В течение десятилетий идея добычи полезных ископаемых на Луне была чистой научной фантастикой для большинства и дикой концепцией даже для самых ярых её поклонников. Теперь технические достижения и даже политическая поддержка делают все это реальной возможностью.
Люди ступили на Луну 50 лет назад, но с тех пор никто толком не придумал, как лучше всего использовать ближайшего соседа Земли. В этом месяце, издав указ, разрешающий американским компаниям разрабатывать полезные ископаемые на Луне, администрация нынешнего президента США открыла дверь к возможному коммерческому будущему Луны.
Этот указ поставил точку в дискуссии об отношении США к Договору по космосу 1967 года. Подписанный во время Холодной войны, договор запрещал национальный суверенитет над внеземными телами, но не запрещал их коммерческого использования.
Договор, просуществовавший 60 лет, получил смертельный удар в 2015 году, когда администрация Обамы подписала закон о конкурентоспособности коммерческих космических запусков США, который сделал законным для американцев владеть и продавать товары, добытые/произведенные за пределами планеты.
Новый указ ясно показывает, что нынешняя администрация поддерживает эту идею. Но чтобы открыть Луну для добычи полезных ископаемых, требуется нечто большее, чем просто издание закона. Технические и экономические проблемы, связанные с такой попыткой, оказались огромными с тех пор, как эта идея впервые появилась в 1960-х годах.
Группа промышленников, инженеров и ученых со всего мира потратила десятилетия на создание инфраструктуры, необходимой для превращения Луны в промышленную зону. Эксперименты и прототипы возможной лунной шахты появились в правительственных и частных лабораториях. Критические важные области, такие как компактные средства производства электроэнергии, космическая робототехника, продвинулись до такой степени, что новая схема не только имеет смысл, но и фактически возможна.
Но что можно добывать на Луне?
На Луне есть много привлекательных ресурсов, включая металлы для строительства, кремний для солнечных панелей и, самое главное, возможна добыча гелия-3, который может быть использован в гипотетических термоядерных реакторах. Преобладающая идея состояла в том, чтобы добывать вещества, которые распространены на Луне, но редки на Земле, и перевозить их на Землю, чтобы продать.
Со временем возник другой вопрос: А что, если эти деньги можно было бы заработать, продавая товары для использования в космосе? Товар очевиден — это прежде всего кислород.
Однако, есть один интересный факт — на Луне есть собственный кислород (в составе соединений, естественно).
Идея состояла в том, чтобы добывать кислород для использования в качестве топлива и в системах жизнеобеспечения, а весь необходимый водород доставлять с Земли. (НАСА все еще рассматривает такую возможность.)
Такой вид добычи может быть осуществлен в любом месте Луны, путем соскабливания пропитанного О2 реголита. И теперь есть веские основания использовать запас лунного водорода, а это означает погоню за большими концентрациями лунного льда, собранного в кратерах.
На орбите Луны находился целый флот космических аппаратов дистанционного зондирования, начиная с новаторского зонда «Клементина» и заканчивая современным лунным разведывательным орбитальным аппаратом, и они обнаружили залежи льда внутри глубоких темных кратеров.
Результат попадания LCROSS в Луну (источник https://www.universetoday.com/76329/water-on-the-moon-and-much-much-more-latest-lcross-results/)
Более 10 лет назад космический аппарат под названием LCROSS врезался в кратер. Следующий космический аппарат пробовал полученный шлейф. Датчики определили, что более 5 процентов массы шлейфа составляет вода.
Итак, там есть лед, но у исследователей все еще есть много вопросов по этому поводу.
НАСА финансировало целую серию небольших миссий, часто проводимых новым космическим компаниям, чтобы отправить луноходы для исследования Луны. Компания The Commercial Lunar Payload Services (CLPS) планирует запустить в следующем году первые роботизированные миссии, чтобы собрать более подробные сведения по химическому составу. Новые транспортные средства, такие как «Лунный Рейнджер», будут снабжаться датчиками для измерения состава реголита, включая содержание воды.
Венцом миссии станет Viper, который в 2022 году начнет исследования на полюсах Луны. Вооруженный серьезным набором оборудования, включая дрель, эта машина размером с автомобиль поможет создать первую карту водных ресурсов Луны.
Подробнее про проект Viper на сайте НАСА https://www.nasa.gov/viper/overview
Все эти миссии помогут создать будущую обитаемую лунную базу НАСА, но эта информация также будет полезна и шахтерам. Есть много открытых вопросов о том, как и особенно когда астероиды принесли воду на Луну. Выяснив это, можно существенно точнее спрогнозировать что же находится внутри кратеров.
Как добывать ископаемые на Луне
Добыча минералов на Луне не совсем похожа на земную добычу. Некоторые сторонники лунной добычи разработали новый способ извлечения мерзлых веществ из ледяного реголита: термическая добыча.
Термическая добыча использует тепло нагревание лунной поверхности при достаточно высоких температурах, чтобы преобразовать лед сразу в водяной пар, по существу минуя жидкую фазу через процесс, называемый сублимацией. Затем пар улавливался в большом тенте, замораживается и транспортируется на электролизную установку, где лед расщеплялся на водород и кислород.
Новая статья Sowers’ описывает его работу в рамках гранта НАСА, чтобы показать, что такая система разработки поможет извлечь компоненты топлива из лунного материала. «Эффективность прямого нагрева при сублимации льда из ледяных образцов реголита была продемонстрирована в ходе нашего исследования NASA Innovative Advanced Concepts, доказывающего, что термическая добыча может сработать”, — говорится в докладе.
В докладе также оцениваются окончательные размеры завода по производству топлива на Луне. «Завод по производству ракетного топлива весит чуть более 26 тонн, производить 1100 тонн топлива в год и может быть спроектирован и развернут на Луне примерно за 2,5 миллиарда долларов”, — говорится в документе Сеуэрса. «Предварительный бизнес-кейс показывает, что положительная отдача может быть получена на основе как коммерческих, так и государственных потребностей в топливе [включая функции дозаправки геостационарных спутников для достижения их конечных орбит] при условии срока эксплуатации не менее 10 лет.”
Во всем этом есть один большой нюанс. Материал должен быть нагрет до очень высокой температуры, чтобы лед превращался в пар на эффективном, в промышленном масштабе, уровне. В статье подсчитано, что для промышленных термических горнодобывающих процессоров потребуется 2,8 мегаватта мощности. Проблема в том, как генерировать такое количество энергии внутри глубокого кратера на Луне.
Одним из вариантов был бы небольшой ядерный реактор, и НАСА, работав над этим проектом, сделало несколько прорывов. В 2018 году исследователи из Лос-Аламосской Национальной лаборатории и НАСА запустили свой киловаттный реактор с использованием технологии Стирлинга (KRUSTY).
KRUSTY — Kilopower Reactor Using Stirling Technology (подробнее про него можно глянуть на Вики https://ru.wikipedia.org/wiki/Kilopower)
В НАСА нравится этот реактор деления, потому что он соединен с двигателем Стирлинга, и работает по замкнутому циклу. Это долговечное устройство с низким уровнем технического обслуживания, которое может эффективно питать внеземные тепловые шахты.
Загвоздка здесь в том, что KRUSTY использует высокообогащенный уран Y-12 в качестве источника топлива. Эти реакторы легче, и такая компактная мощность является неотъемлемым плюсом для космических полетов. Но они также являются самым легким способом получения ядерного устройства, поэтому работа с ними означает непомерно высокие затраты на логистику и обеспечение безопасности.
По этим причинам в последние несколько лет наблюдается рост числа небольших, коммерчески доступных реакторов на низкообогащенном уране (НОУ). Называемые микро-модульными реакторами, или (micro-modular reactors) MMR, они предназначены для самых удаленных мест на Земле. Эти компании также услышали просьбы лунных шахтеров, и некоторые из них адаптировали свои технологии для космических полетов.
Одной из таких компаний является UltraSafe Nuclear Corp, которая продает реакторы деления НОУ и адаптировала один из них под названием Pylon для использования на Луне. «Разведка лунных ресурсов в постоянно затененных кратерах и использование тепловой энергии для переработки местных ресурсов — задача, хорошо подходящая для ядерной энергетики«, — отмечают исследователи компании в презентации white paper. «Тем не менее, несмотря на исключительный потенциал, ядерная энергия часто не рассматривается в дальнейшем из-за развития технологий и политических соображений. Однако последние события показывают, что проблемы технологического развития и политики преодолимы.”
Другие проекты по добыче полезных ископаемых на Луне
Идея ядерной термальной добычи минералов из Лунного грунта не единственная.
Европейское космическое агентство (ESA) продвигается вперед с системой электролиза расплавленной соли, которую оно называет “первым примером прямой порошковой обработки твердого имитатора лунного реголита, который может извлекать практически весь кислород«.
Реголит помещают в металлическую корзину с расплавленной солью хлористого кальция, которая служит электролитом, а затем нагревают.
Вместо того чтобы плавить реголит, системе нужно только нагреть материал до 950 градусов Цельсия. Согласно данным ESA, электрический ток заставляет кислород выделяться из реголита. «В качестве бонуса этот процесс также превращает реголит в пригодные для использования металлические сплавы», — говорит космическое агентство.
”Возможность получать кислород из ресурсов, найденных на Луне, будет чрезвычайно полезна для будущих лунных поселенцев, как для дыхания, так и для производства местного ракетного топлива», — говорит Бет Ломакс из Университета Глазго, чья докторская работа в области технологий поддерживается ESA.
Добыча полезных ископаемых на Луне, когда-то казалась фантастической, но теперь идея переполнена реальными концепциями о том, как извлечь ценные ресурсы нашего спутника.
По материалам:
https://www.popularmechanics.com/space/moon-mars/a32253706/history-moon-mining/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Kilopower
https://www.nasa.gov/viper/overview