Освоение космического пространства открывает для человечества доступ к неограниченным материальным и пространственным ресурсам Вселенной, среда которой обладает исключительными технологическими условиями.
Неограниченные и уникальные ресурсы Вселенной станут доступны, как только человечество вступит на путь индустриализации космоса, что позволит создать новую космическую экономику невероятных возможностей. У жителей Земли появится шанс восстановить экологию планеты, обеспечить индустриальный путь развития на более высоком технологическом уровне, а также решить все на планете социально-экономические проблемы.
Факторы конкурентоспособности производства в космосе
Ресурсные
Ценовые
Космические
Некосмические (косвенные)
Ресурсные
Невесомость в режиме 24/7
Глубокий вакуум
Неисчерпаемая сырьевая база
Солнечная энергия в режиме 24/7
Бесконечное пространство
Идеальная чистота
Криогенные температуры
Отсутствие выбросов СО₂ и других загрязнений в земную атмосферу, воду и почву
Космические
Роботизация космических производств → отсутствие фонда оплаты труда и налогов; экологическая безопасность для земной биосферы
Высокая автоматизация технологических процессов → минимум операционных затрат
Возможность использования эффективных (однако экологически грязных или опасных, с позиций земной биосферы) технологий, запрещённых на Земле
Минимум или отсутствие затрат на природоохранные мероприятия, утилизацию и захоронение отходов
Лёгкость и простота космического оборудования /технологий → минимизация капитальных и эксплуатационных затрат
Снижение затрат на производство и доставку продукции на Землю при использовании ОТС
Некосмические (косвенные)') !!}
Ужесточение экологических норм и природоохранных требований на планете
Экоориентированность космической индустрии, размещённой на удалении от жизни на планете, позволит получить налоговые и торговые преференции
Низкие тарифы на энергию и сырьё, а также на потребляющий энергию космический транспорт для всей космической индустрии
Развитие производства
На Земле
Производство природных экологически чистых продуктов питания
Получение «зелёной» электроэнергии, тепла (в холодном климате) и холода (в жарком климате) без ущерба для биосферной экологии
Строительство экокомфортного жилья, производственных зданий и сооружений
Транспортная, энерго- и информационная экоориентированная инфраструктура и др
В космосе
Энергетика
Изготовление высокопрочных, сверхчистых, сверхтвёрдых и др. уникальных материалов
Изготовление композитных материалов
Выпуск кремниевых пластин
Выращивание монокристаллов
Электроника
Машиностроение
Металлургия
Химические и биотехнологии
Космическая медицина
Фармацевтика
Робототехника
Строительство
Сельское хозяйство для космических нужд
Транспортная, энерго- и информационная космическая инфраструктура
На астероидах и иных небесных телах
Добыча полезных ископаемых: железной руды, платины, кобальта, золота, марганца, молибдена, никеля, осмия, палладия, родия и других минералов
Примеры возможностей:
Сравнительно небольшой металлический астероид диаметром 1,5 км может содержать в себе различных металлов, в том числе драгоценных, на сумму 20 трлн USD
Всего лишь в одном астероиде диаметром 1 км может находиться до 2 млрд тонн железно-никелевой руды, что соответствует общему объёму добычи руды во всём мире за целый год (в денежном эквиваленте более 100 млрд USD)
Космический вектор индустриализации предполагает, что сначала создаются и затем стремительными темпами наращиваются мощности базисных отраслей космической индустрии.
Речь идёт о космической солнечной и водородной энергетике, космическом транспорте, добыче и переработке минерального сырья астероидов и других космических тел, производстве из этого сырья конструкционных материалов и композитов, промышленных элементов, узлов и оборудования, строительстве на экваториальных орбитах Земли промышленных и жилых биосферных кластеров.
Строительство
Практическая индустриализация околоземного космического пространства должна начаться с первым запуском ОТС.
В первую очередь создаётся космическое индустриальное ожерелье «Орбита» (КИО «Орбита») – орбитальный транспортно-инфраструктурный и индустриально-жилой комплекс, охватывающий планету в плоскости экватора, размещаемый на низких околоземных орбитах.
Протяжённость КИО «Орбита», например, для орбиты высотой 400 км, составит 42 600 км.
В течение базовой индустриализации космоса необходимо:
1.Сформировать вдоль низких экваториальных орбит строительно-монтажные участки.
2.Поднять и смонтировать несущие (силовые) и транспортно-коммуникационные компоненты КИО «Орбита», завершив строительство этой опорной конструкции со всей космической транспортной и энергоинформационной инфраструктурой в течение первых двух лет полётов ОТС.
3.Возвести ЭкоКосмоДома для персонала, обслуживающего КИО «Орбита».
4.Построить на опорной и инфраструктурно-обеспеченной орбите первую группу космических индустриальных кластеров, используя конструкционные материалы, доставленные с Земли.
5.На базе возведённых кластеров создать космический строительно-промышленный комплекс по производству конструкционных материалов из космического сырья, что позволит приступить к массовому строительству индустриальных кластеров – их в будущем должно быть не менее 100 000 (примерно через каждые 400 м вдоль орбиты) для последующей широкомасштабной индустриализации космоса.
6.Параллельно приступить к развёртыванию на орбите группы солнечных электростанций.
Энергетика
Приоритетное наращивание мощностей космической энергетики является стратегической задачей и материальной основой вектора космической индустриализации.
На орбите легко организовать мощную энергетику, необходимую для орбитальных индустриальных нужд: с 1 м² освещённой поверхности можно получить около 1 кВт мощности, взятой у природного термоядерного реактора – Солнца.
Следовательно, основу энергетики индустриального космоса могут составить космические солнечные электростанции (КСЭС), например, в виде плёночных панелей площадью в десятки квадратных километров, отражающих сфокусированный солнечный свет на приёмное устройство.
Факторы эффективности космических солнечных энергоустановок
Возможность перенаправления космической солнечной энергии на Землю в виде радиоволнового излучения или водорода, полученного в космосе из воды с помощью электролиза.
Исключение затрат на топливо (на Земле затраты на топливо составляют 50–70 % себестоимости в случае с тепловыми и атомными электростанциями).
Отсутствие расходов на очистку/утилизацию экологически вредных выбросов тепловых электростанций.
Автономность космической технологической составляющей не требует обслуживания и присутствия человеческих ресурсов, что существенно сокращает затраты на оплату труда и социальные отчисления.
Исключение или минимизация расходов на магистральную транспортировку электроэнергии к различным территориальным потребителям, в том числе в труднодоступных и удалённых районах.
Уменьшение издержек на амортизацию и ремонт.
Отсутствие издержек на захоронение радиоактивных отходов и отработавшего ресурс заражённого оборудования атомных электростанций.
Высокая мощность солнечного потока — 1366 Вт/м² (на поверхности Земли в несколько раз ниже из-за потерь в атмосфере, облачности, ночных простоев и др.).
Внутренний космический тариф.
Векторы использования космической солнечной энергии
Экспорт на Землю в виде радиоволнового излучения или водорода, полученного из воды с помощью электролиза
Электроэнергия для собственных нужд космической индустрии
Электроэнергия
Себестоимость электроэнергии КСЭС по сравнению с себестоимостью электроэнергии, генерируемой на Земле, прогнозируется:
В 5 раз ниже при использовании космических технологий на базе ракет-носителей.
в минимум 50 раз ниже при создании энергетических технологий в космосе на базе ОТС.
Водородное топливо
Планируется вырабатывать недорогое водородное топливо из балластной воды ОТС, а позже и изо льда, добытого на астероидах.
Освоение дальнего космоса
Низкие внутренние космические тарифы на электрическую энергию и водородное ракетное топливо позволят приступить к освоению дальнего космоса.
Речь идёт не только о запуске и обслуживании большого числа околоземных спутников и последующей их утилизации. Станут возможными отправка индустриальных экспедиций к астероидам, обеспечение энергоёмких процессов добычи и переработки горной породы, доставка индустриальных объёмов астероидного сырья на орбиту и экспорт части сырья и космической продукции на Землю.
ОТС – линейная кинетическая электростанция
При функционировании космической индустрии на полную мощность обратный грузопоток с орбиты на планету значительно превысит прямой грузопоток, что позволит преобразовывать потенциальную и кинетическую энергию космического груза, доставляемого на Землю, в электричество. Благодаря этому себестоимость геокосмических перевозок приобретёт так называемое отрицательное значение.
Значит, геокосмический комплекс ОТС станет приносить прибыль не только как транспорт, но и как гигантская линейная кинетическая электростанция с чистой энергетической прибылью около 200 USD за тонну избыточного груза. Поэтому, например, 400 млн тонн избыточного груза в год обеспечат чистую энергетическую прибыль в сумме 80 млрд USD.
По мере того как будет сокращаться техносфера Земли и станут наращиваться аналогичные мощности на орбите, космическая электроэнергетика не только сохранит свою загруженность, но и переключится с экспорта электроэнергии на Землю на снабжение вновь создаваемых мощностей космической индустрии.
Металлургия
Многие металлургические технологии, предусматривающие плавление сырья, могут быть более эффективными в космосе, так как будут происходить в невесомости, бесконтактно и в абсолютно чистой среде в лучшем из теплоизоляторов — вакууме.
Кроме того, современный уровень 3D-технологий позволяет автоматизировать и роботизировать производство в невесомости и вакууме практически любой продукции; обеспечить композицию материалов или финишное качество поверхностей.
На Земле
Гравитация
В процессе создания или обработки большинство твёрдых материалов проходит стадию размягчения или плавки. Пластический или жидкий материал должен удерживаться стенками технологического оборудования. Неровности стенок и их контакт с расплавом – причина изъянов в структуре материала.
Вместе с тем гравитация вызывает конвективные течения вдоль температурных градиентов в слоях жидкости, которые носят хаотический характер, что приводит к нежелательной структурной неоднородности материалов.
Если жидкость состоит из двух и более частей, то гравитация (в силу разности физических свойств материалов) способствует их сепарации, не позволяя получить однородную структуру.
Присутствует поверхностное натяжение
Часто используется в создании гидрофобных поверхностей.
Отсутствие вакуума
В сравнительно небольших объёмах искусственного вакуума неизбежно влияние эффекта накопления распыляемых материалов и примесей на развитой поверхности стенок вакуумной оснастки и их последующего неконтролируемого реиспарения.
Ресурсоёмкость создания температур ниже 120 К
Ресурсоёмкость создания высоких температур
В космосе
Невесомость
Материалы или их композиты, произведённые в космосе, однородны, не имеют дефектов структуры и обладают на порядок лучшими качественными показателями.
Можно производить уникальные материалы. К примеру, выплавлять пеносталь, более прочную, чем обычная сталь, но которая при этом не будет тонуть в воде и подвергаться коррозии.
Преобладает поверхностное натяжение
Любой расплавленный материал в условиях невесомости автоматически приобретает форму сферы, после чего ему можно придать нужную конфигурацию незначительным воздействием внешних сил, созданных в акустическом, электромагнитном или электростатическом поле.
Чистота и глубокий вакуум
Чистота материалов – одно из важнейших признаков однородности структуры, а также качества материалов и изделий с их применением.
Криогенные температуры в тени конструкций
Возможность быстрого охлаждения до сверхнизких температур, что (особенно в сочетании с наличием глубокого вакуума) открывает перед технологами новые способы управления фазовым составом производимых материалов, степенью их однородности, характером и плотностью дефектов кристаллической решётки.
Высокие температуры за счёт концентрации солнечной энергии
Указанные технологии (в силу описанных принципов формообразования и цифрового управления) позволяют производить дистанционную переналадку производственных программ, что исключает простои и затраты на изготовление и перенастройку оснастки, расширяя продуктовую линейку без дополнительных логистических издержек.
Добыча полезных ископаемых
Полезные ископаемые, содержащиеся в астероидах (при прочих равных условиях транспортной доступности и наличия электроэнергии) способны приносить несоизмеримо бóльшие прибыли, чем земные месторождения, потому что содержание полезных минералов в космической руде достигает значений, близких к самородному.
Благодаря эффективности и грузоподъёмности ОТС, а также возможности создать высокоэффективную космическую солнечную энергетику, добыча и переработка космических полезных ископаемых полностью вытеснит эти отрасли на Земле.
Золото, кобальт, железо, марганец, молибден, никель, осмий, палладий, платина, рений, родий, рутений и др.
На Земле
Золото, кобальт, железо, марганец, молибден, никель, осмий, палладий, платина, рений, родий, рутений и др.
Добываются из верхних слоёв земной коры.
Являются остатками астероидов, упавших на Землю во время ранней метеоритной бомбардировки.
Более 4 млрд лет назад на Земле из-за её большой массы начала происходить дифференциация недр, в результате чего большинство тяжёлых элементов под действием гравитации опустилось к ядру планеты, поэтому кора оказалась обеднённой тяжёлыми элементами.
Много вкраплённых руд.
Содержание полезных элементов во вкраплённых (бедных) рудах составляет 0,2–1,5 % Ni, 0,3–2 % Cu и 2–10 г/т металлов платиновой группы.
Затраты на добычу космических самородных металлов гарантированно меньше земных, причём пропорционально разнице концентраций, которая достигает нескольких десятков крат ввиду отсутствия обогащения руд.
В космосе
Золото, кобальт, железо, марганец, молибден, никель, осмий, палладий, платина, рений, родий, рутений и др.
На многих астероидах из-за незначительной массы никогда не происходила дифференциация недр, поэтому все химические элементы распределены более равномерно.
Ближайшие к Земле астероиды (на сегодняшний день насчитано около 800) достаточно подробно изучены и классифицированы по размерам и элементному составу.
В недрах среднего астероида диаметром 1 км находится порядка 30 млн тонн никеля, 1,5 млн тонн кобальта и 7500 тонн платины, оцениваемые в триллионы долларов.
Характерна нерудная самородная форма полезных ископаемых.
Содержание полезных элементов в богатых рудах — 2–5 % Ni, 0,3–2 % Cu и 5–100 г/т металлов платиновой группы.
Затраты на добычу космических самородных металлов гарантированно меньше земных, причём пропорционально разнице концентраций, которая достигает нескольких десятков крат ввиду отсутствия обогащения руд.
Затраты на добычу космических самородных металлов гарантированно меньше земных, причём пропорционально разнице концентраций, которая достигает нескольких десятков крат ввиду отсутствия обогащения руд.
В ресурсодобывающих отраслях не будут направляться средства на очистку или утилизацию вредных выбросов, возврат пустой породы в карьер и его рекультивацию. Горно-шахтное оборудование станет отличаться низкой удельной материалоёмкостью и, соответственно, меньшими капитальными и эксплуатационными расходами и амортизационными отчислениями.
Научные работы о создании промышленности в ближнем космосе можно прочитать в каталоге
Биотехнологии
Невесомость, вакуум, чистота технологической среды, криогенные и высокие температуры и другие факторы открывают самые широкие технологические возможности не только для материаловедения и металлургии, но и для производства неметаллических видов материалов, веществ и компонентов, включая органические и биологически активные вещества, что расширяет перспективы для медицины, сельского хозяйства, исследований физиологических особенностей живых организмов в условиях космоса.
В условиях невесомости
Редуцируется конвекция.
Исключается седиментация.
Меняются процессы метаболизмов.
Используются существующие асептические условия.
Сохраняется гетерогенность фаз и содержимого жидкостей.
Создаются благоприятные условия для процессов кристаллизации белков и т. д.
Вакуум в сочетании с невесомостью позволит освоить производство уникальных сверхчистых и сверхпрочных веществ и материалов, в том числе наноматериалов и биопрепаратов.
На основании разрабатываемых условий, в ЭкоКосмоДомах будет создана возможность проводить научно-исследовательские эксперименты в замкнутой экосистеме по изучению:
Вариантов создания искусственной окружающей среды
Круговорота газов и их смесей
Физиологических и биохимических особенностей роста и развития растений и животных и т. д.
Круговороту воды и системам её очистки
Экологических особенностей взаимодействия микроорганизмов
Эффективности почвенных субстратов, используемых в замкнутых средах
Полная роботизация и отсутствие человеческого фактора при биотехнологическом производстве (кроме минимизации фонда оплаты труда и снижения прямых затрат) будут способствовать существенному расширению технологических возможностей за счёт использования более эффективных, но при этом опасных или ядовитых веществ.
Подобные условия позволят биотехнологам и биологам проводить новые исследования потенциала организмов на биохимическом и физиологическом уровне, производить более качественные препараты по минимальной цене за счёт снижения энерго- и трудозатрат.
Сценарное развитие вектора индустриализации космоса предполагает, что по мере перехода на самообеспечение «даровыми» и неограниченными космическими ресурсами экономика индустриального космоса одержит убедительную победу над техносферой Земли.
В результате на Голубой планете останутся лишь те отрасли техносферы, которые или не оказывают вредного воздействия на биосферу, или достаточно эффективны и несильно истощающие природные ресурсы, или те, без которых человечеству сложно обойтись.
В дальнейшем обладание ресурсами космоса позволит осуществить восстановление первозданного облика земных ландшафтов и заново отстроить гармонизирующий с природой новый уклад жизни.
Ознакомиться с результатами экспериментов по созданию замкнутой экосистемы можно в научных статьях
