Уявіть собі мить, коли людство вперше закріпиться не на сусідньому Місяці, а на невеликому астероїді, що летить у глибинах космосу. І якщо раніше вони вважалися насамперед небезпекою для нашої планети, то нині дедалі частіше сприймаються як перспективне джерело цінних ресурсів. Це не просто фантастична ідея — провідні державні та приватні аерокосмічні компанії вже готуються зробити її реальністю.
У цій статті ми розглянемо основні тенденції розвитку космічного видобутку, хто ним займається і чого очікувати найближчими роками.
Учасники перегонів за першість
Упродовж останнього десятиліття з’явилося чимало компаній і державних установ, які прагнуть лідерства у сфері видобутку ресурсів на астероїдах. Перш за все, це NASA (США), ESA (Європейська космічна агенція), JAXA (Японія) та відомі приватні організації. Деякі з них уже набули неабиякої популярності, як-от Blue Origin і SpaceX, що активно інвестують у масштабні проєкти, переважно пов’язані з ракетобудуванням і транспортуванням. Однак є і вузькоспеціалізовані фірми, які буквально народилися заради ідеї дослідження та промислового освоєння невеликих небесних тіл. Серед них найвідоміші Deep Space Industries та AstroForge. Остання є показовим зразком сучасного погляду на видобуток космічних копалин — американський стартап, що від початку орієнтується на експедиції з добування та перероблення платинових металів. У 2023 році компанія в межах програми SpaceX Rideshare запустила першу демонстраційну місію Brokkr-1, завданням якої було протестувати можливість рафінування ресурсів у мікрогравітаційних умовах. Хоча місія не досягла всіх запланованих цілей, вона надала цінні уроки та досвід, які стали основою наступної місії. Далі AstroForge планує надсилати невеликі автоматичні апарати до навколоземних астероїдів*, щоб збирати зразки й перевіряти реальні запаси рідкісних металів. Цього разу об’єктом дослідження стане один із таких астероїдів — 2022 OB5. Головна мета компанії — розробка цілком автономних систем видобування і перероблення у відкритому космосі, що допоможе істотно скоротити витрати на доставку корисних копалин на Землю. Ця ініціатива демонструє зростаючий інтерес приватного сектора й те, як інноваційні підходи можуть кардинально змінити промислові горизонти людства.
*Навколоземні астероїди (Near-Earth Asteroids, NEAs) — це астероїди, орбіти яких перетинають орбіту Землі або наближені до неї.
Попит на дефіцитні метали та фактично не обмежені запаси сировини у космосі є тим двигуном, який спонукає все більше компаній вкладати кошти в такі проєкти. Уже нині фахівці говорять про формування масштабної космічної економіки, здатної за обсягами перевищити низку високотехнологічних індустрій на нашій планеті.
Поточний стан та перспективи
Наразі видобуток корисних копалин на астероїдах ще не перейшов у промислову фазу, проте вже помітні перші цілком реальні кроки. Багато космічних стартапів залучають значні капітали від потужних інвесторів і технологічних корпорацій. А їхні плани передбачають створення повномасштабної інфраструктури для міжпланетного видобутку та перероблення. Інженери та науковці активно працюють над роботизованими станціями, призначеними для буріння й обробки матеріалу в умовах мікрогравітації, а також над системами транспортування здобутого до місць зберігання або перероблення.
Своєю чергою космічне право досі формується, і питання, хто володітиме здобутими ресурсами, залишається відкритим. Дискусії точаться навколо теми прав власності, оподаткування та запобігання можливої «золотої лихоманки» поза Землею.
На думку аналітиків, упродовж наступних двадцяти років можливим стане отримання першої промислової продукції з астероїдів і розгортання космічних виробництв. Окрім металів, перспективною є також видобуток води з крижаних об’єктів: це дозволить організувати заправні станції прямо в космосі, оскільки воду можна розкладати на водень і кисень для подальшого використання як пального.
Уже зараз в роботі є кілька цікавих проєктів, які можуть докорінно змінити підходи людства до освоєння космічного простору:
NASA Psyche Mission. Місія до багатого на метали астероїда Психея, покликана з’ясувати його походження й особливості. Космічний апарат Psyche має стартову масу близько 2,7 тонни. Його корисне навантаження включає багатоспектральну камеру, гамма- і нейтронний спектрометр, магнітометр та систему радіонавігації X-діапазону. Прибуття заплановане на серпень 2029 року. А тривалість наукової програми приблизно 21 місяць, з серпня 2029-го до травня 2031 року. Здобуті дані можуть стати основою для розрахунку економічної доцільності видобутку заліза та інших металів.
Місія Odin. У лютому 2025 року AstroForge планує запустити космічний апарат Odin до навколоземного астероїда 2022 OB5. Мета місії — зібрати дані про склад астероїда для підготовки до майбутнього видобутку. Запуск зроблять у місії IM-2 компанії Intuitive Machines. Після місії Odin запланована наступна Vestri, метою якої стане посадка на астероїд і початок видобутку корисних копалин. AstroForge також уклала контракт з компанією Stoke Space на кілька запусків із використанням ракети Nova, що розробляється, для майбутніх місій.
Фундамент майбутніх звершень
Перш ніж аналізувати масштаби та економічну привабливість видобутку корисних копалин на астероїдах, варто, ґрунтуючись на успішних місіях та досягненнях, зрозуміти складність і перспективи такого проєкту. Для наочності зупинимося на чотирьох речах:
- Час польоту до цілі та умови. На прикладі астероїда Психея та 2022 OB.
- Ціна запуску подібного проєкту. Проаналізуємо вартість виведення апарата на орбіту за допомогою Falcon 9.
- Прибуток. Для аналізу оберемо ціну іридію як одного з найдорожчих металів, потенційно доступних на астероїдах.
- Технічні можливості на основі апарата для видобутку ресурсів «Чан’е-5»: його маса, спосіб видобутку та джерело енергії.
За планами NASA, станція Psyche має прибути до однойменного астероїда приблизно через 3–4 роки після запуску. Апарат має стартову масу близько 2,7 тонни, а корисне навантаження — чотири наукові інструменти загальною масою приблизно 30 кг. Психея є великим астероїдом (діаметр близько 200–230 км), утім, її гравітація залишається незначною у порівнянні з земною (орієнтовно 0,06–0,07 м/с²). Хоча низька гравітація полегшує злет і посадку, вона може ускладнювати кріплення обладнання на поверхні.
Навколоземний астероїд 2022 OB5 значно ближчий, ніж Психея, тож час польоту може бути суттєво коротшим (у середньому від 6 до 15 місяців туди й стільки ж назад). Це дає змогу завершити повний цикл місії за 2–3 роки. AstroForge планує компактний зонд масою 100 кг. На перших етапах компанія передусім перевірятиме можливості автономного буріння і збору зразків. Подібні місії допоможуть оцінити економічну доцільність видобутку іридію та інших рідкісних металів на навколоземних астероїдах.
Вартість виведення на низьку навколоземну орбіту (LEO) для ракети Falcon 9 (у багаторазовій конфігурації) коливається в межах $60–70 млн за місію. У перерахунку на 1 тонну корисного навантаження це приблизно $2,5–3 млн. Falcon 9 здатна виводити на LEO до 22–23 тонн. Для польотів у далекий космос доступна менша маса, адже частину ресурсу ракети витрачають на складні маневри та досягнення високих швидкостей.
Іридій, що належить до платинових металів, є одним із найдорожчих і найрідкісніших ресурсів на Землі. Його вартість може становити близько 4–5 тис. доларів за тройську унцію ($130–160 тис. за кілограм). Деякі астероїди, ймовірно, містять значні концентрації іридію та інших платинових металів. Якщо запаси справді великі, то потенційний комерційний зиск може бути високим, проте транспортні й технологічні витрати теж величезні.
Китайська місія «Чан’е-5» створена для автоматичного забору зразків із поверхні Місяця й повернення їх на Землю. Її стартова маса становила понад 8 тонн, а кінцева маса корисного вантажу — лише 2 кг місячного ґрунту, доставленого додому. За допомогою роботизованої руки та бура апарат зібрав реголіт в умовах гравітації у 1/6 земної. Для астероїдів, чия гравітація ще менша, можуть знадобитися інші механізми утримання та стабілізації. «Чан’е-5» живився передусім від сонячних батарей. Під час тривалих або віддалених місій до астероїдів можуть застосовуватися також ядерні енергоблоки, наприклад, радіоізотопні термоелектричні генератори.
Як побудувати автономний видобуток ресурсів на астероїді
Буріння. У деяких випадках астероїди, особливо ті, що пережили безліч зіткнень і не мають атмосфери для їхньої амортизації, можуть мати оголені ділянки кори або залізо-нікелевого ядра. Внаслідок цього більш глибинні шари (з високим вмістом металів) можуть опинитися майже на поверхні після ударів або руйнування шару реголіту.
Якщо астероїд є фрагментом ядра більшого небесного тіла, то концентрація платинових металів (зокрема іридію) у верхньому шарі може бути вищою, ніж у відносно недиференційованих кам’яних (астероїди S-типу).
У багатьох астероїдів є шар пухкого реголіту, інколи зовсім не глибокий. Іридій (у поєднанні з іншими металами) цілком може траплятися в реголіті, особливо якщо астероїд часто зазнавав мікрометеоритного бомбардування й перемішування поверхневих шарів.
Заправлення. Астероїди містять низку матеріалів, які можна використовувати для виробництва пального, особливо в контексті космічних місій. Чимало астероїдів, насамперед вуглецеві (C-тип), мають значні поклади водяного льоду. Воду можна розкладати за допомогою електролізу на водень і кисень — компоненти ефективного ракетного палива. Виробництво пального безпосередньо в космосі зі здобутої води здатне відчутно знизити витрати на міжпланетні місії.
Розділення води на водень і кисень. Це класичне поєднання для ракетних двигунів. Воду розкладають електролізом: пропускають електричний струм і отримують газоподібні водень та кисень. Потім їх зріджують (за дуже низьких температур) і використовують як компоненти пального.
Для електролізу води (отримання водню та кисню) потрібні такі основні умови й обладнання:
- Джерело постійного електричного струму. Потрібна стабільна й досить потужна установка, що подає постійний струм. Чим вища сила струму, тим швидше йде електроліз, однак більше нагрівається система та зростають енергетичні витрати. Необхідно забезпечити належне охолодження чи терморегуляцію.
- Електроліт і водний розчин. Чиста вода сама собою майже не проводить струм, тож для підвищення провідності зазвичай додають електроліт. У PEM-електролізерах (з протон-обмінною мембраною) застосовують дуже чисту воду без домішок, адже роль електроліту виконує сама мембрана. Важливий контроль рН, температури й чистоти води.
- Електролізна комірка (реактор). Система з багатьох комірок у герметичному корпусі з відповідного полімеру, з подачею електроліту й відведенням газів. Передбачені: система охолодження / нагрівання, насоси для циркуляції, датчики тиску та складу газів, а також автоматика керування.
- Система збирання та зберігання газів. Під час електролізу утворюються: водень (на катоді) й кисень (на аноді). Необхідні спеціальні газовіддільники та сепаратори для розділення водню й кисню. А для зберігання використовують кріогенні установки.
Щоб отримати рідкий водень і кисень із газоподібної суміші, застосовують кріогенну обробку. Перед зрідженням слід максимально видалити вологу, вуглекислий газ і будь-які інші домішки. Зазвичай для зрідження газ спершу стискають до високого тиску (десятки — сотні бар). У більшості промислових систем спочатку відбувається охолодження газу до температур, наближених до точки кипіння рідкого азоту (~77 K за атмосферного тиску), або використовується багатоступенева система. Спеціальні регенеративні чи рекуперативні теплообмінники дають змогу ефективно передавати холод від уже охолодженого потоку до нагрітого.
Після попереднього охолодження газ надходить у систему, де його охолоджують іще сильніше. Ефективний метод — використання турбоеспандера, в якому газ, розширюючись, обертає турбіну й таким чином віддає енергію, сильно охолоджуючись. Урешті, частина газу конденсується, збираючись як рідина у кріогенному резервуарі або сепараторі. Рідкий водень і кисень зберігають у кріогенних резервуарах із подвійними стінками, вакуумною ізоляцією й відбивальними екранами.
Зріджені водень (LH₂) і кисень (LOX) можна використовувати як компоненти ракетного палива. Ця пара вважається однією з найефективніших. Реакція Сабатьє — класичний високоефективний цикл для створення ракетного палива, що застосовується як в основних, так і в маршових ступенях ракет.
Інший варіант — це використання вуглецевих сполук. Вуглецеві (C-тип) астероїди багаті на органічні речовини й вуглецеві сполуки, які можна перетворювати на різні види пального. Для цього підходять термічні та каталітичні методи. Якщо треба виробляти метан із важких вуглецевих сполук або з CO/CO₂, існує кілька основних технологій: метанування та реакція Сабатьє. У першому випадку синтез-газ пропускають через каталітичний реактор (зазвичай нікелевий каталізатор) за 300–450 °C і підвищеного тиску. У другому варіанті спершу необхідно добути водень і мати джерело CO₂. Таку технологію застосовують у космічних проєктах (наприклад, Mars ISRU) для перетворення CO₂ (з атмосфери Марса) на метан, що використовується в ракетному паливі (SpaceX Starship). Але тут потрібні потужні установки й складне обладнання. Термічний підхід дає змогу переробляти тверду вуглецеву сировину за високих температур. Він підходить для значних обсягів, проте вимагає складного устаткування (газифікатор, системи очищення, каталітичний реактор) і великих енерговитрат, що може бути складно реалізувати за умов космічного видобутку, наприклад, із живленням від сонячних панелей.
Ми провели власну приблизну оцінку, скільки необхідно водневого пального апарату типу Odin, щоб підняти з астероїда типу Психея 2 кг здобутих ресурсів, за аналогією «Чан’е-5». Також оцінили енергоспоживання та загальну вартість такої місії, побудованої на існуючих працездатних технологіях.
Знаючи радіус астероїда 1,1×10^5 м, масу 2,72×10^19 кг та гравітаційний параметр, ми можемо обчислити колову орбітальну швидкість біля поверхні, першу і другу космічну швидкість. Взявши невеликий запас на втрати під час зльоту, припустимо ΔV=250 м/с як швидкість, необхідну для виходу на орбіту. Потім застосовуємо рівняння Ціолковського. Підставивши суху масу в 100 кг, питомий імпульс у вакуумі та ΔV, одержимо 7 кг пального. Такі невеликі цифри пояснюються тим, що гравітація Психеї незначна, і для виходу на її орбіту потрібна відносно невелика ΔV (у порівнянні, наприклад, з Місяцем чи Марсом).
Генерація. Тепер потрібно отримати певну кількість енергії, аби виробити 7 кг водневого пального. Промислова установка електролізу працює з ККД приблизно 60–80 %, тому фактичний розхід — зазвичай 50–60 кВт·год на 1 кг водню. У підсумку нам потрібно 350 кВт·год. Сонячна панель площею 10 м², працюючи безперервно (24/7), може генерувати близько 2 кВт. Отже, за 7 днів безперервної генерації можна отримати потрібну кількість енергії.
Зберігання такого обсягу енергії є непростим завданням: акумулятор на 350 кВт·год, здатний безперервно віддавати 50 кВт, при сучасних літій-іонних технологіях матиме масу близько 1,5–2,5 тонн, але невеликий об’єм у кілька кубічних метрів. Проте доставлення такого вантажу буде складним викликом.
То скільки ж коштує почати майнінг на астероїдах? Рахуємо витрати та окупність
Для невеликого демонстраційного комплексу (панелі, електролізер, робот-«платформа») загальна ціна розробки й запуску цілком може перевищити 200–300 млн доларів (а іноді рахунок може йти й на мільярд, якщо врахувати всі ризики та резерви). Це тільки базова установка, без масштабного видобутку. Якщо ж планується повноцінна «шахта» з великими обсягами перероблення породи, сортування, хімічних реакторів, то суми зростають у рази (кілька мільярдів).
Проєкт NASA Psyche (запуск 2023 р.) оцінювали приблизно в 1 млрд доларів тільки на створення зонда + ракету Falcon Heavy (~100–150 млн). Але той зонд не повертається на Землю. Якщо ж потрібен ще й зворотний політ (зразки, вантаж), будуть необхідні додаткові двигунні блоки, паливо, теплозахист тощо. Це може збільшити бюджет у 1,5–2 рази або й більше. Отже, орієнтовно політ туди й назад (два — три ступені ракети, космічний буксир, посадковий модуль, повернення зразків) із повним життєвим циклом розробки та запуску для складних цілей може вартувати 1–2 млрд доларів (за дуже оптимістичного сценарію — менше, у разі використання багаторазового Starship і т.п.). Але для консервативних місій вартість часто перевищує 2–3 млрд.
Припустимо, що треба:
- 1 млрд дол. на розробку.
- 2 млрд дол. на запуск / доставлення / повернення (враховуючи вартість всієї логістики).
- 0,3 млрд дол. на станцію видобутку та її експлуатацію / обслуговування тощо.
У сумі вийде 3,3 млрд доларів. Якщо продавати іридій по 150 тис. дол. за 1 кг, то, щоб повернути 3,3 млрд, потрібно:
3,300,000,000 дол. / 150,000 дол./кг = 22,000 кг = 22 тонни іридію.
Це лише розрахунок «в нуль», без урахування інвестиційної привабливості, прибутку, зниження вартості у зв’язку з появою на ринку великої кількості товару тощо.
Розподіл у часі
- За 10 років (щоб «відбити» 3,3 млрд без відсотків) треба ~2,3 тонни на рік.
- За 25 років — ~0,92 тонни на рік.
- За 50 років — ~0,46 тонни на рік.
При існуючих прикладах доставлення вантажу у 2 кг на Землю з Місяця можемо порахувати, що навіть для окупності за 50 років треба виконувати 460 кг/ 2 кг = 230 місій на рік. Звісно, ціна на розробку унікальної місії та «серійної» відрізняється, також візьмемо до уваги, що базу треба побудувати умовно лише один раз. Тож в оптимістичному сценарії ціна 1 кола доставки буде оцінена в ціну запуску носія (на прикладі Falcon 9 $60–70 млн => $2,5–3 млн за тонну) та обслуговування космічного апарата.
Застосуємо такі умови:
- 3 млн доларів пуск 1 апарата вагою в тонну.
- 2 млн доларів на його обслуговування.
5,000,000 дол. / 150,000 дол./кг = 34 кг, +2 кг для виконання окупності вкладень.
За умови побудованої інфраструктури на астероїді треба за раз доставити хоча б 36 кг іридію, щоб вийти «в нуль» (що перевищує поточний рекорд у 18 разів).
З огляду на величезні початкові інвестиції, ризики, технологічну складність і невизначеність з цінами на метали, реальні космічні «майнінгові» місії поки що лишаються на рівні концептів або невеличких демонстраційних проєктів. Але зі зниженням вартості запусків та розвитком робототехніки в космосі ситуація може стати більш привабливою у майбутньому.
Тож реалії видобутку ресурсів у космосі демонструють, наскільки складно й витратно перетворити теоретичну вигоду на реальні прибутки. Навіть здобути кілька кілограмів іридію вартістю сотні тисяч доларів вимагає багатомільйонних інвестицій у розробку технологій, пуски ракет, створення автономних модулів живлення та перероблення ресурсів у суворих умовах мікрогравітації. Для будівництва повноцінної «космічної бази» чи масштабного виробництва за межами Землі потрібна ще більш розвинена інфраструктура, яка сьогодні перебуває на стадії становлення.
І все ж ми стоїмо на порозі нової ери в освоєнні космосу. Якщо місячні й марсіанські програми вже стають частиною глобального порядку денного, то перспектива видобутку на астероїдах — наступний логічний крок. Успіх перших демонстраційних місій дасть поштовх для подальшого зниження вартості запусків, розробки адаптованих роботизованих комплексів і, зрештою, комерціалізації космічних ресурсів. Нині ми стаємо свідками важливого етапу, коли освоєння Місяця та Марса ще не звершилося, а наступна амбітна мета — повноцінний видобуток ресурсів на астероїдах — стає все ближчою.
