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.
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.
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.
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.
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.
