недавно произведенный в ранг планетезималей, тоже формально относится к классу М . Однако доказательств существования металла на его поверхности не наблюдается. Измерения, проведенные европейским аппаратом «Розетта» в 2011 году, показали, что средняя плотность астероида заметно больше средней плотности каменных астероидов. Вместе с тем точный состав небесного тела до сих пор остается загадкой. Это связано еще и с тем, что поверхность астероида покрыта толстым — до 600 метров в некоторых местах — слоем пыли, мешающей спектральному анализу.

Другой класс астероидов, который может заинтересовать будущих космических шахтеров — это тип S. Они составляют примерно 17 процентов от всей популяции астероидов в поясе астероидов и состоят преимущественно из силикатов магния и железа. По мнению ученых, такие астероиды могут содержать залежи — уже, правда, в виде жил — железа, никеля, магния и прочих металлов. Помимо этого, специалисты утверждают, что на астероидах вполне могут быть месторождения платины, магния, золота и множества других металлов, а также воды.

Надо понимать, что речь идет о колоссальных по современным меркам числах. По оценкам специалистов NASA, если разделить полезные ископаемые в поясе астероидов среди всех жителей земли поровну, то каждому достанется, в пересчете на современные цены, состояние в 100 миллиардов долларов. Типичный астероид класса M диаметром порядка километра содержит (по подсчетам планетолога Джона Левиса) 30 миллионов тонн никеля, 1,5 миллиона тонн кобальта и 7,5 тысячи тонн платины. Стоимость только последней составляет около 150 миллиардов долларов. Считается, что в Солнечной системе таких астероидов может быть до миллиона штук — в качестве примера можно привести 3554 Амон, стоимость которого была оценена в 20 триллионов долларов. Как же добыть это невероятное богатство?

Первое упоминание о добыче полезных ископаемых на астероидах из астероидного пояса относится к 1898 году, когда на свет появился роман «Эдисоновское завоевание Марса» — продолжение «Войны миров» Герберта Уэллса (фанфик, как сказали бы сейчас), написанное американским фантастом и популяризатором науки Гарретом Севиссом. Сложно сказать, когда эта концепция перешла из разряда фантастических в перспективные, но в 1970-х годах NASA уже рассматривало проекты, которые подразумевали выведение на орбиту вокруг астероида рабочей станции с последующей посадкой на небесное тело и выводом последнего на орбиту Луны (изначально, правда, исключительно для исследовательских целей).

В рамках этого метода для перетягивания астероида в удобное для разработки место подходят способы, схожие с теми, которые предполагается использовать для защиты Земли от астероидной опасности. Например, это можно сделать при помощи космического буксира, который может как цепляться напрямую к самому небесному телу, так и работать на орбите, возмущая траекторию астероида своим притяжением (это так называемые гравитационные буксиры). Еще один метод, снискавший широкую известность на ниве потенциальной борьбы с Апофисом, — изменение альбедо, то есть отражающей способности. Сделать это можно при помощи обычной краски или светоотражающей пленки (если покрыть ею астероид или его часть). Остальное, при правильно выполненных расчетах, конечно, доделает эффект Ярковского-О’Кифа-Радзиевского-Пэддэка, который заключается в изменении скорости вращения тела из-за неравномерного нагрева его поверхности Солнцем. Говорят, что именно такого рода методы рассматривали в свое время советские специалисты.

Другой подход — это создание фабрики по добыче полезных ископаемых непосредственно на астероиде. Учитывая, что некоторые астероиды в одноименном поясе содержат воду, причем в довольно большом количестве (до 20 процентов от массы глин в астероидах класса C, по мнению все того же Джона Левиса), то потенциально можно рассматривать вариант строительства добывающих — и, возможно, перерабатывающих — фабрик прямо в космосе. Впрочем, подобную схему пока сложно представить без участия человека. Чтобы добыча ресурсов на астероидах была прибыльной, они должны содержать максимальное количество ценных металлов и минералов (в идеале полностью состоять из них). Отследить такие астероиды весьма проблематично, так как они находятся на значительных расстояниях от Земли и обнаружить с помощью обыкновенного металлоискателя у вас не выйдет. На данный момент существует методика определения состава астероидов по спектральной характеристике, которая имеет небольшую точность.

Нет ничего удивительного в том, что с таким списком участников презентация компании привлекла внимание прессы и людей по всему миру. Впрочем, во время самой презентации о самом проекте было рассказано довольно скупо. Так, основатели Planetary Resources говорили, что их первыми целями станут так называемые околоземные объекты — астероиды, чья траектория движения в Солнечной системе проходит в непосредственной близости от Земли (поэтому до них легче добраться). Кроме того, они рассказали, что компания зарегистрирована в США и уже вроде как разработала первые разведывательные корабли Arkyd-100 Series (в конце января 2013 года стало известно, что масса аппарата составит 11 килограммов, и был представлен его прототип). К 2020 году в космосе планируется создать топливный склад для аппаратов добытчиков, и вот тогда уже начнется самое интересное. Правда, каким из описанных выше методов будут пользоваться аппараты компании, не сообщается.

    Однако все эти скептические заявления процесс не остановили, и в конце января 2013 года стало известно, что еще одна компания собирается добывать полезные ископаемые из астероидов. Новая фирма получила имя Deep Space Industries. Представители ее также заявили, что их компания будет ориентироваться для начала на околоземные объекты. Первые аппараты, получившие название FireFly, массой 25 килограммов будут запускаться в космос уже в 2015 году. Их целью станет геологическая разведка. Следующим этапом будут автономные системы DragonFly, которые начнут летать с 2016 года. Они будут доставлять на Землю астероиды массой до 45 килограммов. Обкатка систем будет длиться до 2020 года. После этого начнется полноценная коммерческая эксплуатация аппаратов.

Основателем и руководителем компании Deep Space Industries стал Рик Тамлинсон, принимавший участие в организации полета первого космического туриста и создании фонда X-Prize для поддержки рискованных проектов, а также создавший первую в мире компанию по серийному производству космических скафандров.

     Как уже говорилось выше, многие специалисты высказывают скепсис по поводу планов обеих компаний, и здесь уместно будет рассказать вот какую историю.

Организовать горнодобывающую колонию с постоянным проживанием людей практически неосуществимая задача из-за высокого радиационного фона и жестких ионизирующих излучений в открытом космосе. Да и доставка продовольствия для космонавтов отразится на стоимости конечной продукции. Поэтому для разработки полезных ископаемых нужно разработать полностью автономное и надежное оборудование, которым можно будет управлять и обслуживать с Земли.

Так что новые начинания вполне могут закончиться ничем — только практика покажет, насколько рентабельной будет добыча полезных ископаемых на астероидах. Однако окупится это предприятие обязательно.

Чем добыча ископаемых в космосе отличается от земной?

Понятие «добыча полезных ископаемых» в космосе будет отличаться от того, что мы обычно под этим имеем в виду на Земле. И вот что на это повлияет:

УСЛОВИЯ РАБОТЫ. Космос — мягко говоря, опасное место. В некоторых районах космоса уровень опасности необычайно высок, например на Солнце. Его температура и нечеловеческие условия на нём означают, что добыча ресурсов на его поверхности не будет возможна никогда. Однако ресурс в форме энергии доступен в изобилии на огромных расстояниях от Солнца. На Земле мы можем добывать её с помощью солнечных панелей, а в космосе потенциал производства энергии из солнечного излучения во много раз выше, чем на нашей планете. Так что в непрямом и нетрадиционном смысле добывать полезные ископаемые на Солнце возможно.

ГРАВИТАЦИЯ И РАССТОЯНИЯ. Эти факторы серьёзно влияют на стоимость разведки месторождений и добычи полезного ископаемого. По существу, в космосе эта стоимость повышается в прямой зависимости от расстояния и от силы гравитации. Например, если предположить, что одно и то же ископаемое существует на Юпитере и на Луне, его добыча на поверхности Юпитера будет дороже, чем на спутнике Земли. Потому что гравитация на Юпитере гораздо сильнее, расстояние до Земли — больше, а руду, скорее всего, надо будет отправлять на Землю или её орбиту.

ВРЕМЯ. С ходом истории новые технологии и методологии исследований, экономика и доступность тех или иных ресурсов сделают одни ископаемые более необходимыми, а другие — менее.

В том же смысле можно добывать полезные ископаемые на крупных планетах с очень сильной гравитацией, например Юпитере и Сатурне. Это будет возможно в верхних слоях их атмосфер, насыщенных разнообразными газами, в частности гелием-3 (He3), которые можно использовать как топливо в пока ещё не разработанных реакторах на основе термоядерного синтеза. Гелий-3 — очень редко встречающееся на Земле вещество, но, вероятно, он есть на Луне и в атмосфере планет — газовых гигантов. «Раскопки» в верхних слоях атмосфер Юпитера и Сатурна помогут избежать сверхсложной работы на их поверхностях.

В итоге получается, что почти любой объект Солнечной системы обладает потенциалом по добыче полезных ископаемых — от относительно малых астероидов до Солнца. Определять возможности добычи на каждом историческом этапе будут развитие технологий и состояние экономики на Земле — так же как и изменение представлений, что такое разработка ресурсов вообще.

Какие природные ресурсы мы не сможем добывать в космосе?

Сложно составить список того, что мы не сможем добывать в космосе. Есть два фактора, которые нужно учесть:

Существует ли ресурс в космосе или на какой-то другой планете?

Ответ на этот вопрос связан с уникальностью процессов на Земле, благодаря которым появляются природные ресурсы. Это, например, ископаемые, которые получились из-за органической и тектонической активностей на планете. Растения, которые погибают и со временем разлагаются под действием жары и давления, образуют уголь, а органическая материя из-за тех же времени, жары и давления создаёт нефть и природный газ. Такие ископаемые в космосе вряд ли можно найти, разве что на планетах с похожими на Землю условиями, но, скорее всего, не в Солнечной системе.

Существует ли вероятность того, что добывать ресурс в космосе невыгодно или что не появятся нужные технологии?

Этот вопрос существенен, но ответить на него невозможно из-за постоянных изменений в экономике и технологии. То, что невозможно или невыгодно сейчас, может стать возможным завтра, а экономическая обстановка может измениться. Если мы что-то и можем заключить из прошлого опыта, то только то, что предсказания о будущем редко сбываются на 100%.

Что нужно, чтобы добывать ресурс

в космосе?

Когда нужно решить, стоит ли начать добычу природного ресурса — будь он в космосе, на крупном астероиде, спутнике Земли или другой планеты, на Земле или другой планете, — при всём различии процессов нужно рассмотреть одни и те же вопросы:

Технология добычи

Так же как разведка ресурсов в космосе и на экзопланетах будет помогать развитию связанных с этим процессом технологий, так и необходимость получить эти ресурсы катализирует развитие технологий добычи. Сейчас считается, что в этом поможет робототехника. В последние годы всё больше стали использовать роботов в разных отраслях промышленности. И в том числе в добыче полезных ископаемых: компания Rio Tinto недавно объявила о создании беспилотных грузовых машин. Ну и все знают о прогрессе в разработках беспилотных автомобилей.

Эти разработки — важный индикатор потенциала робототехники в добыче ископаемых. За окружающую среду бояться не стоит: космос стерилен, а значит, традиционные опасения об отрицательном влиянии на флору и фауну там смысла не имеют.

Необходимость

Без добычи полезных ископаемых современное общество не смогло бы появиться. Почти всё, что мы ежедневно используем, так или иначе зависит от этой практики: транспорт, дороги, здания, телефоны, продукты сельского хозяйства, ткани, компьютеры и так далее — список бесконечен. Даже с прогрессом в использовании вторичного сырья, особенно в восстановлении металла почти на 100%, без новых ископаемых всё равно будет никуда — иначе не обеспечить экономический рост и развитие общества.

Движение человечества к созданию постоянных поселений в космосе, на других планетах и спутниках, будет сопровождать необходимость в энергии, металлах, пластиках, стекле и других ресурсах — вне зависимости от места жительства людей. Эта нужда приведёт к экономической необходимости поиска месторождений ресурсов, их добычи и обработки, чтобы создавать нужные материалы. Так что нужно будет понять, что дешевле — добывать их недалеко от поселения или доставлять с поверхности Земли.

Экономика

Конечно, главная надежда от добычи полезных ископаемых вне Земли — на то, что мы найдём огромные залежи ресурсов. За сотни лет, которые мы добываем ресурсы на Земле, мы уже исчерпали всё, что можно добыть без усилий. То, что осталось, залегает глубоко, это сложно достать, и его качество ниже. Нет сомнения в том, что добыча ископаемых на Земле продолжится неопределённое количество времени — и это приведёт к дальнейшему снижению качества ресурсов и повышению их стоимости. Так что в какой-то момент необходимость добывать полезные ископаемые в космосе станет неизбежной. И вместе с развитием технологий препятствия для деятельности человека в космосе будут разрушены.

Поиск ресурсов

Одно дело — знать, что определённые ресурсы могут существовать в космосе, и совсем другое — знать, где они находятся. Как поиск и разведка полезных ископаемых на Земле связаны с неопределённостью, так же с ними связаны и процессы в космосе, но даже с ещё большими рисками, поскольку космос не только гораздо больше нашей планеты, но и условия в нём опаснее. Расширение наших знаний и возможностей технологий, особенно робототехники, поможет эффективнее разведывать месторождения в космосе, которые с экономической точки зрения имеет смысл разрабатывать.

Возможность существования ресурсов

В космосе — на других планетах и спутниках — разные процессы означают образование разных ископаемых и других природных ресурсов. Человечество пока только начало понимать, как эти процессы устроены. Миссии вроде Rosetta — важный шаг в исследовании этой темы. Благодаря похожим миссиям мы будем лучше понимать, где какие ресурсы можно искать.

http://www.lookatme.ru/mag/live/industry-research/218167-mine-the-sun

https://lenta.ru/articles/2013/01/30/asteroid/

https://zen.yandex.ru/media/id/5a75d70fc89010f00ed920d9/asteroidy-buduscee-kosmonavtiki-problema-dobychi-poleznyh-iskopaemyh-v-kosmose--5ab60fe48c8be37c629cc57a