Полезные ископаемые на астероидах: отправляться за ними лучше с Марса

+7 926 604 54 63 address
Phobos image by Mars Express
Спутник Марса Фобос — снимок орбитального аппарата Mars Express.

Астрономы рассчитали «стоимость» запуска в обозримом будущем ракеты для добычи полезных ископаемых на астероидах Главного пояса между Марсом и Юпитером. Для этого определяется специальный параметр задачи орбитальной механики — характеристическая скорость манёвра сближения с астероидом, или дельта-V, — который непосредственно связан с требуемой массой топлива на корабле. Оказывается, отправку аппарата к астероидам можно существенно удешевить, если стартовая станция будет расположена на орбите вокруг Марса, например, на его спутнике Фобосе или на орбите такой же высоты.

Largest Main Asteroid Belt objects
42 самых крупных астероида Главного пояса.

Астероиды в будущем могут быть интересны как источники железа, драгоценных металлов, воды и других ресурсов — не обязательно для землян, но для обитателей космических станций или лунных и марсианских баз. Добыча полезных ископаемых на астероидах, если (когда) она начнётся, вероятно, сначала будет происходить с околоземных космических тел — астероидов, чьи орбиты пересекают земную. Такие объекты называют NEO (Near Earth Objects). Первые шаги в этом направлении уже сделаны — с нескольких астероидов удалось отобрать образцы материала и доставить их на Землю. Все (три) объекта — околоземные астероиды. Аппарат OSIRIS-Rex с образцами с Бенну ещё в пути, а капсулы с образцами от двух японских станций «Хаябуса» уже приземлились (подробнее об этом мы писали в 2020 году). Но в долгосрочной перспективе придётся перебраться на астероиды Главного пояса, расположенные между орбитами Марса и Юпитера — астероиды MBA (Main Belt Asteroids). Хоть NEO-астероиды и ближе, но у них есть существенный недостаток — их мало. Астероидов Главного пояса в десятки тысяч раз больше, соответственно там наверняка есть чем поживиться, то есть сделать экспедиции к ним за полезными ископаемыми окупаемыми в отдалённой перспективе. Кроме того, для расчёта стоимости коммерческого предприятия нужно знать стоимость (количество топлива) выполнения манёвров в космосе: торможения космического корабля возле астероида, и затем — разгона корабля для дороги назад с ценным грузом.

OSIRIS-REx approaching asteroid Bennu
Аппарат OSIRIS-Rex, который доставит на Землю образцы породы с околоземного астероида Бенну. NASA/Goddard/University of Arizona.
Porkchop plots for Mars launch
Номограммы (porkchop plots) для расчёта затрат топлива и выбора подходящего стартового окна для запуска корабля к Марсу. Контуры соответствуют решениям задачи полёта с одинаковым значением характеристический энергии для манёвра C3 — ещё одного важного параметра в космонавтике, связанного с delta-V.

Определение количества топлива, которое необходимо иметь на борту, — сложная и многопараметрическая задача. Топливо в основном расходуется во время разгона и затем торможения возле космического тела — выполнения манёвра сближения, или rendezvous. Один из наиболее критичных параметров в космонавтике, который определяет затраты топлива, — это характеристика космического манёвра под названием ΔV, или «дельта-V», она же — характеристическая скорость орбитального манёвра. Параметр имеет размерность скорости и измеряется в м/с или км/с. Он действительно соответствует изменению скорости, но в очень простой конфигурации — при торможении или разгоне по прямой, причём при условии, что расходуется всё содержимое топливного бака. Обычно манёвры встречи с небесным телом сложнее, поскольку ракеты движутся по орбитам, соответственно изменяется и скорость, и направление движения. Кроме того, реактивное движение — это задача на движение тела переменной массы, поскольку в процессе манёвра расходуется топливо на борту. Таким образом, во всех реальных случаях delta-V не вполне интуитивен, но даёт представление о возможностях корабля с его запасом топлива.

Для выхода на околоземную орбиту delta-V примерно равен космической скорости (7,8 км/сек), а для манёвров коррекции или поддержания орбиты, например, как постоянно приходится делать на МКС, его значение измеряется всего несколькими десятками м/с в год. Для обеспечения манёвра встречи с типичным околоземным астероидом при благоприятных условиях значение delta-V составляет порядка 4 км/сек. Для астероидов Главного пояса этот параметр будет около 7 км/сек. На первый взгляд разница не такая уже и большая, но здесь нужно понимать, что количество топлива для манёвра растёт с увеличением delta-V экспоненциально, поэтому на таких скоростях даже небольшое увеличение параметра может сделать полёт нереально затратным. О «самоокупаемости» при добыче веществ с астероида здесь речь даже не идёт — может оказаться, что количество топлива, которое должна нести ракета, превышает массу, которую можно вытолкнуть в космос при помощи того же топлива.

Delta-V for NEO and MBA asteroids
Количество тел Главного пояса и околоземных астероидов, достижимых при заданных значениях параметра delta-V: с земной орбиты (сверху) и с орбиты Марса (внизу). Planetary and Space Science 214, 105450 (2022).
Phobos and Deimos viewed from Martian surface by Spirit rover
Фобос и Деймос — вид с поверхности Марса (марсоход Spirit, 2005 г.)

Астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) показали, что добычу ископаемых с астероидов Главного пояса можно сделать более окупаемой, если запускать космические аппараты не с Земли, а со станции, расположенной на орбите Марса, например, на том же расстоянии, что и его спутник Фобос (6 тысяч километров от марсианской поверхности), или непосредственно с Фобоса. В этом случае параметр дельта-V для таких манёвров будет существенно ниже и окажется (почти) в пределах современных технических возможностей. Кроме того, Марс как базовая станция также предоставляет ряд преимуществ по сравнению с Землёй кроме самого очевидного: он просто находится ближе к искомым астероидам. Орбита Земли практически круговая, а Марса — более вытянутая (обладающая более высоким эксцентриситетом), и она сильнее наклонена по сравнению с земной к плоскости Солнечной системы. Это означает, что астероиды с Марса в среднем более достижимы — можно улучить момент и выбрать более подходящий момент старта к какому-либо объекту, подождав, когда Марс займёт более благоприятное положение на орбите. Это также уменьшает расход топлива на запуск ракет, то есть параметр delta-V. Астрономы разработали программный код на питоне для решения задачи подлёта с марсианской орбиты до конкретного астероида (в орбитальной механике она носит название задачи Ламберта) и рассчитали значения delta-V для сотен тысяч астероидов Главного пояса с использованием нескольких сценариев запуска корабля к ним — в частности, рассматривались сценарии с двумя и тремя периодами включения двигателей. Для ста тысяч астероидов delta-V оказывается около 4 км/с, то есть сопоставимо с околоземными астероидами (при полётах с Земли), ещё для 340 тысяч — около 5 км/с. Статья о результатах такого масштабного моделирования вышла летом 2022 года в Planetary and Space Science.

SCAR-E asteroid robotic miner
SCAR-E (Space Capable Asteroid Robotic Explorer) — проект робота для добычи ископаемых на астероидах. AMC/Tohoku University.

Про астероиды кроме околоземных мы знаем не очень много, и в основном это данные спектроскопии. Недавно в космос отправился аппарат Lucy, который исследует семь астероидов, шесть из которых находятся ещё дальше, чем MBA — на орбите Юпитера. По дороге он захватит и один астероид Главного пояса. Но подлёта к целевым объектам и научных результатов следует ждать ещё около десяти лет. Подробнее про проект «Люси» см. в отдельной статье. Проект «Психея» NASA планировался более скорым — космический аппарат должен был достичь одноимённого астероида уже в 2026 году (старт, намеченный на лето 2022 года, пока отложили). Из достижений в этой области — упомянутые экспедиции по доставке образцов с трёх ближних астероидов, а также возможности подробного исследования марсианскими аппаратами спутников Марса, которые, как считают, являются захваченными астероидами. «Полезные ископаемые» с астероидов на сегодня — несколько грамм образцов с Итокавы, Рюгу и Бенну — о промышленной добыче пока речи не идёт. Но интересно, что соответствующие стартапы уже существуют, и эксперты на полном серьёзе подсчитывают стоимость астероидов (можно ознакомиться, например, с такой сводной табличкой). Одна из компаний называется Asteroid Mining Corporation; пока что она совместно с университетом в Японии разработала проект робота, который должен заниматься извлечением полезных ископаемых с астероидов. Сложно сказать, в чём фишка таких бизнес-моделей; может быть, часть из них — сродни историям про «космический рынок недвижимости» с продажей участков на Луне и Марсе. Но возможно, такие инвестиции, поддерживаясь за счёт интереса к космической теме, могут иметь на выходе осязаемые научные результаты в астрофизике, а также развитие прикладных технологий — скажем, робот SCAR-E до отправки на астероид может пригодиться в земной горнодобывающей промышленности.

Psyche asteroid
Астероид Психея относится к классу m. Это значит, что он содержит металлы вроде железа и никеля в более высокой концентрации по сравнению с астероидами других классов. Проект NASA предполагает отправку космического аппарата к Психее с достижением астероида в 2026 году.
.
Комментарии