Що знадобиться для здійснення комерційного видобутку на астероїдах?

Уявіть собі момент, коли людство вперше оселиться не на сусідньому Місяці, а на крихітному астероїді, що мандрує у безкрайому космосі. Якщо раніше ці космічні об'єкти вважалися переважно загрозою для нашої планети, то тепер їх все частіше розглядають як потенційне джерело цінних ресурсів. Це не просто мрія, а реальний проект, адже провідні державні та приватні космічні компанії вже активно працюють над втіленням цієї ідеї в життя.

У цій статті ми проаналізуємо ключові напрямки еволюції космічного видобутку, вкажемо на основних гравців у цій сфері та обговоримо, яких змін можна очікувати в найближчому майбутньому.

Протягом останніх десяти років на ринку з'явилося безліч компаній і державних організацій, які прагнуть зайняти провідні позиції в галузі видобутку ресурсів з астероїдів. Серед них виділяються NASA (США), ESA (Європейська космічна агенція), JAXA (Японія) та ряд відомих приватних підприємств. Наприклад, такі компанії, як Blue Origin і SpaceX, вже здобули популярність завдяки своїм масштабним інвестиціям у програми, пов'язані з ракетобудуванням і космічними перевезеннями. Однак існують також спеціалізовані фірми, що виникли виключно для дослідження та промислового освоєння малих небесних тіл. Серед них найбільш відомими є Deep Space Industries та AstroForge. Остання є яскравим прикладом сучасного підходу до видобутку космічних ресурсів — американський стартап, який з самого початку фокусується на експедиціях щодо видобутку та обробки платинових металів. У 2023 році в рамках програми SpaceX Rideshare компанія запустила першу демонстраційну місію Brokkr-1, метою якої було перевірити можливість рафінування ресурсів в умовах мікрогравітації. Хоча місія не досягла всіх запланованих результатів, вона надала цінний досвід і уроки, які стануть основою для наступних кроків. У подальшому AstroForge планує надсилати невеликі автоматизовані пристрої до навколоземних астероїдів для збору зразків і перевірки реальних запасів рідкісних металів. Цього разу фокус буде на астероїді 2022 OB5. Основною метою компанії є розробка повністю автономних систем для видобутку та обробки в космосі, що дозволить суттєво знизити витрати на транспортування корисних копалин на Землю. Ця ініціатива підкреслює зростаючий інтерес приватного сектора і демонструє, як інноваційні рішення можуть суттєво змінити промислові перспективи людства.

Навколоземні астероїди (NEAs) — це астероїди, чиї орбіти перетинають або знаходяться близько до земної орбіти.

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.

На сьогоднішній день видобуток корисних копалин на астероїдах ще не досяг промислового масштабу, проте вже можна спостерігати перші реальні зрушення в цій області. Безліч космічних стартапів отримують значні інвестиції від потужних бізнесменів та технологічних компаній. Їхні амбіційні проекти передбачають створення комплексної інфраструктури для видобутку та обробки ресурсів на міжпланетному рівні. Інженери та науковці інтенсивно розробляють роботизовані станції, здатні бурити та обробляти матеріали в умовах мікрогравітації, а також ефективні системи для транспортування видобутих ресурсів до місць зберігання або переробки.

Космічне право продовжує свій розвиток, а питання, кому належатимуть ресурси, видобуті в космосі, залишається актуальним. Ведуться активні дебати щодо прав власності, оподаткування та можливості уникнення "золотої лихоманки" за межами Землі.

За оцінками експертів, протягом наступних двох десятиліть може бути досягнуто перших успіхів у видобутку промислової продукції з астероїдів і створенні космічних заводів. Водночас, видобуток води з крижаних тіл також має великі перспективи: це відкриває можливість для організації заправних станцій у космосі, оскільки воду можна розділити на водень і кисень для використання в якості пального.

Уже зараз в роботі є кілька цікавих проєктів, які можуть докорінно змінити підходи людства до освоєння космічного простору:

Місія NASA Psyche має на меті дослідити астероїд Психея, який містить велику кількість металів, щоб розкрити його походження і характеристики. Космічний апарат під назвою Psyche важить близько 2,7 тонни і оснащений різноманітними інструментами, такими як багатоспектральна камера, гамма- і нейтронний спектрометри, магнітометр та система радіонавігації X-діапазону. Заплановане прибуття на астероїд відбудеться у серпні 2029 року, після чого наукові дослідження триватимуть близько 21 місяця, до травня 2031 року. Отримані результати можуть стати основою для оцінки економічної доцільності видобутку заліза та інших металевих ресурсів.

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.

Перед тим як дослідити масштаби та економічну привабливість видобутку корисних копалин з астероїдів, важливо, спираючись на успішно реалізовані місії та досягнення, усвідомити складність і потенціал такого проєкту. Для кращого розуміння зосередимося на чотирьох ключових аспектах:

Згідно з планами NASA, космічна станція Psyche повинна досягти однойменного астероїда приблизно через 3-4 роки після старту. Вага апарата становить близько 2,7 тонни, а його корисне навантаження включає чотири наукові інструменти загальною масою приблизно 30 кг. Астероїд Психея є досить великим, з діаметром близько 200-230 км, проте його гравітаційне поле залишається дуже слабким у порівнянні з Землею (приблизно 0,06-0,07 м/с²). Хоча така низька гравітація полегшує процес зльоту та посадки, вона може створювати труднощі при закріпленні обладнання на поверхні.

Астероїд 2022 OB5, що обертається навколо Землі, знаходиться на значно меншій відстані, ніж Психея, що дозволяє істотно скоротити час польоту (в середньому від 6 до 15 місяців в один бік). Це відкриває можливість завершити весь цикл місії за 2-3 роки. Компанія AstroForge планує розробити компактний зонд вагою 100 кг. На початкових етапах вона зосередиться на випробуванні технологій автономного буріння та збору зразків. Такі місії дадуть змогу оцінити економічну доцільність видобутку іридію та інших рідкісних металів з навколоземних астероїдів.

Вартість запуску на низьку навколоземну орбіту (LEO) за допомогою ракети Falcon 9 у багаторазовій конфігурації становить приблизно від 60 до 70 мільйонів доларів за місію. Якщо перевести це на вартість за тонну корисного вантажу, то вона коливається в межах 2,5-3 мільйонів доларів. Falcon 9 має можливість виводити на LEO вантажі вагою до 22-23 тонн. Проте для місій у дальній космос доступна менша маса вантажу, оскільки частина ресурсів ракети витрачається на виконання складних маневрів та досягнення необхідних швидкостей.

Іридій, один із представників платинових металів, є одним з найцінніших і найменш поширених ресурсів на нашій планеті. Його ціна може досягати приблизно 4-5 тисяч доларів за тройську унцію (близько 130-160 тисяч доларів за кілограм). Дослідження показують, що деякі астероїди можуть містити значні обсяги іридію та інших металів з платинової групи. Якщо запаси виявляться дійсно великими, це може створити потенційні можливості для вигідної комерції, хоча варто враховувати, що витрати на транспортування та технології залишаються дуже високими.

Космічна місія "Чан'е-5" була розроблена для автоматизованого збору зразків з поверхні Місяця та їх повернення на Землю. Її стартова вага перевищувала 8 тонн, а загальна маса доставленого корисного вантажу склала лише 2 кг місячного ґрунту. За допомогою спеціальної роботизованої руки та бурового пристрою, апарат зміг зібрати реголіт в умовах, де гравітація становить одну шосту від земної. Для астероїдів, що мають ще нижчу гравітацію, можуть знадобитися альтернативні технології утримання та стабілізації. "Чан'е-5" отримувала енергію в основному від сонячних панелей. У випадку тривалих або важкодоступних місій до астероїдів можуть бути використані й ядерні джерела живлення, такі як радіоізотопні термоелектричні генератори.

Буріння. У певних ситуаціях астероїди, особливо ті, що зазнали численних зіткнень і не мають атмосфери для їхнього захисту, можуть містити відкриті ділянки кори або залізо-нікелеве ядро. Це призводить до того, що глибші шари, які містять значну кількість металів, можуть виявитися практично на поверхні внаслідок ударів або руйнування реголітового шару.

Якщо астероїд є частиною ядра більшого космічного об'єкта, то вміст платинових металів, зокрема іридію, у його поверхневому шарі може перевищувати рівень, характерний для відносно однорідних кам'яних астероїдів (тип S).

Багато астероїдів мають верхній шар пухкого реголіту, який іноді може бути досить тонким. Іридій, у комбінації з іншими металами, може зустрічатися в цьому реголіті, особливо у випадках, коли астероїд піддавався частим ударам мікрометеоритів, що призводить до змішування його поверхневих шарів.

Заправка. Астероїди містять різноманітні матеріали, які можуть бути використані для створення пального, особливо в рамках космічних експедицій. Багато з них, зокрема вуглецеві (C-тип), мають великі запаси водяного льоду. Цю воду можливо розкладати через електроліз на водень та кисень — основні елементи для ефективного ракетного пального. Виробництво пального безпосередньо у космосі з добутої води здатне значно зменшити витрати на міжпланетні подорожі.

Розкладання води на водень і кисень є традиційним процесом для ракетних двигунів. Цей метод передбачає електроліз, під час якого електричний струм пропускається через воду, що призводить до утворення газоподібних водню та кисню. Після цього ці гази охолоджуються до дуже низьких температур і перетворюються на рідину, що дозволяє використовувати їх як пального для ракет.

Для проведення електролізу води, що дозволяє отримати водень і кисень, необхідні певні ключові умови та обладнання:

Для отримання рідкого водню та кисню з газової суміші використовують методи кріогенної обробки. Перед процесом зрідження важливо максимально прибрати вологу, вуглекислий газ та інші забруднення. Зазвичай газ спочатку піддається стисненню до високого тиску (в межах десятків до сотень бар). У більшості промислових установок спочатку газ охолоджується до температур, що наближаються до точки кипіння рідкого азоту (~77 K при атмосферному тиску), або ж використовують багатоступеневі системи. Спеціалізовані регенеративні або рекуперативні теплообмінники забезпечують ефективну передачу холоду від охолодженого потоку до підігрітого.

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.

Зріджений водень (LH₂) та кисень (LOX) здатні виступати в ролі складових ракетного пального. Ця комбінація вважається однією з найефективніших. Реакція Сабатьє — це класичний цикл, що забезпечує високу ефективність у виробництві ракетного пального, яке використовується як у основних, так і в маршевих 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 виконали попередній аналіз, щоб визначити, скільки водневого пального потрібно для апарату типу Odin, щоб здійснити підйом 2 кг ресурсів з астероїда Психея, використовуючи аналогію з місією "Чан'е-5". Крім того, ми провели оцінку енергетичних витрат і загальних витрат на реалізацію такої місії, спираючись на вже наявні ефективні технології.

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 енергії. Щоб виробити 7 кг водневого пального, необхідно забезпечити певну кількість енергії. Промислові електролізери мають ефективність в межах 60-80%, тому реальний витрата енергії становить зазвичай 50-60 кВт·год на 1 кг водню. Таким чином, для отримання 7 кг водню потрібно близько 350 кВт·год енергії. Сонячна панель площею 10 м², яка працює безперервно (24 години на добу, 7 днів на тиждень), може виробляти приблизно 2 кВт енергії. Отже, за тиждень безперервної роботи можна згенерувати необхідну 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.

Для невеликого демонстраційного комплексу, що складається з панелей, електролізера та робота-платформи, загальні витрати на розробку та запуск можуть легко перевищити 200-300 мільйонів доларів. У деяких випадках, з урахуванням усіх ризиків і резервів, ця сума може сягати мільярда. Це стосується лише базової установки, без урахування масштабного видобутку. Якщо ж планується створення повноцінної "шахти" з великими обсягами переробки породи, сортировки та хімічних реакторів, витрати можуть зрости до кількох мільярдів доларів.

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.

Предположим, что необходимо:

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

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:

5,000,000 доларів / 150,000 доларів за кілограм = 34 кілограми, плюс 2 кілограми для досягнення рентабельності інвестицій.

При наявності розвинутої інфраструктури на астероїді потрібно одноразово транспортувати не менше 36 кг іридію, щоб досягти беззбитковості, що в 18 разів перевищує існуючий рекорд.

Враховуючи значні початкові витрати, ризики, технологічні виклики та нестабільність цін на метали, справжні космічні місії з видобутку ресурсів наразі залишаються на стадії концептуальних ідей або невеликих демонстраційних проєктів. Проте з падінням вартості запусків та прогресом у галузі космічної робототехніки, перспектива може стати більш привабливою в 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.

Проте ми знаходимося на порозі нової ери у відкритті космосу. Якщо програми дослідження Місяця та Марса вже інтегруються в глобальний контекст, то перспектива видобутку ресурсів на астероїдах є наступним логічним кроком у цьому процесі. Успіх перших тестових місій може стати потужним поштовхом для зниження витрат на запуски, розробку спеціалізованих роботизованих систем і, зрештою, для комерційного освоєння космічних ресурсів. Сьогодні ми спостерігаємо за важливим етапом, коли дослідження Місяця та Марса ще не завершено, а амбітна мета видобутку ресурсів на астероїдах стає дедалі реальнішою.