Космический бетон, или чем богаты астероиды?

Читая очередной выпуск "Техники молодежи" за 37-й год, я нашел массу интересных заметок на тему того, зачем же все-таки нам нужен космос. Кроме освоения из чистого любопытства, конечно. А после ознакомления с такими вещами, как "добыча полезных ископаемых из астероидов" даже становится ясно, зачем в общем-то на рынок вывода грузов на орбиту такой толпой стремительно ринулись частные компании. Вы же не думаете, что это все космический туризм, который будет приносить огромную прибыль только за то, что какой-то богатый дядя сможет сходить в туалет в  условиях невесомости? Или выпить горячего чая (из горячего тюбика), наслаждаясь видом нашей планеты?

Вообще с космическим туризмом с точки зрения его далеких перспектив есть одна проблема. Если представить себе его чистую экономическую модель, можно даже сказать — сферическую в вакууме, получается вот что. Группа богатых дядь регулярно покупает за деньги билеты. На эти деньги строится отель, создаются, строятся и заправляются ракеты, создаются космодромы, закупается топливо, платятся зарплаты рабочим, а то что осталось от денег после всего этого, формирует прибыль такой вот туристической конторы. И все вроде бы хорошо, кроме одного — глобально в этом процессе тратятся ресурсы, в обмен на ничего. Тоесть, по сути, такой космический турист покупает кучу ракетного топлива и материалов (в виде самой ракеты), время специалистов, необходимое для создания и поддержания всего этого предприятия ради того, чтобы все это потратить за свою поездку. В замен он дает деньги, в экономическом смысле, универсальный эквивалент обмена, реально же — независимо от количества денег, материальных невосполнимых ресурсов с каждым таким разом будет становиться все меньше.

Если довести эту идею до логического конца — на стотысячпятисотый раз последний такой турист потратит последние запасы топлива и материалов, доступные на Земле, не дав в замен ничего. Ведь деньги — это всего лишь эквивалент обмена материальных вещей. Они распределяются в человеческом обществе в процессе взаимодействия людей друг с другом, однако дом из них не построишь, особенно — из безналичных 🙂 Это просто мотиватор к действию — действию создавать что-то, что востребовано. Так, че-то я отвлекся.

Короче, смысл такой — если внезапно на Земле кончится нефть или железо, ни за какие деньги мы их уже не купим. По этому реальная причина освоения космоса частными компаниями — разработка природных ресурсов. И сейчас мы сделаем небольшой обзор того, что и откуда можно добывать в ближайшие 50-75 лет.

На данный момент принято выделять два вида освоения ресурсов ближнего космоса: коммерческое освоение, то есть добыча полезных ископаемых с целью дальнейшей их продажи промышленности и добыча ресурсов с целью обеспечения потребностей самой миссии, как правило, научно-исследовательского характера, которая эту добычу осуществляет.

Начнем с последней, она пока более детально проработана. Итак, добыча ресурсов для исследовательских миссий должна осуществляться там, где проводятся исследования, что выглядит логично. Наибольший интерес на данном этапе развития человечества сейчас представляют Луна и Марс, так что люди уже составили список, что и где там находится и как его достать.

Марс, как удаленное и менее изученное, чем Луна, тело, интересует исследователей прежде всего с точки зрения добычи ракетного топлива для возврата исследовательских станций на Землю. Главная идея — добыча топлива из марсианской атмосферы, состоящей из углекислого газа СО2. Предлагается осуществлять синтез либо метана СН4 при помощи реакции Сабатье (4Н2+СО2=СН4+2Н2О) либо синтезировать горючий газ СО и воду Н2О (СО2+Н2=СО+Н2О), с последующим разложением воды на кислород и водород при помощи электролиза. Недостатки очевидны — в обоих случая с Земле придется везти водород, ключевой элемент в этих реакциях. Во втором случа требуется еще и электроэнергия на электролиз воды. Совсем простой способ — непосредственное разложение атмосферы электролизом: 2СО2+затраты энергии=2СО+О2. На этом фантазия ученых заканчивается…в общем, как-то не изобретательно.

Промышленной ценности такие вещи тоже из себя не представляют. Получение электроэнергии в таких вещах дальше солнечной или ядерной силовой установки, доставляемой с Земли, тоже не зашло.

Луна гораздо более разведана в геологическом смысле, сказывается близость расстояния. Ценность представляют три ресурса — это Анортит, составляющий большую часть лунных гор,оксиды железа, содержащиеся в лунном грунте и скальных породах, сам лунный грунт — реголит и водяной лед. Так же, Луна перспективна с точки зрения установки солнечных элеткростанций для выработки электроэнергии, которая будет обеспечивать лунную промышленность. Начнем с анортита — этот минерал часто встречается на Земле и представляет из себя отаке  — CaAl2Si2O8. Тоесть, богат кальцием и алюминием. Предполагается, что лунные плавильные печи, работающие на солнечной энергии, будут плавить эти минералы, получая на выходе чистые металлический кальций и алюминий. Кстати, здесь же будут выплавлять лунный чугун и сталь. Если нагреть оксид железа FeO в присутствии водорода Н2 примерно до 800 градусов цельсия, получится вода и железо, а водород в больших количествах обнаружен в лунном грунте…PROFIT!

Доменные печи и трубы этих лунных плавильных цехов будут делать из базальта, которого там тоже хватает, а здание заводоуправления, рабочие общежития и столовую предлагается строить из лунного бетона! Состоит он из тех же базовых элементов, что и земной бетон — это заполнитель, цемент и вода. В роли цемента выступают все те же богатые кальцием минералы, вроде анортита, заполнителем будет реголит, а про воду Вы уже догадались — ее будут брать, растапливая лед. Экспериментально НАСА воспроизвело подобный лунный бетон из образцов реголита, доставленных миссией Apollo 16. Получилось вроде нормально, дорожку на дачном участке можно залить…В общем, космическая бетономешалка будет мешать лунный бетон, из которого будут делать кирпичи! Заводское общежитие, построенное из таких кирпичей, будет выдерживать перепады температуры от -150С до + 120С (судя по тому, что получилось на Земле), будет поглощать космическую радиацию, однако не будет герметичным. Не проблема — стены изнутри обмажут эпоксидкой, с верху поставят гипсокартон и будет как надо! 

Укреплять такой бетон будут стекловолокном. Стекло будет делаться здесь же, из силикатной части анортита (CaAl2Si2O8). Кстати, поскольку влажность на Луне стремится к нулю, считается, что стекло, произведенное там, будем иметь гораздо лучшие оптические свойства, чем земное, т.к. будет полностью ангидридным, то есть — не иметь в своем составе воды. Вы уже поняли, из чего будут столы и окна в здании заводоуправления? 🙂

В целом, по поводу Луны у строителей большие планы, осталось придумать, как туда дешево доставить бульдозер и каръерный экскаватор. Но еще большие планы существуют на разработку астероидов. И основная их часть касается именно коммерческой разработки. Зачем это нужно? Все просто — небольшой металлический астероид, диаметром "всего" в полтора километра, содержит в себе промышленных и драгоценных металлов стоимостью более 20 триллионов долларов США. Много это или мало? Например, металлический астероид с диаметром около 1 км может содержать 2-3 миллиарда метрических тонн железно-никелевой руды, или в два-три раза больше, чем было добыто на Земле в 2004 году. А близкий к Земле и крупный астероид 16 Психея, имеющий около 200 километров в диаметре, содержит 1.7*10^19 этой руды, чего земной металлургической промышленности хватило бы на несколько миллионов лет!

 А кроме металлических, есть еще и ледяные астероиды, в основном состоящие из водяного льда или замороженных углеводородов, с похожими масштабами. В общем, астероиды — это вкусно, очень вкусно! Осталось придумать как из них чего-нибудь добыть. На данный момент придумано три метода: добыча каръерным способом, бурение шахт, плавление породы и, если отдельные куски астероида очень богаты железом (и такое бывает), их можно выбирать мощными магнитом. В последнее верится с трудом, но кто-то же выделяет на это деньги. Закрепляться к астероидам можно при помощи гарпунообразных зацеплений (если астероид твердый) или ловить их какими-нибудь сетями (если не очень твердый). Я бы еще предложил ловить сачком.

Существует несколько мнений и на счет того, как именно перерабатывать астероиды. Одни предлагают добывать на месте только ценные материалы, типа драгметаллов и отправлять на Землю и окрестности готовые элементы. Другие предлагают оттаскивать на околоземную орбиту небольшие астероиды и перерабатывать их уже здесь (что будет, если в результате аварии такой астероид упадет на Землю?). Третьи предлагают строить рядом с крупными астероидами перерабатывающие заводы и отправлять готовые чугуниевые слитки…Ледяные углеводородные и водяные астероиды предполагается оттаскивать к Луне и там плавить на бензин, солярку и минеральную воду 🙂

Так или иначе, реальная причина стремления частных компаний к выходу в космос — вовсе не туризм или развитие технологий ради развития технологий. Цель — неограниченные по земным меркам запасы природных ресурсов в легкодоступной форме и концентрированных количествах. Все еще сомневаетесь? Вот Вам повод подумать — буквально вчера на выступлении в НАСА президент США Барак Обама, отменивший пилотируемые миссии на Луну и Марс (чем вызвал немало критики в свой адрес) и призвавший частников активней осваивать космос, объявил такую интересную штуку — первой и приоритетной целью для следующих пилотируемых миссий будет высадка человека не на Луну или на Марс, а на… астероид!