Ресурсы для экспансии звёздной системы.

Приветствую всех!

Я обещал рассмотреть, что нам нужно для космической экспансии, я это делаю  

Блог, сам собой, разбился на две логичные части. Сегодня посмотрим на звёздную систему, завтра - на проблемы терраформирования. 

Главный вопрос в этом блоге будет - зачем? Зачем нам экспансия, зачем нам ресурсы за пределами планеты, и зачем, собственно, людям лично находиться в космосе в количестве большем, чем десяток специалистов на станции. Сегодня я хочу пройти всю логическую цепочку от "зачем" до "из чего" и до "сколько", и сделаю это на примере Солнечной системы, потому что здесь всё можно проверить цифрами, а логика применима к любой звёздной системе с аналогичным набором тел.

Чтобы не потеряться в деталях, обозначу последовательность шагов, и дальше мы разберём часть из них по очереди:

Земля → орбитальная верфь → астероидная добыча → орбитальный завод → лунный завод → марсианская колония → промышленный пояс астероидов → внешняя система.

Каждый шаг возможен только если предыдущий завершён, и перепрыгнуть через шаг нельзя (или, если брать начальные - очень дорого)

Зачем вообще экспансия?

Начнём с самого начала, потому что без ответа на этот вопрос всё остальное бессмысленно. Земля перехватывает около одной двухмиллиардной мощности Солнца, и на этой доле живёт восемь миллиардов человек со всей промышленностью, сельским хозяйством и энергетикой. И, пока население растёт, а запасы ископаемого топлива и редких металлов конечны, вопрос "что дальше?" встаёт сам собой, и у него есть три ответа: сжаться и деградировать, остаться на Земле и молиться, чтобы хватило, или расшириться. Третий вариант - единственный, который не ведёт в тупик, все остальные уткнутся в него если не через сто лет, так через тысячу.

Но расшириться - это не значит "заселить каждую скалу людьми". Вот тут начинается самая распространённая ошибка, которую видно и в реальной риторике, и в фантастике: колонии на каждом астероиде, люди в скафандрах, копающие руду кирками. Экспансия в космос - это инфраструктура, и люди в ней нужны только чтобы контролировать процессы.

Зачем ресурсы и какие именно?

Любая высокотехнологичная цивилизация стоит на двух ногах: энергия и ресурсы. С энергией в ближнем космосе всё прекрасно (для заводов, имею в виду), потому что Солнце излучает 3,8 × 10²⁶ ватт и перехватить хотя бы миллионную долю - уже в миллионы раз больше, чем потребляет вся земная цивилизация. С материей несколько сложнее, потому что она скомпонована по планетам и астероидам. На Земле они лежат глубоко, под гравитацией, в виде руды, которую нужно выкопать, обогатить и переплавить, а в космосе они лежат на поверхности астероидов, Луны и Марса, откуда их добывать гораздо проще.

Какие именно ресурсы нужны? Если мы говорим о строительстве кораблей, станций и заводов, то нам нужны три вещи: металлы для конструкций, вода для жизнеобеспечения и как сырьё для топлива, и энергия для переработки всего остального. И нужно это всё именно в этом порядке, потому что без металла нечего строить, без воды нечем "жить" и нечем заправлять, а без энергии металл не переплавить. Электроника, полимеры, стекло - всё это вторично и производится из первичных ресурсов, когда есть металл и энергия.

Где лежат ресурсы?

Околоземные астероиды - ближайший и самый доступный источник, потому что до них, зачастую, ближе, чем до Луны. Среди них есть три типа, каждый из которых закрывает свою потребность: углеродистые (C-тип) дают воду и углерод, силикатные (S-тип) дают железо и никель, металлические (M-тип) дают чистое железо и платиновые металлы. Один астероид, километром в диаметре, содержит больше железа, чем вся земная металлургия производит за год, плюс это железо лежит на поверхности, не нужно шахт, обогащения и там нет гравитации. Таких астероидов (разных размеров) - десятки тысяч и тысячи из них легкодоступны. Конечно, не получится "сидеть" на одном астероиде вечно, но можно как переместить готовый завод, так и построить несколько параллельно.

Луна - это склад для орбитальной инфраструктуры, потому что гравитация в шесть раз слабее земной, атмосферы нет, и доставка груза с Луны на орбиту в ~20 раз дешевле (экономически), чем с Земли. В реголите есть кислород (45% массы, в виде оксидов), железо, алюминий, титан и кремний, и на полюсах - водяной лёд. Всё это можно добывать открытым способом, без шахт.

Марс - это завод, потому что у Марса есть атмосфера (пусть и разреженная), есть подповерхностный лёд, есть железо в грунте. И самое главное - есть CO₂, из которого через реакцию Сабатье можно получать метан и кислород, то есть ракетное топливо на месте. И это делает Марс единственной точкой в системе, откуда можно заправлять корабли для дальних перелётов, не везя топливо с Земли.

Пояс астероидов - это огромнейшие промышленные запасы, которых нам хватит на очень долго (сотни тысяч лет). Здесь Церера даёт воду для всего пояса, а металлические астероиды дают столько железа, что его хватит на миллионы кораблей, и единственный вопрос - доставка, потому что Δv до пояса ~3 км/с по гомановской траектории или ~6–8 км/с для быстрого перелёта, перелёт на ионном тягаче занимает год-полтора. Но это не проблема физики, а проблема инженеров и логистики.

Зачем люди в космосе?

На этот важный вопрос ответ прост: для добычи ресурсов люди не нужны. Робот, управляемый телеметрией с задержкой в несколько секунд или минут, справится с бурением, плавкой и погрузкой лучше человека в скафандре, и ему не нужен воздух, вода, еда, защита от радиации и психологическая поддержка. Он не умрёт от разгерметизации, и его можно использовать 24\7, а ещё он не потребует профсоюз и доплату за сложные условия :)

Люди нужны в космосе там, где нужен сложный ремонт, научная работа и принятие решений в нештатных ситуациях, и это значит: на станциях управления, в лабораториях, на верфях для сборки и наладки.

Из этого следует, что астероидные шахты в фантастике, где тысячи людей в скафандрах машут кирками (ну или пневмобурами, без разницы) - это декорация, не имеющая отношения к реальности, и любой автор, который пишет такую сцену, должен ответить на вопрос: почему робот не справится?

Как строить: заводы и верфи.

Если ресурсы лежат на астероидах и Луне, а люди нужны только для управления и ремонта, то логика производства простая: заводы строятся там, где ресурсы, а сборка происходит там, где удобно. А удобнее всего собирать на орбите, там нет гравитации, нет атмосферы, и конструкцию можно собирать в любой ориентации, не борясь с весом.

Первый завод, который нужен - плавильня: солнечные концентраторы или индукционные печи, которые плавят астероидную руду и дают металлический слиток или порошок для 3D-печати. Энергозатраты на выплавку тонны железа составляют порядка 20 гигаджоулей, что при солнечном потоке в киловатт на квадратный метр требует концентратор площадью в пару сотен квадратных метров на тонну в сутки, и это не гигантская конструкция, а вполне подъёмная задача.

Второй завод - аддитивное производство: 3D-печать крупных конструкций из металлического порошка. Это принципиально важно, потому что выводить с Земли ферму размером 100 × 100 метров невозможно, а напечатать её на орбите из астероидного железа - можно, и NASA уже тестирует 3D-печать металлов в невесомости на МКС.

Третий важный завод - электроника, самый проблемный. На первом этапе она везётся с Земли, потому что воспроизвести фотолитографию на единицах нанометров в космосе невозможно без полной производственной цепочки. Электроника компактная: несколько тонн микросхем на сотни тонн конструкции вывести с Земли не проблема. Локализация электроники - это задача второго-третьего поколения космических заводов, и она произойдёт тогда, когда будет экономически оправдана, т.е. будет проще произвести в космосе, чем тащить с планеты.

Теперь пройдусь по каждому этапу последовательно, указывая, что нужно вывести с Земли, что производится в космосе, и сколько это стоит по текущим оптимистичным расчётам стоимости вывода на орбиту. Стоимость я возьму как $1000/кг (это между Falcon Heavy ~$1400/кг и заявленной целью Starship ~$100/кг, то есть реалистичный сценарий на ближайшие 5–10 лет при масштабировании). Ещё, оговорюсь, что расчёт "в прямую", без разбиения груза по частям и его сборки.

Этап 1: Первый астероидный завод (автоматическая добыча и плавка). Строится полностью из земных компонентов, потому что в космосе ещё нет производства. Выводится с Земли: горное оборудование ~50 тонн, плавильня ~30 тонн, 3D-принтер для ремонта ~10 тонн, энергоснабжение ~15 тонн, конструкция ~35 тонн, электроника ~5 тонн, резервные части ~5 тонн, итого ~150 тонн. Производительность: при концентраторе ~230 м² и потоке 1 кВт/м² на орбите Земли выплавка железа идёт со скоростью ~1 тонна в сутки, что даёт ~365 тонн в год и ~1800 тонн за 5 лет работы. Стоимость вывода с Земли: 150 тонн × $1000/кг = $150 млн.

Этап 2: Орбитальный завод (сборка и аддитивное производство). Строится на верфи из металла с астероидного завода и компонентов с Земли. Металл с астероида: ~300 тонн, электроника с Земли: ~10 тонн, точные механизмы с Земли: ~20 тонн, конструкция напечатана на 3D-принтере первого завода: ~200 тонн, итого ~530 тонн, из них с Земли 30 тонн. Производительность: сборка крупных конструкций, печать ферм и блоков, за год ~1000 тонн готовых конструкций при поставке металла ~365 тонн/год. Стоимость вывода с Земли: 30 тонн × $1000/кг = $30 млн.

Этап 3: Лунный завод (второй источник металла, другие виды металлов (алюминий, титан), ближе к Земле). Строится из металла с орбитального завода и электроники с Земли. Металл с орбитального завода: ~300 тонн, электроника с Земли: ~10 тонн, точные механизмы с Земли: ~20 тонн, горное оборудование произведено на орбитальном заводе: ~50 тонн, энергоснабжение произведено на орбитальном заводе: ~20 тонн, итого ~400 тонн, из них с Земли 30 тонн. Производительность: при концентраторе ~1000 м² и непрерывной работе ~5 тонн металла в сутки, ~1800 тонн в год. Стоимость вывода с Земли: 30 тонн × $1000/кг = $30 млн.

Этап 4: Марсианская колония на 100 человек (первый этап). Строится из металла с орбитальных верфей и лунного завода, и из электроники с Земли. Конструкция (жилищные модули, лаборатории, мастерские): ~5000 тонн с орбитальных верфей, защита от радиации (водяные экраны, реголит): ~2000 тонн (вода с астероидов, реголит на месте), системы жизнеобеспечения: ~1000 тонн с орбитальных верфей, электроника: ~200 тонн с Земли, сложные механизмы: ~300 тонн с Земли, топливо для посадки и взлёта: ~500 тонн производится на месте из CO₂ и воды, итого ~9000 тонн, из них с Земли 500 тонн. Ключевой момент: 94% массы колонии производится из космических ресурсов, и только 6% везётся с Земли. Стоимость вывода с Земли: 500 тонн × $1000/кг = $500 млн.

Этап 5: Промышленный пояс астероидов (флот и заводы). Для промышленной добычи нужен флот грузовых тягачей и сеть заводов. 50 грузовых тягачей × 200 тонн сухой массы = 10 000 тонн производится на лунных и орбитальных заводах за ~5–6 лет, электроника для тягачей: 50 × 5 тонн = 250 тонн с Земли, 10 добывающих станций × 150 тонн = 1500 тонн производится на орбитальных заводах, 5 заводов × 400 тонн = 2000 тонн производится на лунных заводах, итого ~13 750 тонн, из них с Земли 250 тонн. Производительность: при 10 добывающих станциях и 5 заводах ~50 тонн металла в сутки, ~18 000 тонн в год, что уже масштаб, достаточный для строительства крупных кораблей и станций без оглядки на земные поставки. Стоимость вывода с Земли: 250 тонн × $1000/кг = $250 млн.

Итого за все пять этапов с Земли выводится ~960 тонн за сумму ~$960 млн, а из космических ресурсов производится ~22 870 тонн, и соотношение "земное/космическое" составляет 4% к 96%. Это соотношение делает экспансию возможной, потому что (оптимистичные) $960 млн - это подъёмная сумма для крупного государства или консорциума (сравнимо с бюджетом программы Artemis или стоимостью строительства МКС), а если бы всё везлось с Земли по той же цене, это было бы $23,8 млрд - уже неподъёмно. Прошу учитывать, что эти цифры - только стоимость подъёма, есть ещё стоимость самих ресурсов и связанные платежи. Поэтому логика экспансии строится вокруг максимальной локализации производства и минимизации земных поставок.

Естественно, на практике сумма затрат будет больше (как бы не в два раза), потому что нужно будет и дополнительно топливо для доставок на первых этапах и другие различные нюансы.

Пара слов в выводе про НФ. Если у вас есть межзвёздная цивилизация, вы обязаны ответить на три вопроса: откуда ресурсы, зачем люди, и почему именно такая последовательность? Если у вашей империи тысяча кораблей, то где добыт металл? Если у вас колонии на астероидах, то зачем там люди и почему не роботы? Если у вас флот из ста тягачей, то кто и где их построил, и сколько лет заняло производство?