Содержание
Что на самом деле означает термин «добыча полезных ископаемых» для Луны и других внеземных тел?
Робот-экскаватор добывает руду на Луне. Возможно, надпись должна быть на китайском языке. (Пэт Роулингс)
Большая часть массы, которую мы запускаем для космических полетов, – это то, что я называю «тупой массой» — тяжелые вещи, такие как вода и топливо, которые, хотя и абсолютно необходимы, содержат небольшое количество информации. Независимо от затрат на запуск, нет никакой пользы в запуске такого типа массы с Земли. Научиться использовать то, что мы находим в космосе, для создания новых возможностей — это навык, которым мы должны овладеть, чтобы стать «космическими путешественниками». Луна находится в отличном месте относительно Земли; это хорошо оборудованная лаборатория, где мы можем учиться и оттачивать эти навыки.
Освещение в прессе после 14 декабря мягкой посадки китайского «Чанъэ-3» на Луну привело к тому, что официальные лица китайской космической программы заявили, что они заинтересованы в «добыче» Луны. Желаемый товар, о котором обычно говорят, — это 3 He, легкий изотоп гелия, который (теоретически) может быть использован для подпитки «чистой» реакции ядерного синтеза и выработки электроэнергии здесь, на Земле. Другие возможные лунные продукты, упомянутые мимоходом, включают такие металлы, как титан и алюминий. Но что именно имеется в виду, когда мы говорим о «добыче полезных ископаемых» на Луне? Какие материалы на поверхности Луны полезны и, следовательно, ценны? Возможно, термин «полезный» нуждается в некотором разъяснении.
Добыча полезных ископаемых просто означает добычу какого-либо полезного продукта с планеты. В контексте внеземной добычи полезных ископаемых полезное может означать полезное в космосе, но не обязательно полезное для импорта обратно на Землю. Например, прямо сейчас на земле имеются обильные запасы алюминия. Нет экономического смысла добывать алюминий с Луны или какого-либо другого космического объекта для импорта обратно на Землю. Однако, если мы находимся в процессе установления постоянного присутствия на каком-либо внеземном объекте, несколько тонн алюминия из местных источников могут оказаться очень полезными. Хотя никто не предложил бы экспортировать простые, малообрабатываемые материалы, такие как сыпучий грунт (реголит) и заполнители (бетон и саман) обратно на Землю, они имеют применение и, следовательно, огромную ценность на Луне и в космосе для местных строительных и других инженерных потребностей.
Реальная ценность внеземной добычи полезных ископаемых заключается в доступе к материалам за пределами гравитационного колодца Земли и создании продуктов, которые позволяют и создают новые возможности в космосе и в других мирах. До сих пор мы не обнаружили в космосе никаких залежей неизвестных материалов, которые нельзя было бы найти на Земле («unobtainium», любимый писателями-фантастами). Но мы обнаружили залежи обычных материалов, которые, хотя и не имеют экономической ценности для возвращения на Землю, имеют огромную ценность в космосе. Все, что мы можем найти и использовать в другом мире, означает, что гораздо меньше материала нужно запускать с поверхности Земли. При затратах на запуск в размере многих тысяч долларов за фунт каждая частица массы, которую мы можем найти и использовать в космосе, намного меньше бюджетной тупой массы, доставленной с Земли.
Я считаю, что настоящий переворот в добыче полезных ископаемых на планетах — это вода. Это наиболее распространенное вещество является самым ценным товаром в космосе, потому что оно имеет так много применений. Вода привлекательна тем, что ее легко транспортировать в твердой или жидкой форме, но она массивна и, следовательно, дорога для перемещения в пространстве. Большая часть использования воды в космосе, вероятно, произойдет вблизи источников, из которых мы ее добываем, либо на поверхности планеты, либо в пространстве непосредственно над ними и рядом с ними.
Вода необходима для жизни в целом и, в частности, для жизни человека здесь и в космосе. Мы можем пить воду, использовать ее для восстановления обезвоженной пищи, использовать ее в качестве теплового балласта и защищать себя от жесткой радиационной среды глубокого космоса, снабжая ею космические корабли и места обитания. Вода — это простая молекула (H2 O) и может быть разбит на составляющие его элементы в процессе пропускания через него электрического тока; таким образом, мы можем легко «расщепить» воду на ее компоненты (водород и кислород) и сохранить эти газы для последующего использования. Очевидное применение этого кислорода заключается в обеспечении пригодного для дыхания воздуха для космических мест обитания. Но кроме того, поскольку процесс крекинга воды обратим, мы можем взять эти газы и объединить их в топливных элементах для получения электроэнергии. Это создает увлекательную возможность; в течение дня мы можем расщеплять воду на водород и кислород, используя электроэнергию, получаемую от солнечных батарей, и хранить эти продукты в резервуарах. Во время, когда Солнце не видно (либо ночью на планете, либо во время затмения в космосе), мы можем повторно объединить эти газы для выработки электроэнергии. Такое устройство называется перезаряжаемым топливным элементом (RFC) и может обеспечивать непрерывное электроснабжение космических аппаратов и мест обитания. Таким образом, вода становится средой для накопления энергии, расщепляясь в дневное время и рекомбинируясь ночью, обеспечивая непрерывное и надежное питание в космосе. Ценным побочным продуктом этого процесса является избыток воды для жизнеобеспечения и других целей.
Последнее крупное использование воды, вероятно, является наиболее важным с точки зрения создания новых возможностей в космосе. Когда вода расщепляется на составляющие ее газы, а затем замораживается в жидкость (криогенная форма), она становится ракетным топливом. Жидкий водород и кислород являются самым мощным известным химическим топливом. Способность производить ракетное топливо в космосе меняет почти все, что мы знаем об экономике космических полетов. Из-за его высокой стоимости все, что мы можем сделать для снижения требуемой массы, запускаемой с Земли, экономит деньги и делает космические полеты более эффективными. В случае полетов за пределы низкой околоземной орбиты большая часть массы аппарата для отлета с Земли приходится на топливо. Для полета человека на Марс более 80 % его общей массы составляет топливо. Большая часть этого топлива будет использована при сжигании ракеты, чтобы покинуть Землю. Таким образом, за счет получения необходимого топлива из космического источника и дозаправки там общий взлетный вес (стоимость) с Земли значительно ниже.
Хотя водород-кислород является самым мощным ракетным топливом, его использование имеет некоторые недостатки. Водород имеет очень низкую температуру кипения, всего около 20 ° выше абсолютного нуля (-253 °C). Эту чрезвычайно низкую температуру трудно генерировать (т. Е. энергоемко), поэтому получение криогенного водорода является сложной задачей. Кроме того, водород имеет чрезвычайно низкую плотность, поэтому резервуары для хранения жидкого водорода очень большие и громоздкие и должны быть тщательно изолированы, чтобы свести к минимуму «выкипание» топлива. Выкипание — важная проблема, которую необходимо решить, если мы хотим использовать криогены космического происхождения в качестве топлива; она включает улавливание кипящего пара и его конденсацию обратно в жидкую форму, чтобы предотвратить его потерю в космос.
Некоторые утверждают, что, поскольку водород настолько летуч и с ним трудно работать, мы должны сосредоточиться исключительно на получении кислорода из планетарных источников, поскольку этот газ составляет 16/18 (89 %) массы воды. Получение жидкого кислорода (температура кипения -183 °C) намного проще, чем жидкого водорода, и его легче обрабатывать и хранить. Однако нам все равно понадобится какой-то тип топлива для сжигания с этим окислителем; для ракетного топлива можно использовать множество других веществ, включая метан (CH4 ), аммиак (NH3 ), серы (ов) и даже алюминия с питанием (Al). Интересно и к счастью для нас, все эти вещества содержатся в отложениях лунных полюсов – самой ценной недвижимости в нашей Солнечной системе с пиками почти постоянного солнечного света для выработки электроэнергии.
Реальная ценность, создаваемая добычей полезных ископаемых на Луне (или любом внеземном объекте), – это способность — способность перемещаться более свободно, чаще и с большей массой в межлунном пространстве (Земля- Луна) и вокруг него, где находится большинство наших спутников национальной безопасности и экономики. Создавая внепланетный склад снабжения, мы освобождаемся от тирании ракетного уравнения. Я не знаю, видят ли китайцы «проблему» таким образом или нет. Но они должны. Я верю, что в конце концов они это сделают. И мы тоже должны это сделать.
Китайцы, похоже, не ждут, когда «волшебные бобы» снизят затраты на запуск. Есть много причин полагать, что эти затраты уже упали примерно настолько, насколько они упадут, за исключением какой-либо крупной новой парадигмы ракеты-носителя. Сдерживаясь и делая ставку на материализацию какого–то крупного нового прорыва в области запуска, Соединенные Штаты могут уйти от верного решения — оставить сферу инноваций и технологий, а вместе с ней и выгоды для экономики и национальной безопасности, которые последуют, странам, которые признают стратегическую ценность и потенциал Луны и уже строят планы по ее использованию.
О Поле Д.Спудисе
Пол Д. Спудис (1952-2018) был старшим научным сотрудником Института Луны и планет в Хьюстоне, штат Техас, и плодовитым автором по теме Луны. Его книги включают в себя Ценность Луны: Как исследовать, жить и процветать в Космосе, используя ресурсы Луны.
https://www.airspacemag.com/daily-planet/mining-the-moon-fueling-the-future-180948757/
Загрузка...
