все что нужно знать о космосе и космических технологиях
Какие технологии из космической отрасли мы используем ежедневно
Хайлайты:
Путешествия в космос не только открыли нам возможность видеть пространство за пределами земной атмосферы, но и стали причиной появления новых технологий, которыми мы теперь пользуемся каждый день. Компания NASA даже разработала специальный сайт, чтобы показать, какие космические технологии стали частью обычной жизни.
Найти достоверную информацию о том, какие технологии действительно появились благодаря освоению космоса, непросто. Вокруг этой темы существует много мифов — например, есть достаточно правдоподобная легенда о том, что луноходы — это прототипы беговых кроссовок.
В 1969 году Нил Армстронг и Базз Олдрин впервые ступили на поверхность Луны в ботинках, созданных компанией General Electric — крупным подрядчиком NASA в подготовке миссии «Аполлон-11». Стоит заметить, что космическая обувь никак не меняла походку космонавтов. «Летящей» ее делала гравитация, которая на Луне в шесть раз слабее, чем на Земле. Особенность ботинок космонавтов заключалась в силиконовой подошве, и будто бы именно она стала прародительницей кроссовок с полыми подошвами. Но это не совсем правда. Космос действительно повлиял на эволюцию спортивной обуви, но не луноходами, а скафандрами и шлемами.
Еще одно изобретение, которое часто приписывают к заслугам космических исследований, — липучка для одежды. На орбите их использовали для того, чтобы не потерять ничего в условиях невесомости. Вот только появились липучки задолго до появления человека в космическом пространстве — в 1955 году благодаря Жоржу де Местралю. Космическая гонка повлияла только на рекламу изобретения, которая вдохновила людей на создание детской одежды с липучками, а позже — экипировки для горнолыжников и дайверов.
Так какие изобретения действительно появились благодаря исследованиям космоса, а какие стоит ожидать в скором будущем?
Космические технологии, которые мы используем уже сейчас
Кроссовки с инновационной подошвой
В 1970-е годы инженер NASA Фрэнк Руди придумал, что одежду космонавтов можно сделать более герметичной за счет воздушных прослоек. Разработка Руди стала толчком для создания обуви с полыми подошвами, в которых амортизация снижает нагрузку на суставы во время движения. Происходит это за счет расположенных под пяткой и передней частью стопы подушечек с взаимосвязанными воздушными ячейками. Свою идею инженер начал предлагать производителям кед и ботинок, но откликнулись на космическую разработку только в компании Nike. Дизайнеры Nike решили выставить технологию напоказ и поместили воздушную капсулу в «окошке» прямо под пяткой — так появились Nike Air.
Но кроссовки Nike Air — не единственная модель спортивной обуви, которая появилась благодаря освоению космоса. В 2003 году за несколько минут до приземления разбился шаттл NASA «Колумбия». Установили, что причиной аварии было падение куска теплоизоляционного кислородного бака еще при старте. Это произошло из-за разрушения наружного теплозащитного слоя на левой части крыла.
Во время расследования NASA использовало стереофотограмметрическую систему ARAMIS. Суть ее в следующем. Две синхронизированные камеры снимают процесс столкновения двух материалов. Далее программное обеспечение анализирует их деформацию. Технология похожа на человеческое зрение, которое видит окружающий мир в трехмерной плоскости. «С помощью двух камер мы можем точно понять, приближается или удаляется объект, и оценить расстояния, которые оно преодолевает», — объяснил Джон Тайсон, президент компании, которая построила стереофотограмметрическую систему, используемую NASA.
Такую же технологию решила использовать Adidas для создания новой модели кроссовок AlphaBOUNCE, которые презентовали в 2016 году. Для этого были проанализированы движения ног марафонцев босиком и в обуви. Выяснили, что во время бега кроссовок сжимает сухожилие. Поэтому решили сделать v-образное отверстие в задней части ботинка, чтобы нога могла свободно двигаться. Также разработчики создали материал под названием Forgedmesh, который обеспечивает опору ноги и гибкость движения одновременно.
Плавательный костюм
В 2008 году NASA совместно со спортивным брендом Speedo разработало плавательный костюм для спортсменов. Он снижает сопротивление воды на 38%. Это увеличивает скорость пловцов примерно на 4%. Более того, он максимально поддерживает мышцы и не ограничивает движения.
Бесшовный костюм производят из высокотехнологичной сверхлегкой водоотталкивающей ткани. Ткань состоит из переплетенных нитей эластана-нейлона и полиуретана.
Производители утверждают, что благодаря этому костюму у спортсменов на 1,9-2,2% выше вероятность победить. Американские пловцы Натали Кафлин и Майкл Фелпс уверены, что стали олимпийскими чемпионами в 2008-м в том числе благодаря костюму от NASA. На Олимпиаде в Пекине 98% медалистов по водным видам спорта были именно в этом костюме, побив заодно 25 мировых рекорда.
Цифровая фотография
Техническим оборудованием для съемки высадки на Луну «Аполлон-11» обеспечила шведская компания Hasselblad. Полвека спустя производители фотоаппаратов снова вернулись к космической теме и сделали камеру для смартфона OnePlus 9 Pro, которая позволяет снимать Луну, используя ночной режим, суперзум и другие инструменты.
По сути, все, что теперь умеют делать камеры, — результат освоения космоса. Это относится не только к профессиональной оптике, но и к матрице, которую используют для компактных девайсов. Чтобы улучшить качество изображения и уменьшить размеры камер для межпланетных миссий придумали технологию CMOS-матриц.
Это устройство визуализации на основе полупроводниковых приборов и оксида металла, которое может принимать и обрабатывать световые импульсы и переводить их в изображение. Ее преимущество заключается в низком энергопотреблении, возможности захватывать и обрабатывать изображение. CMOS-матрицы начали создавать еще в 1960-х годах, а в 1990-е их начали использовать в различных цифровых устройствах.
Лазерный радар
Еще одно космическое достижение — лидар. LIDAR — технология, которая посредством активных оптических систем получает информацию об удаленности объектов с точностью до миллиметра. Эта технология изначально была изобретена для военных целей. Первый прототип построила американская военно-промышленная авиастроительная компания Hughes Aircraft Company в 1961 году. Но широкое применение технология нашла после использования в рамках миссии «Аполлон-15» для картографирования Луны.
LIDAR состоит из трех основных компонентов: сканер, лазер и GPS-приемник. Другими элементами, играющими важную роль в сборе и анализе данных, являются фотоприемник и оптика. Суть технологии заключается в том, что система вычисляет, сколько времени требуется лучам света, чтобы попасть на объект или поверхность, отразиться от него или нее и «долететь» обратно к лазерному сканеру. Затем расстояние вычисляется с помощью формулы скорости света.
Сегодня LIDAR применяется для определения глубины водоема, поиска археологических улик на поверхности и в воде, предупреждения лесных пожаров, при лазерной коррекции зрения, в беспилотниках и iPhone 12.
Техника с дистанционным управлением
Популяризатором этой технологии в 1990-х годах стал бизнесмен Дэвид Мэнсбери. Ему надоело питаться фастфудом, а на приготовление домашней еды не было времени. Он подумал, что будет здорово, если духовка сама приготовит ужин к его приезду с работы. Мэнсбери обратился к инженерам исследовательского центра Гленна, которые разрабатывали удаленную систему управления для космонавтов на МКС.
Получив доступ к технологии Embedded Web Technology, Дэвид Мэнсбери основал компанию TMIO для реализации своей идеи. В итоге была разработана духовая печь Connect to Intelligent Oven. Она работала следующим образом: пользователь помещал в нее свежие продукты, где они хранились, как в холодильнике, до тех пор, пока не запускался процесс приготовления. Для этого с любого устройства, которое имело выход в интернет, нужно было ввести время старта, длительность и температуру. Сделать это можно было удаленно с любого устройства, где был интернет. Программа также позволяла регулировать настройки, когда процесс приготовления уже запущен. Духовая печь имела два отделения, так что готовить можно было сразу два блюда.
В 2003 году журнал TIME признал «умную» духовку изобретением года. С этой духовой печи началась эра «умного» дома. Однако после 2007 года модель, похоже, сняли с производства и никакой новой информации о ней не появлялось.
Фильтры для воды
Технология фильтрации воды известна человечеству еще со времен Древнего Египта. Но фильтр в привычном нам виде появился недавно. В 1960-х годах NASA поставило на космический корабль «Аполлон» принципиально новую легкую модель очистителя воды. В отличие от существовавших в то время фильтров, модель NASA чистила воду не хлором, а ионами серебра, которые не вредят здоровью и не придают воде неприятный вкус. Ионизация воды понравилась не только космонавтам. Такой способ фильтрации стал популярен на Земле. Причем ионизатор начали использовать и для отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха.
Со временем фильтры модернизировали. В 2000 году обнаружили, что нанокерамические волокна отлично фильтруют воду. Частицы, в том числе вирусы и бактерии, проходят через сплетенные волокна, притягиваются к ним и застревают, оставляя воду чистой. Это происходит благодаря тому, что волокна нанокерамики производят положительный электрический заряд, когда через них проходит вода, в то время как у многих примесей заряд отрицательный.
На этом модернизация очистителей воды не закончилась. В 2008 году на МКС доставили фильтр с системой The Water Recovery System. Вода, попадая в коллектор фильтра, проходит через специальные фильтры, после чего образуется небольшое гравитационное поле. Примеси остаются на стенках резервуара, а очищенная вода — внутри. Далее она испаряется при температуре 131 °C, чтобы образовался конденсат. В конце жидкость повторно прогоняется через фильтры.
Оптические линзы
Миф о том, что космические технологии коснулись и солнцезащитных очков, можно объяснить тонким золотистым отражающим фильтром на шлеме у космонавтов. Именно он стал причиной слухов о родстве скафандра с очками-авиаторами. На самом деле освоение космоса действительно повлияло на изменения аксессуара — но только на эволюцию линз обычных очков для зрения.
В 1972 году по указу Минздрава США линзы начали делать из пластика. Преимущество материала заключалось в том, что его почти невозможно было разбить. Но поцарапать пластиковые линзы можно было запросто. Решение нашел инженер NASA Тед Уайдевен.
Уайдевен занимался системами очистки воды на космических кораблях и придумал технологию, которая позволяла наносить тонкую защитную пластиковую пленку на поверхность мембраны фильтров для воды с помощью электрических разрядов. Позже разработку начали применять для защиты забрала шлема скафандров, а в 1983 году компания-изготовитель очков Foster-Grant получила лицензию на создание оптики по той же технологии.
Автомобильные шины
Компании по производству автомобильных шин тоже заняли свое место в улучшении космического оборудования. В 1970-х годах разработчики Goodyear создали волокнистый материал для парашютных строп «Викинга-1» — космического корабля, который в августе 1975 года совершил первую успешную посадку на Марсе в рамках исследовательской миссии «Красная Планета». Позже компания начала применять технологию в производстве автомобильных шин, увеличив ресурс резины на 16 тыс. км.
Еще одно достижение принадлежит Michelin. В 2004 году компания разработала безвоздушную покрышку, которую впоследствии стали использовать для луноходов и марсоходов. Такие шины держат форму за счет сложной структуры ребер жесткости, а не за счет давления. Сейчас такую покрышку уже можно встретить на гражданских автомобилях, вот только покататься на общественных дорогах с такими шинами не удастся — пока только по треку.
Матрасы с эффектом памяти
Во время полета космонавты и летчики испытывают сильные перегрузки. Именно поэтому в 1960-х годах NASA решило разработать индивидуальные кресла для космонавтов. Но это оказалось очень дорого, поэтому придумали более универсальный вариант — пену, которая принимает форму тела. Так появился модифицированный пенополиуретан низкой упругости Memory Foam. Этот материал состоит из множества ячеек, которые под действием человеческого веса и тепла сжимаются, принимая форму тела. В итоге в ракетах и самолетах начали делать кресла из пенополиуретана. Они лучше защищают от ударов в случае аварии, повышают комфорт экипажа и пассажиров (если речь о самолетах) за счет равномерного распределения давления.
Позже пенополиуретан стали использовать в массовом производстве матрасов. Матрас из полиуретана хорошо поддерживает позвоночник, в нем не заводятся грибки и плесень, он не накапливает пыль, долго служит.
Космические технологии, которые мы будем использовать в ближайшие годы
Биопринтер
Российские ученые в 2016 году создали рабочий прототип биопринтера «Орган.Авт», который может печатать микроорганы и ткани. В 2018 году его решили запустить в космос. На МКС напечатали хрящевую ткань человека, а также ткань щитовидной железы мыши. Результаты признали успешными
Создание новых клеток и тканей в космосе понадобилось по нескольким причинам. Во-первых, отсутствие гравитации позволяет печатать объект сразу со всех сторон, а не послойно, как на Земле. Во-вторых, не приходится использовать токсичные соли гадолиния, которые обычно используются в экспериментах в земных лабораториях. Это повышает выживаемость создаваемых клеточных структур.
Когда такой принтер войдет в повседневность и людям смогут пересаживать органы, напечатанные на орбите, пока неизвестно.
Переработка пластика
Для переработки пластика в космосе используют 3D-принтер Refabricator. Он разработан компанией Tethers Unlimited и уже работает на МКС. Принтер-гибрид может как перерабатывать пластиковые отходы, так и отпечатывать новые предметы. Как это происходит? Использованный во время экспедиции пластик загружают в принтер. Далее он плавит мусор и делает из него волокна для дальнейшей 3D-печати инструментов и пластиковых запчастей. В дальнейшем этот прибор пригодится не только космонавтам в длительных полетах, но и людям на Земле.
Фотобиореактор
В Москве команда инженеров в 2018 году создала фотобиореактор, который умеет выращивать водоросли. Это прозрачный сосуд с лампочками, насосом и датчиками. В нем растут одноклеточные водоросли. Внешне аппарат похож на большой блендер. Разработка может пригодиться в космосе для путешествий на большие расстояния для жизнеобеспечения членов экипажа. Например, водоросли можно использовать как корм для рыб, которых тоже можно выращивать на борту корабля.
На Земле выращенными в фотобиореакторе водорослями можно кормить не только рыб, но и скот. Также растения можно использовать для очистки сточных вод и создания биотоплива.
Реалистичные планы на космос до 2050 года
Орбитальные транспортные хабы, лунные базы, двигатели на воде, транспортировка и разработка астероидов. Звучит как бы фантастически, но по факту все это уже проектируется или существует в опытных образцах. А конечная материализация планов зависит, по сути, лишь от финансирования и обкатки. С финансированием, кстати, особых проблем нет. Частные и государственные инвесторы за последние 10 лет увеличили объемы инвестиций в разы, причем деньги вкладываются в долгосрочные проекты.
Ниже много всяких деталей про то, зачем все это вообще нужно и что там такого «нафантазировали» товарищи из индустрии.
В основе статьи лекция генерального директора «Орбита Капитал Партнерз» и представителя Singularity University Евгения Кузнецова, которую он прочел в рамках Архипелага 2121 в Точке кипения в Великом Новгороде.
Зачем нам экспансия и что с этим было в истории
В свое время Ангус Мэддисон научился считать исторический ВВП — оценивать, насколько богатыми были государства в прошлом. Большую часть истории Индия и Китай были самыми богатыми государствами. Но потом Европа и Северная Америка начали буквально экспоненциальный рост и сумели стать гораздо богаче. Только сейчас Китай ринулся догонять, осваивая новую модель:
Что происходило перед промышленными революциями, которые стали мощнейшим драйвером роста?
Это были великие географические открытия, которые принесли то, чего мы не ждали.
Когда Колумб и Васко да Гама плыли за океан, они преследовали военно-политические или экономические цели. Но никто не знал, что они найдут новые ресурсы. Сильнее всего цивилизацию изменила простая картошка, которая через некоторое время после своего появления в Европе помогла победить голод. В итоге Европа стала бурно растущим регионом.
Сейчас мы находимся на пороге такого же взлета, когда космос откроет возможность почти неограниченного роста и расширения.
Четыре этапа освоения космоса
Я разделил историю освоения космоса на четыре стадии:
Космос 1.0. Первая стадия освоения была демонстрацией возможностей, когда страны преследовали в основном военно-политические цели. Главное было установить флаг. После этого все ждали Марса, спутников Юпитера и далеких звезд. Но процесс почти остановился на многие десятилетия. Государства решили свои задачи, а для бизнеса это было слишком дорого и сложно.
Космос 2.0. Далее началась волна скрытого освоения космоса, когда туда вылетели многие земные инфраструктуры — связь, телекоммуникации, телевидение. Скрытое освоение превратило космос в мощную индустрию. Чуть позже я покажу, насколько она велика. Эта стадия подарила нам возможность инвестировать в технологические проекты, связанные с новыми задачами освоения.
Космос 3.0. Прямо сейчас мы вступили в новую историю, когда в космос ринулись крупные компании и начали создавать космическую инфраструктуру. Грубо говоря, чтобы плыть через океаны, нужны порты и верфи. И сейчас такие «порты и верфи» создают уже не на Земле, а в космосе.
Космос 4.0. Когда космос наполнится инфраструктурой, он станет локомотивом роста. Это будет открытое пространство для освоения и добычи огромного количества полезных ресурсов. Тогда начнется новый экспоненциальный рост, который изменит наше представление о земной экономике: она станет экономикой Земли и космоса.
Кто сейчас хозяйничает в космосе
Мы уже совершили важнейшие прорывы в развитии земной инфраструктуры:
научились строить низкоорбитальные группировки, которые позволяют переносить в космос значимые инфраструктурные объекты с Земли;
начали эпоху космического туризма;
запустили доступные космические сервисы.
Все это происходит прямо сейчас. В 2019 году (по 2020 году данных еще нет) экономика космоса достигла отметки 366 миллиардов. Не более четверти составляют научные, военные и иные программы государств. Три четверти — это коммерческое освоение — спутники и наземная инфраструктура для них:
Но на эту инфраструктуру завязано значительно больше. Только в США это примерно пятитриллионная индустрия, куда входит интернет, финансовые сервисы, предсказания погоды, безопасность и многое другое. И эта индустрия постоянно растет — космос становится ареной для очень важных сервисов:
Вместе с этим космос становится значительно доступнее, потому что его начинают осваивать все меньшие космические аппараты. Если раньше спутники были тяжелыми, мощными, сложными структурами, которые создавались годами, то сейчас за освоение орбиты взялись средние и малые аппараты весом до тонны:
Сравнительные размеры малых, средних и больших спутников
Поднимается вопрос о создании серийных спутников.
Чтобы развернуть OneWeb или StarLink, необходимо производить по несколько спутников в день.
После запуска такого серийного производства нам останется всего один или два технологических шага до ремонтопригодных спутников, состоящих из заменяемых частей, которые можно ремонтировать прямо на орбите (об этом расскажу чуть позже). Я думаю, мы увидим их до конца десятилетия.
В последние годы количество запусков спутников, особенно малых — до 600 кг, — резко возросло, и этот рост продолжается. По прогнозам, за следующие 8–9 лет количество спутников, выводимых в космос, вырастет в 4–5 раз.
Создав полномасштабную группировку на орбите, мы сможем решать задачи, которые ранее казались невозможными. Например, сейчас при дистанционном зондировании Земли приходится выбирать: либо быстро и с низким качеством (частые снимки), либо редко, но с высоким качеством (сверхчеткие снимки).
Задача для новой группировки спутников — выход на непрерывный мониторинг Земли в декасантиметровом разрешении, а в перспективе и в сантиметровом. Если сейчас Starlink и OneWeb еще не решают такую задачу, то, я уверен, массовые низкоорбитальные группировки следующего поколения уже будут среди прочего нести на себе оптику, чтобы мы могли перейти к очень детальному и точному мониторингу всего, что происходит на Земле.
Разрешение спутников и частота, с которой можно запрашивать изображения нужных участков Земли
Возможность добавить к любому земному сервису мониторинг из космоса открывает новые горизонты для бизнеса. Например, уже сейчас наблюдения применяют для контроля роста сельскохозяйственных растений, мониторинга строительства и перевозок, для спасения на водах и решения других морских задач. Не хватает только широкой доступности этого сервиса.
Есть разные прогнозы роста космической экономики. Один из наиболее авторитетных источников — конгломерат Morgan Stanley. Он предполагает, что к 2040 году оборот космоса превысит триллион долларов:
Я думаю, что это консервативная оценка. Вполне возможно, космос будет расти значительно быстрее. Обратите внимание, самый быстрорастущий сегмент (салатовые столбики) — это Second Order Impacts, вторичные возможности, когда аппарат, выведенный на орбиту для решения конкретных задач, например для обеспечения связи, параллельно выполняет дополнительную работу — фотосъемку.
Революция стоимости доставки грузов на орбиту
Почти 50 лет, начиная с первых полетов, космос был очень дорогим удовольствием. Стоимость вывода килограмма на орбиту начиналась от 5–6 тысяч долларов и практически не снижалась, пока не наступила эра SpaceX:
SpaceX — это революция в космонавтике, потому что проект на несколько порядков уронил стоимость запуска. Даже первый Falcon 9 обрушил цену почти в два раза, а запуск Starship снизит ее до нескольких сотен долларов за килограмм.
В будущем эта кривая обещает фантастическую траекторию.
Обратите внимание, что вертикальная шкала — логарифмическая
Если верить прогнозу, уже к 2040 году вывод груза на орбиту будет стоить меньше 100 долларов за килограмм, а к 2050 меньше десяти долларов за килограмм.
Космос становится на три порядка дешевле.
При этом ракеты становятся мощнее и совершеннее.
Мы видим, что советские и российские ракеты вполне вписываются по грузоподъемности и качеству. Но ключевая задача для нас — достичь той же стоимости запуска. Это возможно только при фундаментальном удешевлении компонентов ракеты, создании заменяемых систем корабля и так далее. Необходима полная пересборка всей ракетостроительной индустрии на фундаменте новых технологий. Это и сделал Маск, чтобы обрушить цену.
Есть еще проблема космического мусора и перенаселенности орбит
У человеческой деятельности в космосе есть последствия: мы чрезвычайно быстро заполняем околоземное пространство разными объектами. На данный момент в космосе болтается уже почти 21 тыс. предметов диаметром более десяти сантиметров. Большая часть из них — это мусор, который занимает важные функциональные орбиты.
График роста числа крупных объектов космического мусора
Схема распространения обломков после испытания Китаем в 2007 году противоспутниковой ракеты
Здесь показаны результаты китайского эксперимента по уничтожению спутника. Его осколки расползлись практически по всей орбите и сейчас представляют опасность для всех аппаратов, находящихся на этой же высоте.
С учетом запуска новых многотысячных группировок спутников (только у SpaceX будет 42 тыс.) задача очистки орбиты становится все важнее. Поэтому мир обратился в сторону спутников, которые можно ремонтировать и заправлять прямо на орбите. Сейчас идут первые эксперименты. Сразу несколько компаний провели пробные дозаправки. В ближайшее время это станет мощной индустрией.
Чего ждать к 2035 году
Следующий рубеж, который нам предстоит преодолеть, — это выход коммерческих и промышленных проектов за рамки околоземной орбиты. У так называемой «межлунной экономики» (CisLunar economy) три важных ориентира:
резкое удешевление запусков — уже сбывающийся прогноз по падению стоимости в 10–100 раз;
добыча ресурсов и топлива в космосе;
создание космической энергетики и инфраструктуры.
Луна — это сырьевая база для дальнейшего освоения космоса
В последнее время много говорят о лунных базах. Их уже проектируют, и некоторые рендеры, в частности NASA, хорошо известны:
В соответствии с программой «Артемида» после 2028 года NASA приступит к созданию лунной базы, рассчитанной на 15-летнюю эксплуатацию
Но лунная база нужна вовсе не для экспериментов. Луна — это огромное ресурсное пространство, обладающее колоссальным преимуществом по сравнению с Землей — значительно меньшей гравитацией и, как следствие, неглубоким гравитационным колодцем. С Луны намного легче забрасывать грузы и оборудование в открытый космос.
С учетом этого в компании United Launch Alliance проектируют так называемую CisLunar Railroad — «межлунную железную дорогу»:
Инфраструктурная схема покорения ближайших планет
В свое время именно железные дороги в России и США связали между собой океаны — от Петербурга до Владивостока и от Восточного до Западного побережий. Именно вокруг железных дорог строили экономику и создавали программы государственного развития. Сейчас то же самое необходимо сделать в космосе. Чтобы решать фундаментальные задачи обеспечения космических миссий, нужно построить транспортный путь, опирающийся на объекты базовой инфраструктуры.
По формуле Циолковского, чтобы запустить груз в космос, нужно сжечь количество топлива, равное почти 90% веса ракеты.
Тысячи килограмм топлива ради десятков килограмм груза. Чтобы запустить Starship на Марс, необходимо сделать несколько запусков Starship с Земли, чтобы он вынес на орбиту все необходимое. Это крайне неэффективно и бессмысленно, особенно если это простые виды грузов.
Для освоения космоса нужен металл (как основа строительства), топливо для полетов (вода, водород), кислород, какие-то минеральные ресурсы. Все эти грузы крайне дороги, если уводить их с Земли. Но все это есть на Луне и в космосе.
На снимке — AI-реконструкция минералогической карты Луны:
Эта мозаика из 53 изображений была получена космическим аппаратом Галилео, направлявшимся к Юпитеру в 1992 г. Сами изображения сделаны с помощью трех фильтров, выделивших разные области спектра
На Луне много привычных нам металлов, включая титан и железо. Это строительные материалы, которые помогут создать на орбите Земли базовые конструкции космических станций и миссий к дальним планетам. Немало и редких элементов, таких как иридий, который попадает на Землю с метеоритами и находит применение в двигателестроении.
Поскольку тяготение на Луне в шесть раз меньше земного, потребуется значительно меньше топлива для того, чтобы вывести все это на орбиту Земли.
Для получения этих ресурсов в ближайшие 15–25 лет понадобится так называемая трансферная станция на орбите Луны, а также базовая станция на ее поверхности — для проведения ремонтных работ и других функций.
А станция в точке Лагранжа между Землей и Луной, наверное, будет первым крупнейшим портом, с которого начнется дальнейшая колонизация Солнечной системы.
Уже сейчас крупнейшие мировые компании проектируют роботов, которые смогут быстро и дешево построить базу на Луне. Один из таких проектов развивают в России — на базе Самарского университета. Здесь создают 3D-принтер, способный печатать в лунных условиях. Но таким проектам еще предстоит длительный этап тестирования.
Ключевой момент — водяной двигатель
Одно из прорывных изобретений в контексте освоения космоса — водяной двигатель Momentus. Это российская разработка, которую пытаются реализовать в США. Сейчас там есть определенные проблемы, но сама технология имеет колоссальное будущее. Пожалуй, это ключевой момент для освоения Солнечной системы.
Первый спутник Vigoride-1 с этим двигателем уже полностью собрали. Запуск намечен на 2022 год
Тут прямая аналогия с плазменным двигателем, построенным по образцу применяемых на спутниках ионных установок. Но если обычный двигатель использует ксенон — земной газ, который необходимо сначала вывести на орбиту, — то этот двигатель использует более доступную воду, которая присутствует и в космосе.
В мире есть несколько групп, которые занимаются поиском воды в космосе. Например, прорабатывают освоение лунных полюсов, где с очень высокой вероятностью есть чистый лед. Воду можно использовать в таком двигателе или разложить на водород и кислород, чтобы заправить более традиционные установки с водородно-кислородной парой.
Ключевая задача на ближайшее десятилетие — сделать водяные и водородно-кислородные двигатели настолько надежными и массовыми, чтобы приступить к освоению Солнечной системы на внеземном топливе.
Астероиды как главный приз
Астероиды — еще одна кладовая космоса, причем содержит она иногда фантастические объемы ресурсов. Об этом задумывались еще в 1960-е годы. Но подобные проекты оказались недешевыми даже на бумаге. Сейчас ситуация меняется. Если найти воду на самом астероиде и использовать водяной двигатель, то можно двигать астероид, не доставляя туда топливо. Этот подход оказывается на 3–4 порядка дешевле традиционного и открывает совершенно новый путь к освоению космоса.
В этот момент мы все, конечно, думаем о Поясе астероидов между Марсом и Юпитером. Но есть более близкие астероиды, которые вращаются на орбите Земли или иногда ее пересекают. Например, на иллюстрации астероид Ryugu. К нему отправили уже две миссии японских космических кораблей Хаябуса, которые подтвердили и наличие минералов, и саму возможность таких миссий.
Ryugu практически полностью состоит из железа и никеля — строительных материалов, которые можно использовать для создания конструкций на орбите.
Общая оценка стоимости этого астероида — почти 80 миллиардов долларов. Если добыть такое количество этих металлов на Земле и доставить на орбиту, это обойдется в тысячу раз дороже.
Стоимость миссии к этому астероиду с целью подтолкнуть его поближе к Земле — 50 миллиардов долларов. 30 миллиардов долларов — чистая прибыль.
И совершенно необязательно «кидать» его на Землю. Это опасно и бессмысленно. Гораздо полезнее оставить его в точке Лагранжа, где он будет поддерживать свою траекторию и где его можно постепенно — десятилетиями — разрабатывать, доставляя на орбиту сверхдешевые металлы для строительства.
В космосе есть и более фантастические объекты. Один из наиболее популярных — астероид Психея. Его оценивают почти в 10 квинтиллионов долларов. Квинтиллион — это триллион миллиардов — фантастическая сумма.
Художественное изображение Психеи, созданное на основе компьютерной модели после обработки множества радарных снимков ее поверхности
Значительную долю его веса составляет платина, золото и другие ценные металлы, не говоря о том, что остальная часть практически полностью железо-никелевая. Скорее всего, это ядро бывшей протопланеты, которая развалилась на орбите между Марсом и Юпитером.
По весу это почти десятая часть всего астероидного пояса. К нему тоже можно отправлять миссии, и NASA уже сейчас планирует это сделать. Его, конечно, нереально приблизить к Земле, но можно использовать, чтобы создавать необходимые конструкции для освоения более дальнего космоса — Марса, лун Юпитера и Сатурна.
Иными словами, в космосе разбросано очень много ценных камней. Наша задача — научиться к ним летать и разрабатывать их.
В свое время Bank of America оценил потенциал этих «камней» почти в 700 квинтиллионов долларов. Это астрономическая сумма, которая означает только одно: сколько бы денег ни вложили в космос, получим значительно больше.
Список ключевых астероидов Солнечной системы и их предполагаемый состав. Самый дорогой и самый крупный из них — Davida. По данным базы Asterank, его стоимость составляет 15,38 * 10^18 долларов
Общий ВВП космоса в тысячи и миллионы раз больше, чем ВВП Земли. Иными словами, если мы создадим человечество, которое опирается не только на Землю, оно сможет быть более богатым и иметь значительно больше ресурсов для того, чтобы расширяться — осваивать все более дальний космос. И если мы научимся разрабатывать ресурсы космоса, у нас не будет ограничений по ресурсам.
Одна из схем добычи ресурсов на астероидах. Буксиры разгружают на орбите Земли и они возвращаются к астероидам, а доставленные ими ресурсы перерабатывают в топливо для спутников без отправки на Землю
Чтобы это реализовать, необходимо создать сложную инфраструктуру. Например, чтобы приблизить астероид к точке Лагранжа, нужно иметь мощные буксиры на воде и другом топливе, добываемом из самого астероида. И создавать развитую транспортную сеть с разными орбитальными точками базирования, которая сможет переводить грузы с орбиты на орбиту, доставляя их в нужную точку. Для этого нужны двигатели, системы ориентации, то есть довольно много интеллектуального оборудования.
Что в планах на следующие 30 лет
Обширный roadmap, сформулированный американцами, охватывает ближайшие 30 лет и приводит к почти десятикратному росту космической экономики, а также 200–300-кратному росту числа людей в космосе:
Мы здесь видим важные вехи:
начало сборки и ремонта спутников на орбите примерно в 2023–2024 годах;
лунная база в 2027 году;
добыча лунного топлива годом позднее;
создание отеля или станции с искусственной гравитацией к концу 2030-х годов.
Это все довольно амбициозные задачи, но они выполнимы. Более далекие горизонты пока просматриваются не столь определенно, поскольку эти проекты еще не запущены. А вот в уже описанные проекты — космические артерии, лунные станции и т. п. — уже инвестируют либо государства, либо частные структуры. У всех этих проектов есть свой таймлайн, который можно контролировать.
Так что истории про космические орбитальные станции, населенные людьми, или про лунное топливо уже вполне реалистичны.
Куда все двинется после 2050 года
К 2050 году, когда будет реализована первая задача (строительство космической инфраструктуры), начнут говорить:
О создании полноценных космических производств, которые могут выпускать товары, реализуемые на Земле. Пока идей немного: например, новые типы полупроводников или искусственные органы. До недавнего времени производить что-либо на орбите было нерентабельно. Всю прибыль съедала бы стоимость доставки продукции на Землю. Эта стоимость уже упала в сто раз и упадет еще в сто, тогда космическое производство станет реалистичным. К тому моменту появится много проектов, которые будут экспериментировать с выпуском разных видов продукции на орбите. Именно поэтому сейчас огромное значение имеет развитие космических лабораторий.В ближайшие 10–15 лет будет волна запусков тестирований разных продуктов, которые производить в невесомости дешевле, чем на Земле. Такие продукты появятся, поскольку космос — это уникальная среда с микрогравитацией, где нет экологических рисков. Например, в космос можно перенести тяжелые производства без рисков для атмосферы.Все это необходимо, чтобы у будущих космических станций появилась экономика.
О жилых орбитальных станциях. Когда стоимость поездки упадет с сотен тысяч до тысяч долларов, на орбиту будет летать не два человека в год. Это будут делать все, кто сейчас может потратить 10 000 долларов, например, на поездку в Европу. И это только одна задача. Но у космоса есть много применений помимо банального туризма, которые раскроются со временем.
О достижении дальнего космоса — о нашей общей мечте. Можем ли мы достичь чего-то большего, чем Земля, Луна, спутники Юпитера и Сатурна? Кто увлекается космосом, конечно, знает о замечательном проекте — двигатель Алькубьерре, который когда-то пообещал нам межзвездные путешествия (решение уравнений Эйнштейна, которое предполагает достижение сверхсветовой скорости за счет сжатия и растяжения пространства).
Это не более чем теоретическая игра — нетривиальное решение уравнений, в соответствии с которым для перемещения требуется фантастическое количество энергии. Но буквально в прошлом году вышла статья, которая удешевила энергетику пузыря Алькубьерре сразу на несколько порядков. Теперь для его формирования нужна энергия не всей нашей Галактики, а лишь одного Юпитера. Это большой прорыв в математике.
Я почти уверен, что подобные прорывы еще будут происходить, поскольку общее развитие цивилизации идет экспоненциально. Если в какой-то сфере есть прогресс, он неизбежно со временем ускоряется.
Конечно, это не прогноз, а лишь надежда, что достижения математики и физики приблизят нас к прототипу сверхсветового передвижения уже до конца столетия.
Дорожная карта и экономика процесса
Чтобы приблизить это будущее, нам необходимо пройти все шаги освоения космоса — закрепиться в нем, стать космическим видом, способным создавать объекты и новые конструкции в космосе. Мы с коллегами сделали для себя на ближайшие 20 лет дорожную карту с развитием сразу по нескольким направлениям:
Это:
– системы жизнеобеспечения и полного воспроизводства, которые сделают жизнь человека в космосе такой же комфортной, как на Земле;
– технологические и индустриальные процессы: сборка, ремонт и контроль — то, что сделает возможным создание космических и планетарных баз;
– двигатели и топливо, необходимые для освоения Солнечной системы.
Важно, что многие технологии выйдут из земных. Если раньше все искали, как космические технологии применить на Земле, то сейчас земные технологии все больше рвутся в космос.
Например, мы инвестируем в одну компанию, которая делает городские фермы. Она знает все про то, как вырастить растения в очень замкнутой среде, и достигла двадцатикратного снижения количества потребляемой воды и увеличения эффективности освещения волноводами. До космических ферм, которые смогут обеспечивать едой космонавтов, остается несколько понятных технологических шагов.
Другая компания делает роботов, способных работать без специального программирования — выполнять по чертежам нестандартные операции так же легко и экономически выгодно, как человек. Сейчас это работает для земных индустрий, и технически несложно сделать, чтобы такой робот стал космическим строителем.
Много важных разработок идет в сфере топлива. И до всего этого примерно 20 лет просчитываемого пути, который приведет нас к тому, что мы станем в космосе своими, как когда-то освоились в море.
Последнее, что я хотел упомянуть: в эту сферу уже потекли деньги. Посмотрите, какими темпами растут инвестиции в США. За 10 лет они выросли примерно в 100 раз. Причем деньги идут в самые ранние разработки — в проекты, которые выстрелят через 5–7 лет.
Примерно так же растут инвестиции в Китае.
Посмотрите, в какие космические проекты вкладывают деньги. Экономика приложения космических технологий (например, не сам запуск спутника, а обработка данных с него) растет в 3–5 раз быстрее:
Я очень надеюсь, что такими же темпами будет расти и российская частная космонавтика. Здесь пока очень много вопросов. Если США и Китай уже «переключили скорости», то мы пока едем медленно. Но мы стараемся решить эти вопросы ради компаний с уникальными разработками. У России есть интеллектуальный капитал — задел, например, в космической медицине и биологии. Но нам нужны новые организационные и финансовые механизмы — они сейчас обсуждаются.
Здесь очень много возможностей. И наша общая задача — создать организационное и ресурсное обеспечение для реализации плана, который сейчас лежит на столе практически у всех ключевых венчурных инвесторов мира, потому что время уходит очень быстро. Важно вступить в партнерство. В одиночку космос не сможет освоить ни одна страна. Это слишком сложная задача, требующая многих компетенций. И если сейчас идет борьба альянсов, то через 10–15 лет мы неизбежно придем к коллективному освоению.
Также вам может быть интересно: