Что нужно для коммерческого майнинга на астероидах. Рассматриваем технологии и делаем расчеты

Представьте себе момент, когда человечество впервые закрепится не на соседней Луне, а на небольшом астероиде, летящем в глубинах космоса. И если раньше они считались прежде всего опасностью для нашей планеты, то сейчас все чаще воспринимаются как перспективный источник ценных ресурсов. Это не просто фантастическая идея — ведущие государственные и частные аэрокосмические компании уже готовятся сделать ее реальностью.

В этой статье мы рассмотрим основные тенденции развития космической добычи, кто ею занимается и чего ожидать в ближайшие годы.

Участники гонки за первенство

За последнее десятилетие появилось немало компаний и государственных учреждений, которые стремятся к лидерству в сфере добычи ресурсов на астероидах. Прежде всего, это NASA (США), ESA (Европейское космическое агентство), JAXA (Япония) и известные частные организации. Некоторые из них уже приобрели большую популярность, например Blue Origin и SpaceX, активно инвестирующие в масштабные проекты, преимущественно связанные с ракетостроением и транспортировкой. Однако есть и узкоспециализированные фирмы, которые буквально родились ради идеи исследования и промышленного освоения небольших небесных тел. Среди них самые известные Deep Space Industries и AstroForge. Последняя является показательным образцом современного взгляда на добычу космических ископаемых — американский стартап, который изначально ориентируется на экспедиции по добыче и переработке платиновых металлов. В 2023 году компания в рамках программы SpaceX Rideshare запустила первую демонстрационную миссию Brokkr-1, задачей которой было протестировать возможность рафинирования ресурсов в микрогравитационных условиях. Хотя миссия не достигла всех запланированных целей, она предоставила ценные уроки и опыт, которые стали основой следующей миссии. Далее AstroForge планирует отправлять небольшие автоматические аппараты к околоземным астероидам*, чтобы собирать образцы и проверять реальные запасы редких металлов. На этот раз объектом исследования станет один из таких астероидов — 2022 OB5. Главная цель компании — разработка полностью автономных систем добычи и переработки в открытом космосе, что поможет существенно сократить расходы на доставку полезных ископаемых на Землю. Эта инициатива демонстрирует растущий интерес частного сектора и то, как инновационные подходы могут кардинально изменить промышленные горизонты человечества.

*Околоземные астероиды (Near-Earth Asteroids, NEAs) — это астероиды, орбиты которых пересекают орбиту Земли или приближены к ней.

Спрос на дефицитные металлы и фактически не ограниченные запасы сырья в космосе является тем двигателем, который побуждает все больше компаний вкладывать средства в такие проекты. Уже сейчас специалисты говорят о формировании масштабной космической экономики, способной по объемам превысить ряд высокотехнологичных индустрий на нашей планете.

Текущее состояние и перспективы

Сейчас добыча полезных ископаемых на астероидах еще не перешла в промышленную фазу, однако уже заметны первые вполне реальные шаги. Многие космические стартапы привлекают значительные капиталы от мощных инвесторов и технологических корпораций. А их планы предусматривают создание полномасштабной инфраструктуры для межпланетной добычи и переработки. Инженеры и ученые активно работают над роботизированными станциями, предназначенными для бурения и обработки материала в условиях микрогравитации, а также над системами транспортировки добытого к местам хранения или переработки.

В свою очередь космическое право до сих пор формируется, и вопрос, кто будет владеть добытыми ресурсами, остается открытым. Дискуссии ведутся вокруг темы прав собственности, налогообложения и предотвращения возможной «золотой лихорадки» вне Земли.

По мнению аналитиков, в течение следующих двадцати лет возможно получение первой промышленной продукции из астероидов и развертывание космических производств. Кроме металлов, перспективной является также добыча воды из ледяных объектов: это позволит организовать заправочные станции прямо в космосе, поскольку воду можно разлагать на водород и кислород для дальнейшего использования в качестве топлива.

Уже сейчас в работе есть несколько интересных проектов, которые могут в корне изменить подходы человечества к освоению космического пространства:

NASA Psyche Mission. Миссия к богатому металлами астероиду Психея, призванная выяснить его происхождение и особенности. Космический аппарат Psyche имеет стартовую массу около 2,7 тонны. Его полезная нагрузка включает многоспектральную камеру, гамма- и нейтронный спектрометр, магнитометр и систему радионавигации X-диапазона. Прибытие запланировано на август 2029 года. А продолжительность научной программы примерно 21 месяц, с августа 2029-го до мая 2031 года. Полученные данные могут стать основой для расчета экономической целесообразности добычи железа и других металлов.

Миссия Odin. В феврале 2025 года AstroForge планирует запустить космический аппарат Odin к околоземному астероиду 2022 OB5. Цель миссии — собрать данные о составе астероида для подготовки к будущей добыче. Запуск произведут в миссии IM-2 компании Intuitive Machines. После миссии Odin запланирована следующая Vestri, целью которой станет посадка на астероид и начало добычи полезных ископаемых. AstroForge также заключила контракт с компанией Stoke Space на несколько запусков с использованием разрабатываемой ракеты Nova для будущих миссий.

Фундамент будущих свершений

Прежде чем анализировать масштабы и экономическую привлекательность добычи полезных ископаемых на астероидах, стоит, основываясь на успешных миссиях и достижениях, понять сложность и перспективы такого проекта. Для наглядности остановимся на четырех вещах:

1. Время полета к цели и условия. На примере астероида Психея и 2022 OB.
2. Цена запуска подобного проекта. Проанализируем стоимость вывода аппарата на орбиту с помощью Falcon 9.
3. Прибыль. Для анализа выберем цену иридия как одного из самых дорогих металлов, потенциально доступных на астероидах.
4. Технические возможности на основе аппарата для добычи ресурсов «Чанъэ-5»: его масса, способ добычи и источник энергии.

По планам NASA, станция Psyche должна прибыть к одноименному астероиду примерно через 3–4 года после запуска. Аппарат имеет стартовую массу около 2,7 тонны, а полезная нагрузка — четыре научных инструмента общей массой около 30 кг. Психея является большим астероидом (диаметр около 200–230 км), впрочем, ее гравитация остается незначительной по сравнению с земной (ориентировочно 0,06–0,07 м/с²). Хотя низкая гравитация облегчает взлет и посадку, она может затруднять крепление оборудования на поверхности.

Околоземный астероид 2022 OB5 значительно ближе, чем Психея, поэтому время полета может быть существенно короче (в среднем от 6 до 15 месяцев туда и столько же обратно). Это позволяет завершить полный цикл миссии за 2–3 года. AstroForge планирует компактный зонд массой 100 кг. На первых этапах компания прежде всего будет проверять возможности автономного бурения и сбора образцов. Подобные миссии помогут оценить экономическую целесообразность добычи иридия и других редких металлов на околоземных астероидах.

Стоимость вывода на низкую околоземную орбиту (LEO) для ракеты Falcon 9 (в многоразовой конфигурации) колеблется в пределах $60–70 млн за миссию. В пересчете на 1 тонну полезной нагрузки это примерно $2,5–3 млн. Falcon 9 способна выводить на LEO до 22–23 тонн. Для полетов в дальний космос доступна меньшая масса, ведь часть ресурса ракеты тратят на сложные маневры и достижение высоких скоростей.

Иридий, относящийся к платиновым металлам, является одним из самых дорогих и редких ресурсов на Земле. Его стоимость может составлять около 4–5 тыс. долларов за тройскую унцию ($130–160 тыс. за килограмм). Некоторые астероиды, вероятно, содержат значительные концентрации иридия и других платиновых металлов. Если запасы действительно велики, то потенциальная коммерческая выгода может быть высокой, однако транспортные и технологические затраты тоже огромны.

Китайская миссия «Чанъэ-5» создана для автоматического забора образцов с поверхности Луны и возвращения их на Землю. Ее стартовая масса составляла более 8 тонн, а конечная масса полезного груза — всего 2 кг лунного грунта, доставленного домой. С помощью роботизированной руки и бура аппарат собрал реголит в условиях гравитации в 1/6 земной. Для астероидов, чья гравитация еще меньше, могут понадобиться другие механизмы удержания и стабилизации. «Чанъэ-5» питался прежде всего от солнечных батарей. Во время длительных или удаленных миссий к астероидам могут применяться также ядерные энергоблоки, например, радиоизотопные термоэлектрические генераторы.

Как построить автономную добычу ресурсов на астероиде

Бурение. В некоторых случаях астероиды, особенно пережившие множество столкновений и не имеющие атмосферы для их амортизации, могут иметь обнаженные участки коры или железоникелевого ядра. Вследствие этого более глубинные слои (с высоким содержанием металлов) могут оказаться почти на поверхности после ударов или разрушения слоя реголита.

Если астероид является фрагментом ядра более крупного небесного тела, то концентрация платиновых металлов (в частности иридия) в верхнем слое может быть выше, чем в относительно недифференцированных каменных (астероиды S-типа).

У многих астероидов есть слой рыхлого реголита, иногда совсем не глубокий. Иридий (в сочетании с другими металлами) вполне может встречаться в реголите, особенно если астероид часто подвергался микрометеоритной бомбардировке и перемешиванию поверхностных слоев.

Заправка. Астероиды содержат ряд материалов, которые можно использовать для производства топлива, особенно в контексте космических миссий. Многие астероиды, прежде всего углеродные (C-тип), имеют значительные залежи водяного льда. Воду можно разлагать с помощью электролиза на водород и кислород — компоненты эффективного ракетного топлива. Производство топлива непосредственно в космосе из добытой воды способно ощутимо снизить затраты на межпланетные миссии.

Разделение воды на водород и кислород. Это классическое сочетание для ракетных двигателей. Воду разлагают электролизом: пропускают электрический ток и получают газообразные водород и кислород. Затем их сжижают (при очень низких температурах) и используют как компоненты топлива.

Для электролиза воды (получения водорода и кислорода) нужны следующие основные условия и оборудование:

• Источник постоянного электрического тока. Нужна стабильная и достаточно мощная установка, подающая постоянный ток. Чем выше сила тока, тем быстрее идет электролиз, однако больше нагревается система и возрастают энергетические затраты. Необходимо обеспечить надлежащее охлаждение или терморегуляцию.

• Электролит и водный раствор. Чистая вода сама по себе почти не проводит ток, поэтому для повышения проводимости обычно добавляют электролит. В PEM-электролизерах (с протон-обменной мембраной) применяют очень чистую воду без примесей, ведь роль электролита выполняет сама мембрана. Важен контроль рН, температуры и чистоты воды.

• Электролизная ячейка (реактор). Система из многих ячеек в герметичном корпусе из подходящего полимера, с подачей электролита и отводом газов. Предусмотрены: система охлаждения/нагрева, насосы для циркуляции, датчики давления и состава газов, а также автоматика управления.

• Система сбора и хранения газов. Во время электролиза образуются: водород (на катоде) и кислород (на аноде). Необходимы специальные газоотделители и сепараторы для разделения водорода и кислорода. А для хранения используют криогенные установки.

Чтобы получить жидкий водород и кислород из газообразной смеси, применяют криогенную обработку. Перед сжижением следует максимально удалить влагу, углекислый газ и любые другие примеси. Обычно для сжижения газ сперва сжимают до высокого давления (десятки — сотни бар). В большинстве промышленных систем сначала происходит охлаждение газа до температур, приближенных к точке кипения жидкого азота (~77 K при атмосферном давлении), или используется многоступенчатая система. Специальные регенеративные или рекуперативные теплообменники позволяют эффективно передавать холод от уже охлажденного потока к нагретому.

После предварительного охлаждения газ поступает в систему, где его охлаждают еще сильнее. Эффективный метод — использование турбоэспандера, в котором газ, расширяясь, вращает турбину и таким образом отдает энергию, сильно охлаждаясь. В конце концов, часть газа конденсируется, собираясь как жидкость в криогенном резервуаре или сепараторе. Жидкий водород и кислород хранят в криогенных резервуарах с двойными стенками, вакуумной изоляцией и отражающими экранами.

Сжиженные водород (LH₂) и кислород (LOX) можно использовать в качестве компонентов ракетного топлива. Эта пара считается одной из самых эффективных. Реакция Сабатье — классический высокоэффективный цикл для создания ракетного топлива, применяемый как в основных, так и в маршевых ступенях ракет.

Другой вариант — это использование углеродных соединений. Углеродные (C-тип) астероиды богаты органическими веществами и углеродными соединениями, которые можно превращать в различные виды топлива. Для этого подходят термические и каталитические методы. Если надо производить метан из тяжелых углеродных соединений или из CO/CO₂, существует несколько основных технологий: метанирование и реакция Сабатье. В первом случае синтез-газ пропускают через каталитический реактор (обычно никелевый катализатор) при 300–450 °C и повышенном давлении. Во втором варианте сначала необходимо добыть водород и иметь источник CO₂. Такая технология применяется в космических проектах (например, Mars ISRU) для преобразования CO₂ (из атмосферы Марса) в метан, используемый в ракетном топливе (SpaceX Starship). Но здесь нужны мощные установки и сложное оборудование. Термический подход позволяет перерабатывать твердое углеродное сырье при высоких температурах. Он подходит для значительных объемов, однако требует сложного оборудования (газификатор, системы очистки, каталитический реактор) и больших энергозатрат, что может быть сложно реализовать в условиях космической добычи, например, с питанием от солнечных панелей.

Мы провели собственную приблизительную оценку, сколько необходимо водородного топлива аппарату типа Odin, чтобы поднять с астероида типа Психея 2 кг добытых ресурсов, по аналогии с «Чанъэ-5». Также оценили энергопотребление и общую стоимость такой миссии, построенной на существующих работоспособных технологиях.

Зная радиус астероида 1,1×10^5 м, массу 2,72×10^19 кг и гравитационный параметр, мы можем вычислить круговую орбитальную скорость у поверхности, первую и вторую космическую скорость. Взяв небольшой запас на потери при взлете, предположим ΔV=250 м/с как скорость, необходимую для выхода на орбиту. Затем применяем уравнение Циолковского. Подставив сухую массу в 100 кг, удельный импульс в вакууме и ΔV, получим 7 кг горючего. Такие небольшие цифры объясняются тем, что гравитация Психеи незначительна, и для выхода на ее орбиту требуется относительно небольшая ΔV (по сравнению, например, с Луной или Марсом).

Генерация. Теперь нужно получить определенное количество энергии, чтобы выработать 7 кг водородного топлива. Промышленная установка электролиза работает с КПД примерно 60–80 %, поэтому фактический расход — обычно 50–60 кВт·ч на 1 кг водорода. В итоге нам нужно 350 кВт·ч. Солнечная панель площадью 10 м², работая непрерывно (24/7), может генерировать около 2 кВт. Следовательно, за 7 дней непрерывной генерации можно получить нужное количество энергии.

Хранение такого объема энергии является непростой задачей: аккумулятор на 350 кВт·ч, способный непрерывно отдавать 50 кВт, при современных литий-ионных технологиях будет иметь массу около 1,5–2,5 тонн, но небольшой объем в несколько кубических метров. Однако доставка такого груза будет сложным вызовом.

Так сколько же стоит начать майнинг на астероидах? Считаем расходы и окупаемость

Для небольшого демонстрационного комплекса (панели, электролизер, робот-«платформа») общая цена разработки и запуска вполне может превысить 200–300 млн долларов (а иногда счет может идти и на миллиард, если учесть все риски и резервы). Это только базовая установка, без масштабной добычи. Если же планируется полноценная «шахта» с большими объемами переработки породы, сортировки, химических реакторов, то суммы возрастают в разы (несколько миллиардов).

Проект NASA Psyche (запуск 2023 г.) оценивали примерно в 1 млрд долларов только на создание зонда + ракету Falcon Heavy (~100–150 млн). Но тот зонд не возвращается на Землю. Если же нужен еще и обратный полет (образцы, груз), будут необходимы дополнительные двигательные блоки, топливо, теплозащита и тому подобное. Это может увеличить бюджет в 1,5–2 раза или даже больше. Итак, ориентировочно полет туда и обратно (две — три ступени ракеты, космический буксир, посадочный модуль, возвращение образцов) с полным жизненным циклом разработки и запуска для сложных целей может стоить 1–2 млрд долларов (при очень оптимистичном сценарии — меньше, в случае использования многоразового Starship и т.п.). Но для консервативных миссий стоимость часто превышает 2–3 млрд.

Предположим, что надо:

• 1 млрд долл. на разработку.

• 2 млрд долл. на запуск/доставку/возврат (учитывая стоимость всей логистики).

• 0,3 млрд долл. на станцию добычи и ее эксплуатацию/обслуживание и т.д.

В сумме получится 3,3 млрд долларов. Если продавать иридий по 150 тыс. долл. за 1 кг, то, чтобы вернуть 3,3 млрд, нужно:

3,300,000,000 долл. / 150,000 долл./кг = 22,000 кг = 22 тонны иридия.

Это лишь расчет «в ноль», без учета инвестиционной привлекательности, прибыли, снижения стоимости в связи с появлением на рынке большого количества товара и т.д.

Распределение во времени

• За 10 лет (чтобы «отбить» 3,3 млрд без процентов) надо ~2,3 тонны в год.

• За 25 лет — ~0,92 тонны в год.

• За 50 лет — ~0,46 тонны в год.

При существующих примерах доставки груза в 2 кг на Землю с Луны можем посчитать, что даже для окупаемости за 50 лет надо выполнять 460 кг / 2 кг = 230 миссий в год. Конечно, цена на разработку уникальной миссии и «серийной» отличается, также примем во внимание, что базу надо построить условно только один раз. Поэтому в оптимистическом сценарии цена 1 круга доставки будет оценена в цену запуска носителя (на примере Falcon 9 $60–70 млн => $2,5–3 млн за тонну) и обслуживания космического аппарата.

Применим следующие условия:

• 3 млн долларов пуск 1 аппарата весом в тонну.

• 2 млн долларов на его обслуживание.

5,000,000 долл./150,000 долл./кг = 34 кг, +2 кг для выполнения окупаемости вложений.

При условии построенной инфраструктуры на астероиде надо за раз доставить хотя бы 36 кг иридия, чтобы выйти «в ноль» (что превышает текущий рекорд в 18 раз).

Учитывая огромные начальные инвестиции, риски, технологическую сложность и неопределенность с ценами на металлы, реальные космические «майнинговые» миссии пока остаются на уровне концептов или небольших демонстрационных проектов. Но со снижением стоимости запусков и развитием робототехники в космосе ситуация может стать более привлекательной в будущем.

Поэтому реалии добычи ресурсов в космосе демонстрируют, насколько сложно и затратно превратить теоретическую выгоду в реальную прибыль. Даже получить несколько килограммов иридия стоимостью сотни тысяч долларов требует многомиллионных инвестиций в разработку технологий, пуски ракет, создание автономных модулей питания и переработки ресурсов в суровых условиях микрогравитации. Для строительства полноценной «космической базы» или масштабного производства за пределами Земли нужна еще более развитая инфраструктура, которая сегодня находится на стадии становления.

И все же мы стоим на пороге новой эры в освоении космоса. Если лунные и марсианские программы уже становятся частью глобальной повестки дня, то перспектива добычи на астероидах — следующий логичный шаг. Успех первых демонстрационных миссий даст толчок для дальнейшего снижения стоимости запусков, разработки адаптированных роботизированных комплексов и, наконец, коммерциализации космических ресурсов. Сейчас мы становимся свидетелями важного этапа, когда освоение Луны и Марса еще не завершилось, а следующая амбициозная цель — полноценная добыча ресурсов на астероидах — становится все ближе.