Индустриальное направление освоения космоса, от спутниковых систем, к космическим колониям
Современное человечество стоит на пороге перехода в космическую эру, но вместо того, чтобы делать решительные шаги в новое пространство, продолжает неуверенно топтаться у его порога.
Предстоящая космическая экспансия обещает принести с собой новый цивилизационный подъем, последствия которого сейчас могут показаться фантастикой. Так же как уровень современной цивилизации, к которому привели морская экспансия и технологическая революция прошлого, показался бы чудом жителю средневековой Европы. Космическое пространство доступно для современного транспорта, другие планеты исследуются земными зондами, развивается практическое освоение космоса спутниками, мощь мировой экономики позволяет начать колонизацию космоса в любой момент, но колонизация космоса не начинается и даже не предполагается в ближайшем будущем. И основное препятствие на ее пути, это не дороговизна космических полетов, а отсутствие жизнеспособной стратегии, которая смогла бы сделать развитие человеческой деятельности за пределами земли практически целесообразным и необходимым.
Я могу предложить новый сценарий развития космической индустрии, доступный по уровню технологий и целесообразный с точки зрения экономики, способный направить расширение мировой индустриальной системы за пределы земли, и дать старт началу космической эры в течение ближайших десятилетий. Этот сценарий развития предполагает постепенный, многоэтапный переход от современной спутниковой индустрии к космическим колониям будущего. Он не имеет таких сдерживающих факторов как сверхзатратные некоммерческие проекты или необходимость использования недоступных технологий. Его основное преимущество не в технологиях, а в новых методах координации деятельности, более гибких и адаптированных к специфическим условиям космоса. Его конечная цель, это не создание отдельно взятых баз на луне или марсе, а превращение земли в метрополию космической промышленной империи.
Преддверие и начало космической эры.
Стремление людей к освоению космического пространства появилось вместе с осознанием того факта, что земля не центр вселенной, а песчинка в космическом океане, летящая в окружении бесчисленных звезд и планет, в чем-то похожими на землю, но особенными и уникальными мирами.
Первые концепции космических полетов, были умозрительными и больше приключенческими, чем научными. Для полетов в космос предполагалось использовать воздушные шары или мощные пушки. Тогда сама возможность полетов за пределы земли, казалась чем-то фантастическим и экстраординарным.
В начале прошлого века появились первые научно обоснованные концепции, в которых возможности космических полетов и перспективы космической экспансии были просчитанными. В России первым теоретиком космонавтики бы Константин Циолковский (1857 – 1935), предложивший для полетов в космос использовать химические ракеты на жидком топливе, современного типа. И разработавший теорию развития космической цивилизации. В Европе, проекты межпланетных полетов прорабатывались «Британским межпланетным обществом». Предложившем в 1937 году проект полетов на луну при помощи мощной ракеты на твердом топливе.
Во время второй мировой войны, немцы разработали первую баллистическую ракету – «Фау -2» генеральным конструктором которой был «Вернер Фонбраун». После войны появилось ядерное оружие. Баллистические ракеты идеально подходили в качестве носителя атомных боеголовок, что подтолкнуло крупнейшие страны к быстрому развитию ракетных технологий. После войны Фонбраун эмигрировал в США, где стал генеральным разработчиком ракет в Америке. В ССР генеральным конструктором был последователь Циолковского «Сергей Королев».
В СССР под руководством Королева, была разработана первая мощная межконтинентальная ракета, которая создавалась как носитель водородной бомбы, но была использована для первых космических полетов. Эта ракета до сих пор производится серийно, и сейчас под названием «Союз», используется для полетов на МКС.
В США, успехи русских подтолкнули правительство к усилению своих национальных космических программ. Что привело к началу космической гонки между СССР и США, которая продолжалась до конца восьмидесятых годов и значительно ускорила прогресс в ракетных и космических технологиях. Вершиной американской космонавтики, были, серия пилотируемых полетов на луну, по программе «Аполлон», и многоразовая транспортно космическая система «Спейс Шаттл», закрытая в 2011 году.
Первые космические полеты вызывали к себе большой интерес, и первые десятилетия космической гонки с множеством прорывных достижений и громких заявлений создали иллюзию того, что колонизация космоса это дело недалекого будущего. Государственные космические агентства, пославшие людей на орбиту и на луну, скоро начнут создание постоянных баз на луне и другие, более масштабные шаги в освоении внеземного пространства. Но с ослаблением космической гонки начал слабеть и интерес государственных ведомств к качественно новым космическим программам. Прогресс в космонавтике начал замедляться.
Сейчас становится очевидным, что государственные программы сами по себе не способны привести к качественно новым шагам в развитии космонавтики. Переход к колонизации космоса государственными агентствами первоначально не предполагался. Они использовали космические программы только как средство укрепления политического и государственного престижа. Кроме того, бюджетного финансирования на масштабное освоение космоса попросту не хватит, его хватает только на исследования. Поэтому в последнее десятилетие резко возрос интерес к проектам практического освоения космоса.
Коммерческие проекты освоения космоса.
Коммерческие проекты в отличие от бюджетных не требуют искусственного — «Мобилизационного», финансирования, они развиваются за счет естественного притока денег от частных корпораций и промышленности. Но главное отличие коммерческих проектов не в том, что они снижают государственные расходы. В конечном итоге не так важно кто обеспечит создание первых баз в космосе, государства или корпорации. А в том, что коммерческие проекты рассчитаны на извлечение прямой выгоды, и поэтому способны привлекать новые инвестиции к своему дальнейшему развитию. Инвестиционная привлекательность частных проектов, способна обеспечить им быстрый рост, по принципу снежного кома. Чем больше проект развивается, тем больше он привлекает денег в свое дальнейшее развитие, и так далее, пока не произойдет пресыщение рынка или исчерпание ресурсов.
Способность к росту и переносу технологической среды с земли в космическое пространство, делает коммерческие проекты потенциально способными создать основу будущих космических колоний. Можно себе представить проект государственной базы на другой планете, служащей для научных исследований и демонстрации возможностей человечества. Но сложно представить, что на месте демонстрационной базы через десятки лет, вырастет космический город с многочисленным населением, развитой инфраструктурой и производственными предприятиями. Государственного финансирования на это никогда не хватит. Но если база частная, и она служит для добычи каких-то полезных ресурсов, ее разрастание в колонию уже не кажется невероятным.
Первые государственные проекты служили для проверки потенциальных возможностей деятельности за пределами земли и научных целей. Но демонстрационные и научные экспедиции не позволяют перейти к более масштабной деятельности. Поэтому интерес общества переходит к практическим целям освоения космоса и коммерческим проектам, способным создать опорные точки для развития будущих космических колоний и запустить процесс дальнейшей колонизации внеземного пространства.
В космосе много свободного пространства и разнообразных ресурсов, но сейчас практически используется только околоземное пространство. Большая высота полета спутников используется для связи на большие расстояния и площади, и для наблюдения за земной поверхностью. Спутники связи и зондирования земли, составляют основу глобальной спутниковой группировки. Коммерческая индустрия космических информационных услуг сейчас одно из самых быстро развивающихся направлений экономки, ее общий оборот составляет около 300, 400, миллиардов долларов в год и продолжает быстро расти.
Спутниковая индустрия заняла прочное место в экономике и информационной системе земли, но осваивать космос одними спутниками нельзя. Спутники, это автоматы, прочно привязанные к своим орбитам и узким сферам информационных услуг. По сути дела, спутники, это придаток земной информационной системы. Спутниковая индустрия не рассчитана на разнообразную деятельность и сама по себе она не может служить средством для создания космических колоний. Она успешно решает задачу практической индустриализации околоземного пространства, но не позволяет начать экспансию человеческой техносферы за пределы земли. Для начала полноценной колонизации космоса нужно развитие новых направлений.
В последнее десятилетие начали активно прорабатываться перспективные проекты, связанные с освоением космических минеральных ресурсов.
Подобные сырьевые, проекты были и раньше. В СССР, был проект добычи титана на луне, в США, проект, строительства орбитальных солнечных электростанций из добываемых на луне металлов. Но, из-за больших затрат, добыча в космосе материалов широкого потребления не рентабельна. Титан, сталь, или алюминий, доставляемые с луны на землю, были бы золотыми. Использование лунных материалов для строительства разнообразных объектов на орбите, может быть выгодным, благодаря относительной простоте выведения на орбиту с луны. Но развитие этого направления потребовало бы колоссальных затрат, без возможности быстро вернуть вложенные средства. Проекты подобного рода не получили практического развития.
Современные сырьевые проекты, рассчитаны на добычу особенно ценных сырьевых ресурсов, высокая цена которых делает оправданными затраты на космический транспорт. Это добыча драгоценных металлов, и редкоземельных элементов на астероидах, или радиоактивного сырья на луне.
Металлы платиновой группы и редкоземельные элементы широко используются в производстве электроники, компьютеров, сотовых телефонов, микросхем. Электронная индустрия быстро растет и мировые запасы редкоземельных элементов истощаются. Крупные корпорации, обеспокоенные дефицитом редких металлов начали финансирование проектов по их добычи на астероидах. На астероидах, содержание ценных металлов выше, чем на земле и их запасы практически не ограничены.
Так же широко известен проект NASA связанный с добычей изотопа «Гелия – 3» из лунного грунта. При термоядерном горении этого изотопа выделяется значительно меньше радиоактивных частиц, что дает надежду на чистую ядерную энергетику в будущем. Проект промышленной добычи Гелия – 3 чрезвычайно затратный и долгосрочный, у него много недостатков. Но это одно из официально признанных перспективных направлений практического освоения космоса.
Известные сырьевые проекты позволяют сделать рентабельной добычу некоторых внеземных ресурсов. Переход коммерческой космонавтики к освоению внеземного минерального сырья даст ей бесспорное преимущество. Но к недостаткам этих проектов можно отнести то, что это новые сферы деятельности, не связанные с уже развившейся космической индустрией. Индустриальной системы работающей в этом направлении еще нет, а следовательно, доведение до практической реализации потребует много времени и больших финансовых затрат. А, кроме того, добыча ценных сырьевых ресурсов, это довольно узкое направление деятельности в масштабах мировой экономики. И само по себе оно не позволяет быстро начать широкомасштабную колонизацию космоса. Хотя и может служить очередным шагом на пути к ней.
Концепция освоения космоса за счет развития внеземной индустриальной системы.
Я могу предложить новое направление практического освоения космоса, способное стать альтернативой принятым сырьевым проектам и дать старт развитию космической индустрии в ближайшем будущем.
Это направление, является альтернативой принятым перспективным проектам. И в отличие от них способно привести к более быстрому и масштабному развитию космонавтики, с перспективой дальнейшего перехода к полномасштабному промышленному освоению космоса. Экономическую основу предлагаемого сценария развития составляет не добыча сырья, а развитие технологической деятельности и транспортной инфраструктуры, за пределами земли. Связанных между собой в единую космическую индустриальную систему. Хотя сырьевые проекты в него тоже входят, но они играют вспомогательную роль.
Основная практическая функция перспективной индустриальной группировки, это, выведение на рабочие орбиты, монтаж и обслуживание коммерческих спутников. Она должна стать своего рода надстройкой над уже имеющейся спутниковой группировкой, используя ее в качестве основы для развития новых направлений космической деятельности. Таких как, обслуживание транспортных потоков, монтажные, ремонтные и эксплуатационные работы за пределами земли. Развитие космического производства и освоения инопланетных ресурсов.
Индустриальную группировку составляют несколько основных инфраструктурных проектов. Проект системы выведения, позволяющий многократно снизить стоимость выведения грузов на орбиту. Проект постоянной орбитальной транспортной системы, состоящей из многоразовых транспортных кораблей. Проект сырьевой базы на луне, служащей для обеспечения орбитальной группировки топливом и сырьевыми ресурсами. И проект коммерческой околоземной орбитальной станции, служащей главным центром любой деятельности, и основной опорной базой в околоземном пространстве.
Инфраструктурная система выведения.
Современные ракеты носители, это дорогие, высокотехнологичные машины, но они используются одноразово, и их стоимость целиком переходит в стоимость пуска. С экономической точки зрения это не эффективно, стоимость выведения самыми выгодными серийными носителями, составляет от 3, до 7, тысяч долларов за килограмм. Альтернативой традиционным носителям, считаются перспективные многоразовые средства выведения и перспективные корабли разных типов, с более экономичными двигателями. Но многоразовость достается дорогой ценой, средства спасения многоразовых аппаратов создают большой дополнительный вес, их уровень технологичности выше одноразовых. В результате, их стоимость повышается, а эффективность падает. Единственный серийный многоразовый носитель Спейс шаттл, был в несколько раз дороже одноразовых ракет похожей грузоподъемности. Использование более экономичных двигателей сомнительно, нужных для этого технологий сейчас нет. К тому же цена топлива это не самая большая доля затрат в общей стоимости выведения. Ракеты расходуют много топлива, но по цене, это всего несколько процентов от стоимости пуска. Основная доля затрат в производстве ракет, это не цена материалов или топлива, а стоимость технологий.
Самый логичный путь снижения стоимости ракет, это снижение их уровня технологичности. Но упрощение основных систем, неизменно повлечет за собой снижение главных характеристик, ракет. Мощности двигателей, точности и автономности систем управления, что сделает ракеты менее эффективными, сводя к нулю преимущество в цене.
В предлагаемой мной системе выведения, специализированный, легкий и дешевый, упрощенный носитель – «Пони», должен работать в связке с орбитальной станцией, выполняющей функции транспортного и сборочного терминала, «Орбитального космопорта». Компенсирующего недостатки носителя.
В отличие от традиционных ракет носителей, которые выводят спутники на свои рабочие орбиты одним стартом, вместе с космической двигательной установкой, «Разгонным блоком». Носитель пони должен выводить спутники по частям, в виде легких, стандартизированных модульных блоков, доставляя эти блоки на орбитальную станцию. После чего на станции, из блоков, должны монтироваться готовые спутники, или другие космические аппараты. По тому же принципу, по которому устроены современные орбитальные станции, такие как МКС, собранные из множества отдельных модулей и внешних несущих конструкций. Благодаря чему, упрощение ракет и снижение их грузоподъемности, не ведет к потере функциональности. После сборки на орбитальных станциях, космические аппараты должны выводиться на рабочие орбиты специализированными орбитальными транспортными кораблями «Космическими буксирами».
Специализированный, упрощенный носитель – «Пони», имеет упрощенные двигатели и системы управления. В двигателях этой ракеты, высокотехнологичные турбинные насосы заменены на подачу топлива, методом вытеснения из баков сжатым газом. Для управления ракетой, вместо автономной «Инерциальной» системы ориентации в пространстве, и бортовой электроники, должно использоваться дистанционное управление с ориентацией на наземные и орбитальные маяки.
«Вытеснительная» система подачи топлива снижает мощность двигателей и грузоподъемность ракеты до 100 – 1000, килограмм в зависимости от модификации. Дистанционная система управления лишает носитель автономности в полете, привязывая его к одной траектории, от наземного космодрома, до орбитального космопорта. Но главная задача носителя пони, это доставка модульных блоков на орбитальную станцию. Высокая грузоподъемность и автономность ему не нужны.
К достоинствам носителя Пони, можно отнести то, что он прост и дешев в производстве. Всего одна эта легкая ракета, пущенная в серию, может заменить почти весь парк современных носителей, беря на себя роль главной «Рабочей лошадки» спутниковой индустрии. Носителю Пони не нужны дорогие космодромы. Благодаря минимализму и простоте, его можно быстро и дешево модернизировать.
Носитель Пони должен стартовать при помощи многоразовой первой ступени, похожей на боковые ускорители современных ракет, или крылатого ракетоплана, похожего на «Х – 33», в зависимости от модификации. Многоразовые первые ступени позволят увеличить эффективность этих ракет без значительных дополнительных затрат. Поскольку спасение суборбитальных аппаратов намного более простая задача, чем возвращение многоразовых аппаратов с орбиты.
Топливные баки носителя Пони, должны делаться из пластика и перерабатываться в органическое горючее на орбитальных станциях, методом перегонки в солнечных печах.
Носитель пони, ракета, оптимально приспособленная для своей главной задачи, обеспечение постоянного транспортного потока с земли на орбитальные станции при минимальных затратах. Орбитальные станции, выполняющие функцию космических портов, станут частью системы выведения и будут получать часть прибыли от пусковых услуг. Что сделает пилотируемую космонавтику рентабельной, снимая ее зависимость от государственного финансирования.
Орбитальный транспортный флот.
Для полетов в космическом пространстве, должна использоваться орбитальная, инфраструктурная транспортная система, основу которой составляют многоразовые транспортные корабли с экономичными «Плазменными», «Электроракетными» двигателями.
Сейчас для полетов в космосе используют в основном, орбитальные ступени – «Разгонные блоки» на химическом топливе, похожие на ступени ракет носителей. Химические ракеты имеют большую мощность, но расходуют много топлива. Ракеты носители выводят на орбиту только 3 – 5% стартовой массы. Разгонные блоки для выведения спутников на высокие орбиты или межпланетные траектории расходуют топлива по весу, в несколько раз больше чем весит полезная нагрузка, которую они несут. То есть, при выведении на высокие орбиты, основная масса доставляемого в космос груза, приходится не на аппарат, а на баки с топливом.
Использование химических разгонных блоков для орбитальных перелетов экономически не эффективно. Выведение спутников на высокие орбиты с их помощью, в несколько раз увеличивает стоимость пуска. А, кроме того, у химических двигателей в орбитальном пространстве сильно ограничена свобода передвижения. Их возможностей достаточно, чтобы вывести спутник на рабочую орбиту, или зонд на отлетную траекторию к другой планете, но свободно летать в космосе на этих двигателях практически невозможно. Все запасенное на борту топливо уходит только на однократное выведение на нужную орбиту или траекторию.
Для развития полноценного транспортного сообщения в космосе, определенно нужны более экономичные двигатели. Химические двигатели используются для выведения с земли. Ракетам, для выхода на орбиту большая мощность необходима, иначе ракета не сможет поднять свой собственный вес. Но на орбите, в космической невесомости, большая мощность не нужна, и от химических двигателей можно отказаться в пользу более экономичных.
Для полетов в невесомости лучше всего подходят двигатели «Электроракетного» типа. Которые создают реактивный импульс не за счет химической реакции энергии горения, горючего и окислителя, а за счет внешней, электрической энергии поступающей в виде электрического тока, от солнечных батарей или ядерных генераторов. В двигателях с внешним подводом энергии, топливо не горит, а используется в качестве нейтрального «Рабочего тела», которое нагревается или ускоряется электрическим током.
Сейчас в космосе используются электроракетные двигатели «Ионного» типа. В них, электрически заряженные атомы рабочего тела «Ионы», ускоряются в электростатическом поле. Ионные двигатели экономичны, но они очень маломощные, их тяга не превышает долей грамма, и радикально повысить их мощность невозможно из-за особенностей конструкции. Мощности ионных двигателей достаточно, для межпланетных исследовательских станций, которые летают годами, или коррекции орбиты спутников. Но для транспортных кораблей они не подходят.
Сейчас идут активные разработки более мощных и долговечных «Плазменных» электроракетных двигателей. В плазменных двигателях рабочее тело нагревается до высокой температуры и переходит в состояние газа, проводящего электричество — «Плазмы». Благодаря электрической проводимости, плазмой можно управлять при помощи магнитных полей. И в двигателях, струя плазмы удерживается в магнитном поле, не соприкасаясь с их внутренними стенками. Плазма, так же может дополнительно ускоряться пульсирующим магнитным полем, что позволяет увеличивать скорость истечения реактивной струи, не повышая температуру рабочего тела.
Конструкция плазменных двигателей не ограничивает их мощность, ее можно повышать настолько, насколько позволяют источники питания. А современные пленочные фотоэлементы позволяют получать довольно большие мощности при малой массе. Кроме того, плазменные двигатели более удобные в использовании. Их мощность можно изменять в широких пределах, что позволяет получать оптимальное соотношение тяги и расхода топлива. Благодаря тому, что рабочее тело не соприкасается с деталями двигателя, эти двигатели долговечные и неприхотливые к выбору топлива. Рабочим телом для плазменных двигателей может служить любое доступное вещество, компоненты традиционного химического ракетного топлива, вода, или жидкие газы.
Плазменные двигатели обладают всеми необходимыми характеристиками для силовых установок перспективных транспортных кораблей. Они мощные, экономичные, многотопливные, способны работать в разных режимах, что позволяет при необходимости увеличивать тягу или снижать расход топлива. Орбитальные буксиры, оснащенные этими двигателями, станут универсальными космическими кораблями, которые смогут заправляться любым доступным топливом и свободно летать в космическом пространстве.
Экономичность орбитальных буксиров, позволит без больших затрат выводить на рабочие орбиты спутники доставляемые в космос поточным методом, через транспортно монтажную орбитальную станцию. Буксиры так же позволяют доставлять спутники на станцию для обслуживания и ремонта. Связывая всю околоземную космическую группировку в единое целое, при помощи недорогого и постоянного транспортного сообщения. В перспективе, буксиры позволят устанавливать постоянные транспортные мосты к другим планетам и поясу астероидов. Что даст возможность развивать орбитальную группировку за счет космических ресурсов и строить инопланетные базы, при относительно низких затратах.
Современные орбитальные транспортные системы по сути дела одноразовые и очень затратные, их хватает только для выведения спутников или разовых исследовательских миссий. Но орбитальные буксиры, будут работать как постоянный и недорогой орбитальный транспортный флот, опираясь на который человечество сможет осваивать космос в больших масштабах и на постоянной основе.
Лунная пыль в качестве космического топлива.
После ввода в строй первых орбитальных буксиров, топливо для них будет выводиться с земли. Но при дальнейшем развитии орбитальной транспортной инфраструктуры станет выгодным доставлять топливо не с земли, а из космоса. Двигатели орбитальных буксиров будут экономичными, и перевозить топливо с одной орбиты на другую будет намного дешевле, чем выводить его с земли.
И хотя плазменные двигатели будут расходовать топливо в 3 – 15 раз более экономно, чем химические, при массовом развитии орбитальных транспортных систем, суммарный расход топлива будет составлять десятки или сотни тонн. Затраты на выведение топлива с земли станут вполне ощутимыми даже по космическим меркам.
В то же время рядом с землей есть луна. Эта планета находится в орбитальном пространстве земли и на ней низкая гравитация. Из-за низкой гравитации выведение грузов на орбиту с луны, значительно проще, и дешевле чем с земли. Затраты на перевозку лунного сырья на околоземную орбиту плазменными буксирами будут небольшими. И из-за близости луны, перелеты между лунной и околоземной орбитой не займут много времени.
С помощью создания топливной базы на луне, можно получить недорогой источник топлива для орбитальной группировки и дать старт нескольким новым направлениям космической деятельности. Начать коммерческое использование внеземных ресурсов, создать экономическое обоснование освоения луны и создать первый источник снабжения космической группировки независимый от земли. Все это очередные шаги к колонизации космоса, хотя на первых этапах их масштабы будут небольшими. Но любое большое дело начинается с маленьких шагов. Главное, начать движение в нужном направлении.
Принятые планы по созданию топливных баз на луне, предусматривают производство жидких видов топлива. Таких, как, жидкий кислород, вода, или химическая топливная пара «Кислород – водород», получаемая за счет разложения воды на исходные элементы.
Кислород можно получить из лунного грунта, при его сильном нагревании или химическом разложении. Кислород, может использоваться как окислитель для химических двигателей или рабочее тело для плазменных двигателей. Воду можно получить из месторождений водного льда в районе лунных полюсов. Разлагая воду на составляющие компоненты, водород и кислород, можно получить пару для химических двигателей. И кроме того эти компоненты могут служить рабочим телом для электроракетных двигателей. Так же как и жидкая вода без разложения.
Существующие технологии позволяют получать жидкое топливо на луне, но его производство потребует больших затрат энергии. Для добычи воды нужны еще источники льда, которые на луне редкие, и не очень изобильные, ориентировочное содержание льда в грунте лунных месторождений в районе 10%. Месторождения водного льда на луне расположены в полярных районах, неудобных для орбитальных транспортных систем. И не факт что они будут легкодоступны, лед может быть погребен под толстым слоем грунта. Жидкое топливо сложнее хранить в космических условиях, особенно «Криогенные», легкокипящие, жидкие газы.
Мой сценарий предполагает использование в качестве основного топлива для орбитальных буксиров, твердого лунного грунта, в виде мелкодисперсного легкосыпучего порошка.
Плазменные двигатели орбитальных буксиров, потенциально многотопливные. Они способны потреблять не только жидкие виды топлива, но и твердое рабочее тело, в виде мелкодисперсного порошка. Достаточно сыпучего, для контролируемой подачи в двигатель. Создание топливных систем и двигателей орбитальных буксиров, рассчитанных на потребление порошка, потребует их поверхностной, не принципиальной модернизации. То, что плазменные двигатели способны работать на порошковых компонентах, наглядно демонстрируют земные, коммерческие генераторы плазмы – «Плазмотроны», или «Электрические горелки», которые используются в порошковой металлургии.
По сравнению с проектами производства жидкого топлива, проект «Порошковой» топливной базы на луне, относительно легко реализуемый и мало затратный. Производство порошка из лунного грунта, не требует не больших затрат энергии, не сложного оборудования. Достаточно простого сбора сырья и его механического измельчения. Соответственно, оборудование порошковой топливной базы, будет легким и высокопроизводительным. Сырье для производства порошка на луне повсеместно доступно, коэффициент полезного использования сырья при механическом измельчении стопроцентный.
Для выведения порошка на орбиту, предполагается использовать мощную механическую катапульту, «Лунную пращу». Похожую на вращающийся вертолетный ротор, но с лентами километровой длинны вместо лопастей. На концах лент будет достигаться орбитальная скорость, которая на луне составляет около 1700 метров в секунду. По лентам, должны двигаться транспортные модули, принимающие контейнеры с измельченным лунным грунтом у основания лент и сбрасывающие их в полет на концах.
В качестве материала для изготовления одноразовых контейнеров предполагается использовать аналог картона из минерального волокна. Которое, так же как и порошок, можно производить на луне без значительных затрат.
Выведение на орбиту при помощи «Роторной катапульты», не требует затрат топлива. На окололунной орбите, контейнеры с лунным порошком должны перехватываться небольшими буксирами и складироваться на окололунной орбитальной станции. Откуда будут перевозиться на околоземную орбиту мощными транспортными кораблями. По сравнению с другими перспективными бестопливными средствами выведения, такими как электромагнитные пушки, или тросовый космический лифт, роторная праща относительно простое, легкое и не дорогое устройство. Создание пращи не потребует недоступных технологий и больших затрат, но это устройство способно обеспечить транспортный поток лунного сырья на орбиту в объемах, до тысячи тонн в год. Чего более чем достаточно для обеспечения потребностей околоземной орбитальной группировки.
Порошковая сырьевая база первого поколения, должна быть не обитаемой, обслуживаемой при помощи многоцелевых, дистанционно управляемых роботов. Роботы по конструкции, представляют собой легкий гусеничный вездеход оснащенный кузовом для перевозки грузов и человекообразным – «Антропоморфным» механическим торсом в передней части. Роботы, гибриды вездехода и человекообразного механического торса – «Кентавры», смогут выполнять разнообразную работу, связанную со сбором и перевозкой сырьевых ресурсов, строительством, разного рода монтажными работами и обслуживанием оборудования. Служа дистанционно управляемыми человеческими глазами и руками на поверхности луны. Для компенсации задержки сигнала, должна использоваться технология трехмерной виртуальной реальности.
Роботы могут не только обслуживать базу, но и строить укрепленный бункер, защищенный от радиации, перепадов температур и метеорной пыли. В котором, позже можно будет разместить человеческий экипаж.
В комплект оборудования порошковой сырьевой лунной базы первого поколения, должны входить несколько роботов, дробилки для измельчения грунта, праща и источники энергии, солнечные батареи и атомные генераторы. Общий вес оборудования лунной базы будет в пределах нескольких десятков тонн, общая стоимость проекта может составить от 5, до 10 миллиардов долларов. По сравнению с другими проектами инопланетных баз, этот проект не дорогой и он может быть полностью профинансирован за счет частных инвесторов.
Лунный грунт, доставляемый с сырьевой базы, может служить не только топливом для орбитальных буксиров, но и сырьем для производства жидкого кислорода, керамических и металлических изделий на МКС.
Опорная база на околоземной орбите.
Сейчас человечество располагает орбитальными станциями, но они не имеют практического применения и играют роль космических исследовательских лабораторий. Отсутствие практических задач для околоземных станций, это одна из основных проблем пилотируемой космонавтики. Потому что станции дорогие и зависимость пилотируемых полетов от государственного финансирования ограничивает дальнейшее развитие этого направления.
По моему сценарию развития космонавтики, орбитальные станции должны служить одной из важнейших составных частей космической группировки. Развитие всех крупных проектов, так иначе потребует участия орбитальных станций. Орбитальные станции должны служить опорной точкой для любой деятельности связанной с индустриальной космической группировкой. И они должны принимать участие в развитии всех крупных проектов индустриализации космоса.
На первых этапах развития, орбитальные станции должны служить одной из главных частей поточной системы выведения, выполняя задачу транспортного и монтажного центра. Через орбитальные станции пойдет поток грузов с земли на орбиту. На них начнут монтироваться спутники. А в дальнейшем, так же, мощные спутниковые платформы, тяжелые корабли для полетов к другим планетам и другие космические аппараты разных типов и предназначений.
После появления орбитальных буксиров, орбитальные станции должны взять на себя роль базы для орбитальных транспортных кораблей. И технологических центров, для обслуживания и ремонта спутников. Все околоземные спутники и орбитальные буксиры, будут обслуживаться на орбитальных станциях, как на космической станции технического обслуживания.
С развитием орбитальных транспортных систем и началом освоения инопланетных ресурсов, орбитальные станции возьмут на себя роль космического производственного центра. Деятельностью которого на первых этапах, будет производство различных полезных материалов и изделий из деталей отработанных верхних ступеней ракет носителей, космического мусора, и другого вторичного сырья, дарового с точки зрения затрат на выведения. Но с развитием инопланетных сырьевых баз, начнется переход на внеземные минеральные ресурсы. На орбитальных станциях начнется развитие производственных мощностей. Сначала малых, опытно промышленных, но со временем объемы и ассортимент производимой продукции будут расширяться, производственные мощности возрастать. И на месте орбитальных станций начнут появляться космические производственные центры. С которых начнется дальнейшее распространение производственной деятельности за пределами земли.
Космическая индустриальная группировка, в первые десятилетия, будет выполнять обслуживающие функции, и ее основной деятельностью будет развитие двух основных направлений космических услуг. Первый будет связан с дальнейшим расширением уже существующей спутниковой индустрии, информационных услуг. Второй с новым направлением, космической солнечной энергетикой.
Спутники связи нового поколения.
Появление инфраструктурных транспортных систем и орбитальных монтажных центров, приведет к росту спутниковой индустрии. Если выводить спутники станет дешевле, то увеличится и спрос на эти аппараты. Выведение спутников через орбитальные станции и возможность монтажа в космосе, позволят создавать тяжелые спутниковые платформы, намного более мощные и многофункциональные, чем современные спутники. Спутниковые платформы будут востребованы на высоких орбитах, в первую очередь на геостационарной. Эта орбита, на которой аппараты висят неподвижно относительно поверхности земли, очень удобна, а потому востребована. Но места на ней ограничены и строго лимитированы. Ввод в строй тяжелых геостационарных спутниковых платформ, позволит увеличивать информационную мощность геостационарной группировки независимо от лимитов.
Размещение на низкой орбите спутниковых платформ с пленочными солнечными батареями и решетчатыми антеннами, большой площади и мощности, но малой массы, позволит расширять возможности потребительской спутниковой связи и эфирного вещания. Сейчас услуги спутниковой связи присутствуют на рынке, но они дорогие и поэтому не имеют массового спроса. Спутниковые платформы на низкой орбите, смогут вести трансляцию прямо на персональные пользовательские терминалы, сотовые телефоны, модемы, телевизоры и радиоприемники. Спутниковая связь станет такой же дешевой как современная сотовая, и повсеместно доступной. Появится возможность доступа к высокоскоростному интернету и сотням каналов на телевидении без привязки к наземным ретрансляторам, кабельным и сотовым сетям.
Переход на спутники новых поколений многократно увеличит инвестиции в орбитальный сегмент индустрии космических услуг и сделает информационную среду земли более глобальной и общедоступной.
Космическая солнечная энергетика.
Через некоторое время, после появления на орбите монтажной деятельности, технологии монтажа в космосе станут более отработанными, и появится возможность строить сверхтяжелые орбитальные генерирующие платформы, имеющие промышленную мощность и рассчитанные на обеспечение земной потребительской энергосистемы. Когда строительство орбитальных электростанций станет целесообразным, точно сказать трудно. По моим приблизительным оценкам, через 10 лет после реализации первых индустриальных космических проектов. За это время индустриальная группировка получит достаточное развитие, и технологии мощных солнечных генераторов станут отработанными на практике. Но крупные проекты, направленные на развитие космической энергетики и стратегические инвестиции в эту сферу, могут ускорить ее зарождение.
Исчерпание запасов традиционного ископаемого топлива и проблемы с парниковыми газами, заставляют искать замену традиционным энергоносителям, при этом желательно, чтобы альтернативная энергетика была основана на возобновляемых и экологически чистых источниках, имела большие резервы и не высокую стоимость.
Ресурсы для гидроэнергетики сейчас практически исчерпаны, ветряные генераторы малоэффективны, биотопливо, относительно дорогое и его ресурсы не безграничны, ядерная энергетика опасна и требует ископаемого сырья. Многие аналитики делают ставку на перспективную термоядерную энергетику, ее потенциал неисчерпаемый. Но с этой сферой очень много технических сложностей, эксперименты по контролируемому термоядерному синтезу идут уже десятки лет, без каких-то практически значимых результатов. И нет гарантий, что в ближайшем будущем эти результаты появятся. К тому же термоядерные реакторы будут очень дорогими.
Остается солнечная энергетика. Солнце, это естественный термоядерный реактор, практически безграничной мощности. Солнечная энергия чистая, и не требует затрат какого либо топлива, химического или ядерного. Но солнечная энергия относительно рассеянная, и это мешает получать большие мощности. Солнечные генераторы в основном играют вспомогательную роль, и распространены там, где централизованное энергоснабжение не доступно или дорого.
В космосе, в отличие от земли, нет атмосферы и гравитации, в космической невесомости можно монтировать конструкции больших площадей и малой массы, из тонкопленочных материалов и сверхлегких несущих ферм. Космические условия, позволяют строить солнечные электростанции промышленной мощности, которые не будут зависеть от погоды и времени суток, как на земле. На орбите можно монтировать генераторы мощностью до гигаватта, площадью в несколько квадратных километров, и весом, в пределах нескольких сотен тонн. И объединять эти генераторы в сборки из нескольких десятков или сотен единиц, способных обеспечить энергией целую страну или крупный промышленный регион. По соотношению стоимость – эффективность, орбитальные электростанции будут на уровне атомных, с коммерческой точки зрения они будут выгодны. Но в отличие от атомной энергетики, космическая энергетика безопасна. И никаких ограничивающих факторов для ее дальнейшего роста в обозримом будущем нет.
Подобные проекты были и раньше, но их реализации препятствовала запредельно высокая цена космического транспорта, отсутствие монтажной инфраструктуры и недостаточная проработанность нужных технологий. Транспортно монтажная система индустриальной группировки позволит многократно снизить стоимость строительства космических электростанций. Средства в развитие транспортных и монтажных систем, будут инвестированы в рамках программы обслуживания спутников, инвесторы энергетических проектов получат их уже в готовом виде, без рисков и затрат на развитие с нуля. Технологии мощных генераторов пройдут предварительную инкубацию и обкатку на проектах мощных энергетических установок мегаваттного класса. Которые будут разработаны в качестве энергетических модулей орбитальных станции и генераторов тяжелых орбитальных буксиров, эти технологии инвесторы получат так же в готовом виде.
Орбитальные солнечные электростанции, могут быть или на фотоэлементах, с прямым преобразованием солнечного света в электричество. Или на тепловых генераторах, похожих на турбины земных тепловых электростанций. Но работающих не от печей, а от солнечного света сконцентрированного зеркалами из тонкой пластиковой пленки с зеркальным отражающим покрытием.
Большинство аналитиков считают, что будущее за фотоэлементами, они проще по конструкции. Но, на мой взгляд, тепловые орбитальные электростанции будут более эффективны и дешевы. Фотоэлементы дорогие и у них низкий КПД, 12 – 15%. Пластиковая пленка для солнечных концентраторов, почти ничего не стоит и почти ничего не весит. Эффективность турбинных генераторов, сравнима с земными электростанциями, около 25 – 30%. К тому же, ее можно повысить за счет двухконтурных схем, подобных земным комплексам из газовых и паровых турбин, КПД которых доходит до 60%. У турбинных генераторов есть свои недостатки, в космосе их трудно охлаждать. Без окружающего воздуха и воды, доступно только охлаждение методом излучения. Излучающие радиаторы тяжелые и малоэффективные, но их эффективность можно радикально повысить. За счет использования более высоких рабочих температур турбин и циркулирующего в теплообменных контурах газа. С повышением температуры, эффективность охлаждения методом излучения резко возрастает. В этом случае турбины должны быть изготовлены из термостойких материалов, что несколько осложняет реализацию проектов. Но экспериментальные наработки в этом направлении сейчас есть.
На земле, солнечные панели используют для получения небольших мощностей, для генерации промышленных мощностей используют турбины. В космосе по всей вероятности будет так же. Хотя точно что-то прогнозировать сложно. Возможно, в недалеком будущем появятся более эффективные и дешевые пленочные фотоэлементы. Возможно, появятся принципиально новые типы тепловых генераторов, которые сделают турбины морально устаревшими. Перспективных разработок в энергетике много, время покажет, какие будут более эффективны.
На первый взгляд может показаться, что размещать солнечную электростанцию на орбите фантастически дорого. Солнечные электростанции, работают на земле и нельзя сказать, чтобы они были сверхприбыльными. А размещение электростанций в космосе обойдется в тысячу раз дороже. Но особенности космических условий, позволяют сделать электростанции и в тысячу раз эффективнее в пересчете на собственный вес. Космическую электростанцию можно смонтировать из пленки толщиной в тысячные доли миллиметра и сверхлегких несущих ферм, на земле подобная конструкция не выдержит собственного веса, или будет сметена первым же порывом ветра. Кроме того, параметры геостационарной орбиты позволяют солнечным электростанциям работать круглосуточно. Они будут попадать в тень только небольшие промежутки времени, до 70 минут в сутки, во время весенних и осенних равноденствий. По приблизительным подсчетам, соотношение затрат и мощности орбитальных электростанций будет на привычном для земли уровне. Гигаватт мощности будет стоить в пределах около 1 миллиарда долларов инвестиций, это в промежутке между атомными и гидроэлектростанциями. Когда космическая энергетика станет массовой, инвестиционные затраты на гигаватт мощности скорее всего упадут до 0,5 миллиарда и меньше. Такая цена энергии на уровне гидроэлектростанций. Для инвесторов такая стоимость энергии очень выгодна. И никаких ограничений для дальнейшего развития космической энергетики нет. Поэтому можно с уверенностью прогнозировать, что после первых успешных проектов в области космической энергетики она начнет быстро развиваться, и за сроки от одного, до трех десятилетий, займет ведущее положение в мировой промышленной энергосистеме.
Переход к космической энергетике, вызовет рост оборотов космической группировки до нескольких триллионов долларов, это в сотни раз выше современного. Космическая энергетика выведет космонавтику на новый масштаб деятельности. Большие обороты и большие масштабы, вызовут быстрое развитие космических технологий и такое же быстрое падение их стоимости. После освоения энергетического направления, космическая индустрия из опытно промышленной стадии начнет переходить на уровень массового и широкомасштабного сектора мировой промышленности.
Космические рудники.
Другие, параллельные направления индустриализации космоса, будут связаны с освоением космических минеральных ресурсов.
Сырьевые проекты будут делиться на две основных группы. Добыча внеземных ресурсов для потребления космической группировкой, которое описано выше. И добыча инопланетного сырья для нужд земной промышленности, целью которого будут редкие и дорогие минеральные ресурсы. Сейчас в этом направлении работают такие компании как « Planetary Resources» и «Deep Space Industries». В этих проектах предполагается использовать некоторые принципиально новые технологии. Изготовление металлических деталей методом 3D печати, что позволит производить массивные детали механизмов на месте, сокращая затраты на их доставку с земли. И метод электролиза в газовой среде, который позволит извлекать драгоценные металлы из измельченной руды без сложной химической переработки.
Драгоценные металлы, особенно платиновой группы, это ценное промышленное сырье, широко используемое в производстве электроники и химической промышленности, в качестве катализаторов. Направление добычи драгоценных металлов, будет иметь не такие большие обороты как космическая энергетика, но оно будет так же интегрировано в мировую индустриальную среду и будет способствовать прогрессу в развитии высоких технологий, особенно информационных технологий и робототехники.
Проект добычи изотопа «Гелия – 3» на луне.
Стоит отметить еще направление добычи радиоактивного сырья на луне. Проект чистой термоядерной энергетики основанной на термоядерном «Горении» изотопа «Гелия – 3». Небольшие примеси которого содержатся в лунном грунте.
Этот проект, пожалуй, самый широко раскрученный и считается одним из самых многообещающих направлений освоения луны. Но, на мой взгляд, шансов на реализацию у него практически нет. Этот проект очень дорогой и сложный в реализации, притом сложный во многих отношениях, и в плане добычи изотопа из грунта и в плане осуществления термоядерной реакции, которая потребует температуры в миллиард градусов, в десять раз выше, чем нужно для горения изотопов водорода. Сейчас не получены обнадеживающие результаты по опытам термоядерного «Сжигания» изотопов водорода, а до реакторов способных потреблять гелий – 3 остается еще очень далеко. К тому же у гелия – 3 есть более доступная альтернатива, реакция «Горения» смеси изотопов водорода и бора, которая так же не дает радиоактивного загрязнения, но компоненты этой смеси в изобилии доступны на земле.
Дальнейшее развитие космической индустрии.
Направления космической энергетики и добычи драгоценных металлов позволят значительно расширить сферу космической деятельности. Начнется поточное производство различных конструкций, простых деталей и механизмов из инопланетного сырья. В космосе появятся предприятия, рассчитанные на серийный выпуск стандартизированной продукции, начнется строительство крупных объектов, потребляющее эту продукцию. Так, по всей вероятности космические электростанции будут строиться из инопланетных конструкций, хотя первые станции, возможно, будут сделаны полностью из земных деталей. В космосе начнут производиться несущие фермы тяжелых орбитальных буксиров, обитаемые модули, детали машин работающих на орбите, луне или астероидах, и другие не высокотехнологичные изделия с высокой материальной емкостью.
Космическая индустрия первого поколения, ориентированная на услуги спутников, солнечную энергетику и добычу ценных ресурсов, через несколько десятилетий достигнет своего предела и начнет переходить на следующий этап. Ориентированный на широкомасштабное индустриальное освоение космоса и производство промышленной продукции широкого применения.
Современная коммерческая космонавтика это придаток земной информационной сферы. Космонавтика будет оставаться придатком земли пока длиться этап космических услуг. На следующем этапе, человечество начнет заселять космос и превращать его в свою постоянную среду обитания. Космические базы перестанут быть придатками спутниковой индустрии или исследовательскими лабораториями, и начнут превращаться в города и промышленные центры, способные обеспечивать свое жизнеобеспечение и развитие, преимущественно за счет внеземных ресурсов. Космическая индустриальная группировка, из нескольких баз и небольшой группировки орбитальных буксиров, разрастется в промышленную систему, способную почти полностью самовоспроизводиться за счет внеземных ресурсов. С земли будет доставляться только наукоемкая и высокотехнологичная продукция, электроника, точные приборы, сложные и тонкие механизмы.
Космическая индустрия будет работать не только на обеспечение собственных нужд, но и поставлять на землю продукцию массового спроса. Скорее всего, металлы в виде стандартизированного проката, и не сложные механизмы, такие как, например несущие каркасы автомобилей или легких самолетов. На первых этапах массовой индустриализации космоса, уровень технологичности космической продукции будет сведен к минимуму, ради снижения затрат, повышения количества производимой продукции и увеличения скорости роста космической промышленности. Но по мере развития космической промышленной системы, технологический уровень производимой в космосе продукции будет возрастать.
Через десятилетия появятся инфраструктурные транспортные системы новых типов, такие как орбитальные тросовые катапульты и мощные электромагнитные пушки, расположенные на высоте 120 километров, за пределами атмосферы. Эти транспортные системы позволят выводить грузы на орбиту и спускать их на землю без больших затрат и риска «Сжечь» верхние слои атмосферы массовыми спусками с торможением об воздух. По стоимости, такие транспортные системы класса орбита – поверхность будут сравнимы с авиационными перевозками современности, они сделают доступным массовый грузопоток с земли в космос и обратно.
Колонизация космоса
По мере роста космической промышленности, в экономике земли будет расти доля наукоемких производств. Земля будет получать из космоса недорогую промышленную продукцию, и поставлять в космос дорогие наукоемкие детали. Земля из изолированного, замкнутого пространства, превратится в метрополию многочисленных космических колоний. Тяжелая промышленность в основном будет перенесена в космос, где она не будет истощать земные недра и загрязнять биосферу. Мировая экономика, ориентированная на производство наукоемкой продукции превратит землю в глобальный научно технический центр, по сравнению с которым современная силиконовая долина будет казаться провинциальным научным городком. Высокий уровень экономики и грамотности населения, вызванный глобальным переходом к наукоемкой промышленности, который последует за колонизацией космоса. Вместе с мощнейшим за всю предыдущую мировую историю экономическим и технологическим подъемом, вызовут переход мировой цивилизации на качественно новую стадию развития.
Глобальный научно технический рывок, который последует за колонизацией космоса, вызовет мощнейший за всю предыдущую историю подъем уровня экономки и грамотности населения. Что в свою очередь вызовет подъем уровня качества жизни и новые социальные преобразования. Подобно тому, как несколько столетий назад, после начала морской экспансии в Европе начался переход от феодальной системы к промышленной революции, которая в свою очередь, повлекла за собой научно техническую и социальную революцию. И в результате современный уровень технологий, качества жизни и общего развития цивилизации отличается от средневекового настолько, что жителю средневековой Европы, он бы показался необыкновенным чудом. Предстоящая космическая экспансия, по аналогии с морской экспансией прошлого, вызовет резкий скачек уровня развития цивилизации во всех отношениях, подняв его на такую высоту, которая сейчас может показаться фантастической. Но космическая экспансия, это не фантастика, а направление развития экономики, первые шаги в освоении космоса уже сделаны. И в отличие от цивилизационного рывка прошлого, который растянулся на столетия, экспоненциальный рост уровня развития динамичной современной цивилизации позволит получить ощутимые результаты от колонизации космоса уже при жизни людей текущего поколения.
С началом колонизации космоса, такие проблемы современности, как глобальный ресурсный дефицит, межнациональная политическая борьба вызванная стремлением к контролю над истощающимися ресурсами и ограниченными рынками, неравномерное распределение доходов от мировой промышленной системы, угрозы мирового экономического кризиса, цивилизационного застоя или даже спада в средневековье, будут забыты. Вся энергия человечества будет направлена в русло космической экспансии, так как в этом русле нет ограничений для роста, чем выше рост, тем больше перспективы. Политическая борьбы не исчезнет, но она будет идти в рамках здоровой конкуренции, без непримиримой вражды и стремлению к взаимному уничтожению.
Благодаря колонизации космоса, человечество сможет выйти из пределов промышленного роста на земле, обусловленных ограниченными ресурсами, ставящих потолок количественного развития экономики на уровне близком к современному. И сможет перейти в новую, космическую эру, которая даст перспективу ничем не сдерживаемого развития и позволит воплотить в реальность футуристические прогнозы современности.
Николай Агапов.
Источник: spaceexpansion.ucoz.ru
