Идея постоянного города на Марсе давно перестала быть исключительно научной фантастикой. NASA, SpaceX и другие организации уже открыто обсуждают пилотируемые миссии и создание долговременных поселений на Красной планете. Однако новое исследование показывает: одной из главных проблем будущей марсианской цивилизации может стать вовсе не радиация или нехватка кислорода, а дефицит материалов для промышленности.
Согласно работе группы исследователей под руководством Серены Суриано, для устойчивого существования колонии на Марсе человечеству, вероятно, придется начать добычу ресурсов в поясе астероидов. Исследование опубликовано в виде препринта на arXiv, а его результаты обсуждаются в материале Universe Today.
Почему Марс не сможет обеспечить колонию всеми ресурсами
На первый взгляд Марс кажется относительно богатой планетой. Там есть большие запасы железа, кремния, алюминия и других распространенных элементов. Однако для создания полноценной промышленной базы этого недостаточно.
Современные технологии требуют большого количества редких и специализированных материалов:
- молибдена;
- бора;
- никеля;
- кобальта;
- платиновых металлов;
- редкоземельных элементов.
Именно такие материалы необходимы для производства электроники, высокопрочных сплавов, энергетических систем, химических установок и сложного оборудования.
Исследователи отмечают, что Марс может оказаться беден частью этих ресурсов. В результате колония окажется зависимой от поставок с Земли, что создаст огромные логистические и экономические проблемы.
Для сравнения: доставка грузов на Марс занимает месяцы, а стартовые окна между Землей и Марсом открываются примерно раз в 26 месяцев. Это делает регулярные поставки крайне сложными и дорогими.
Почему пояс астероидов считается потенциальным источником ресурсов
Пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера содержит огромное количество металлических тел. Многие из них представляют собой остатки раннего формирования Солнечной системы.
Некоторые астероиды богаты:
- железом;
- никелем;
- кобальтом;
- водой;
- углеродными соединениями;
- силикатами.
По сути, они могут стать естественными «рудниками» для будущей космической экономики.
Особый интерес представляют металлические астероиды. Предполагается, что часть из них является остатками древних протопланет, потерявших внешние слои после гигантских столкновений в ранней Солнечной системе.
Например, астероид Психея, который сейчас изучает миссия NASA Psyche, считается одним из крупнейших металлических объектов в поясе астероидов. Его состав может напоминать металлическое ядро молодой планеты.
Главная проблема — не добыча, а транспортировка
Авторы нового исследования подчеркивают: добывать ресурсы на астероидах теоретически возможно уже при технологиях ближайших десятилетий. Гораздо сложнее доставить эти материалы к Марсу.
Проблема упирается в фундаментальные законы орбитальной механики.
Чтобы добраться до астероида, провести добычу, а затем вернуться на Марс, космическому кораблю требуется огромный запас энергии. В космонавтике это измеряется параметром delta-v — изменением скорости, необходимым для выполнения маневров.
Исследователи моделировали транспортную систему, основанную на характеристиках, близких к кораблю Starship компании SpaceX:
- сухая масса — около 120 тонн;
- полезная нагрузка — около 115 тонн;
- запас топлива — примерно 1100 тонн.
Даже при таких параметрах корабль не способен выполнить прямой рейс к металлическому астероиду и обратно на одном запасе топлива. Для большинства подходящих астероидов требуется delta-v порядка 10–12,8 км/с, тогда как возможности системы ограничены примерно 6,4 км/с.
Космические «заправки» между астероидами
Чтобы решить проблему, исследователи предложили сложную многоэтапную логистическую систему.
Согласно модели, космический корабль должен совершать сразу несколько остановок:
- Полет к металлическому астероиду для добычи металлов.
- Затем перелет к углеродистому астероиду типа C.
- Производство топлива прямо на астероиде.
- Возвращение к Марсу с грузом ресурсов.
Главная идея заключается в использовании местных ресурсов для дозаправки. Углеродистые астероиды содержат воду и летучие вещества, из которых можно производить ракетное топливо. Этот подход называется ISPP — In-Situ Propellant Production, то есть производство топлива из местных ресурсов.
Фактически ученые предлагают создать в космосе сеть своеобразных промежуточных топливных баз.
Насколько эффективной будет такая система
Расчеты показывают, что при существующих технологиях система работает крайне медленно.
Исследователи нашли только 22 пары астероидов — металлических и углеродистых — которые подходят для подобной логистики в период с 2040 года в течение двадцатилетнего окна запусков.
При этом один полный цикл миссии может занимать около десяти лет.
Причин несколько:
- сложные орбитальные траектории;
- необходимость ожидания благоприятного расположения планет и астероидов;
- чрезвычайно медленное производство топлива.
Согласно расчетам, скорость получения топлива из местных ресурсов может составлять всего около 2 килограммов в сутки. Для заполнения огромных баков корабля потребуются многие годы.
В результате один корабль за двадцать лет сможет доставить к Марсу лишь около 200 тонн металла.
Для сравнения: современные земные металлургические предприятия производят миллионы тонн металлов ежегодно.
Почему ученые все равно считают идею перспективной
Несмотря на огромные ограничения, авторы исследования подчеркивают: работа показывает принципиальную физическую реализуемость такой системы.
Это важный момент.
Многие идеи космической колонизации десятилетиями оставались чисто теоретическими без конкретных инженерных расчетов. Новая работа впервые пытается оценить реальную логистику межпланетной добычи ресурсов с учетом ограничений современных технологий.
Кроме того, исследование показывает ключевые направления развития технологий:
- ускорение производства топлива из местных ресурсов;
- создание более эффективных двигателей;
- развитие автономной роботизированной добычи;
- улучшение систем хранения топлива;
- использование электрических двигателей вместо химических.
Не только химические ракеты
Авторы отдельно отмечают, что расчеты основаны преимущественно на традиционных химических двигателях.
Однако в будущем ситуацию могут изменить другие технологии:
- солнечные электрические двигатели;
- ионные двигатели;
- ядерные энергетические установки;
- солнечные паруса.
Такие системы обладают гораздо более высокой эффективностью использования топлива, хотя и обеспечивают меньшую тягу. Для грузовых межпланетных перевозок это может оказаться приемлемым компромиссом.
Например, современные ионные двигатели уже успешно применялись в миссиях Deep Space 1, Dawn и Psyche.
Марсианская колония потребует космической экономики
Новое исследование хорошо вписывается в растущую концепцию «внеземной экономики».
Все больше ученых считают, что устойчивое присутствие человечества на Марсе невозможно без масштабной промышленной инфраструктуры в космосе.
Причина проста: доставка всего необходимого с Земли слишком дорога.
Даже сегодня запуск одного килограмма груза в космос стоит тысячи долларов. Несмотря на снижение стоимости запусков благодаря многоразовым ракетам, строительство полноценного города на Марсе потребует миллионов тонн оборудования, топлива, строительных материалов и промышленных компонентов.
Поэтому долгосрочные проекты все чаще предполагают:
- добычу воды на Луне;
- производство топлива в космосе;
- переработку астероидов;
- космическое производство металлов;
- создание орбитальных транспортных узлов.
Почему астероидная добыча вызывает споры
Несмотря на растущий интерес к астероидному майнингу, эта тема остается крайне спорной.
Пока не существует полноценной международной системы регулирования добычи ресурсов в космосе. Некоторые страны уже приняли законы, позволяющие компаниям владеть добытыми внеземными ресурсами, однако единых международных правил до сих пор нет.
Кроме того, ученые обсуждают возможные риски:
- загрязнение космической среды;
- создание опасного мусора;
- военное использование технологий перемещения астероидов;
- экономические конфликты между государствами и корпорациями.
Особенно чувствительным считается вопрос управления крупными астероидами. Даже небольшое изменение траектории подобного объекта потенциально может представлять угрозу для планет.
Почему строительство города на Марсе остается крайне сложной задачей
Даже без учета добычи ресурсов Марс остается чрезвычайно враждебным миром.
Главные проблемы:
- слабая атмосфера;
- высокий уровень радиации;
- низкие температуры;
- отсутствие глобального магнитного поля;
- дефицит жидкой воды на поверхности;
- низкая гравитация.
При этом создание полноценной самодостаточной промышленности потребует колоссального количества энергии, материалов и оборудования.
Поэтому многие исследователи считают, что первые десятилетия марсианские поселения будут зависеть от сложной цепочки поставок между Землей, Луной, орбитальными станциями и астероидами.
Астероиды могут стать основой будущей космической цивилизации
Хотя сегодня идея добычи ресурсов в поясе астероидов звучит футуристично, многие технологии, необходимые для этого, уже существуют в зачаточном виде.
Человечество уже умеет:
- автоматически садиться на астероиды;
- брать образцы грунта;
- использовать электрические двигатели;
- проводить длительные автономные миссии;
- создавать многоразовые ракеты.
Следующий шаг — переход от научных миссий к промышленным операциям.
Если это произойдет, пояс астероидов может превратиться в крупнейшую ресурсную базу человечества за пределами Земли. А строительство города на Марсе станет не только задачей колонизации другой планеты, но и началом формирования полноценной экономики всей внутренней части Солнечной системы.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
