Производство

Освоение космического пространства открывает для человечества доступ к неограниченным материальным и пространственным ресурсам Вселенной, среда которой обладает исключительными технологическими условиями.

Неограниченность и уникальность Вселенной, ресурсы которой станут доступными, как только человечество вступит на путь индустриализации космоса, позволит создать новую космическую экономику неограниченных возможностей. И тогда у жителей Земли появится шанс восстановить экологию планеты, обеспечить индустриальный путь развития на более высоком технологическом уровне, а также решить все социально-экономические проблемы.

Факторы конкурентоспособности производства в космосе
Ресурсные Ценовые
Космические Некосмические (косвенные)
    Ресурсные
  • Невесомость
  • Глубокий вакуум
  • Неисчерпаемая сырьевая база
  • Солнечная энергия
  • Бесконечное пространство
  • Идеальная чистота
  • Натуральная герметичность
  • Криогенные температуры
  • Отсутствие выбросов СО₂ в атмосферу
    Космические
  • Роботизация космических производств → отсутствие фонда оплаты труда и налогов и экологическая безопасность
  • 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 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 пеностали
    • Изготовление композитных материалов
    • Выпуск кремниевых пластин
    • Выращивание монокристаллов
    • Электроника
    • Машиностроение
    • Металлургия
    • Био- и химтехнологии
    • Космическая медицина
    • Фармацевтика
    • Робототехника
    • Строительство
    • Сельское хозяйство
    • Транспортная, энерго- и информационная инфраструктура
  • На астероидах и иных планетах
    • Добыча полезных ископаемых: железной руды, платины, кобальта, золота, марганца, молибдена, никеля, осмия, палладия, родия и других минералов, воды
    • 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 около 112 млрд USD)

Космический вектор индустриализации предполагает, что сначала создаются и 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, например, для орбиты высотой 400 км, составит 42,6 тыс. км.

В течение базовой индустриализации космоса необходимо:
  1. 1.Сформировать вдоль низких экваториальных орбит строительно-монтажные участки.
  2. 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 2х лет полётов ОТС.
  3. 3.Возвести ЭкоКосмоДома для обслуживающего КИО «Орбита» персонала.
  1. 4.Построить на опорной и инфраструктурно-обеспеченной орбите первую группу космических индустриальных кластеров, используя конструкционные материалы, доставленные с Земли.
  2. 5.Затем, уже на их базе, 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 тыс. (примерно через каждые 400 м вдоль орбиты) для последующей широкомасштабной индустриализации космоса.
  3. 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, в первую очередь необходимую для орбитальных индустриальных нужд — ведь с 1 м² освещённой поверхности можно снять около 1 кВт мощности, взятой у природного термоядерного реактора — Солнца.

Следовательно, основу энергетики индустриального космоса вполне могут составить космические солнечные электростанции (КСЭС), которые представляют собой плёночные панели площадью в десятки км², отражающие сфокусированный солнечный свет на приёмное устройство.

Факторы эффективности КСЭС
  • Возможность перенаправления космической солнечной энергии на Землю в виде радиоволнового излучения или полученного из воды с помощью электролиза водорода.
  • Исключение затрат на топливо (на Земле затраты на топливо — 50–70% себестоимости в случае с тепловыми и атомными электростанциями).
  • Отсутствие расходов на очистку / утилизацию вредных выбросов.
  • 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.
  • Высокая мощность солнечного потока — 1366 Вт/м² (на поверхности Земли не превышает 100 Вт/м²).
  • Внутренний космический тариф.
Векторы использования космической солнечной энергии

Экспорт на Землю в виде радиоволнового излучения или полученного из воды с помощью электролиза водорода.

Электроэнергия для собственных нужд космической индустрии.

Электроэнергия

Себестоимость электроэнергии КСЭС по сравнению с себестоимостью электроэнергии, генерируемой на Земле, прогнозируется:

  • В 6 раз ниже при доставке ракетами-носителями.
  • В 50–100 раз ниже при доставке 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 на 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 на Землю.

ОТС – линейная кинетическая электростанция

При загрузке космической индустрии на полную мощность обратный грузопоток с орбиты на планету значительно превысит прямой грузопоток. Это позволит преобразовывать потенциальную и кинетическую энергию космического груза в электричество. Благодаря этому явлению себестоимость перевозок приобретёт «отрицательное значение».

Это означает, что геокосмический комплекс ОТС станет приносить прибыль не как транспорт, а как гигантская линейная кинетическая электростанция с чистой энергетической прибылью около 200 USD за тонну избыточного груза, т. е. 400 млн тонн избыточного груза в год обеспечат чистую энергетическую прибыль в сумме 80 млрд USD.

По мере сокращения техносферы Земли и наращивания аналогичных мощностей космической индустрии космическая электроэнергетика сохранит свою загруженность, только 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 не только автоматизировать и роботизировать производство практически любой продукции, но и 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 вместилища. Неровности стенкок — причина изъянов в структуре материала.

      Кроме того, 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 разъединению, 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 более прочную пеносталь, чем обычная сталь, но которая при этом не будет тонуть в воде и подвергаться коррозии.

    • Преобладает поверхностное натяжение

      Любой сплавленный материал в условиях невесомости автоматически приобретает форму сферы, после чего ему можно придать нужную форму 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

      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

      Легко создать высокие температуры, например, с помощью концентрации солнечного излучения.

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 большие 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 и рутений.
  • На Земле
    • Золото, кобальт, железо, марганец, молибден, никель, осмий, палладий, платина, рений, родий и рутений.
    • Добываются из верхних слоёв земной коры.
    • Являются остатками астероидов, упавших на Землю во время ранней метеоритной бомбардировки.
    • Из-за большой массы планеты более 4 млрд лет назад на Земле 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, 0,3–2,0% Cu и 2–10 г/т металлов платиновой группы (МПГ).
    • Космические затраты на добычу 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 и рутений.
    • На большинстве астероидов из-за незначительной массы никогда не происходила дифференциация недр, и все химические элементы распределены более равномерно.
    • Ближайшие к Земле астероиды (на сегодняшний день насчитано уже около 800) достаточно подробно изучены и классифицированы по размерам и элементному составу.
    • В недрах астероида диаметром 1 км находится порядка 30 млн тонн никеля, 1,5 млн тонн кобальта и 7,5 тыс. тонн платины, оцениваемые в триллионы USD.
    • Характерна нерудная самородная форма полезных ископаемых.
    • Содержание полезных элементов в богатых рудах — 2,0–5,0% Ni, 0,3–2,0% Cu и 5–100 г/т МПГ.
    • Космические затраты на добычу самородных металлов гарантированно меньше земных, причём пропорционально разнице концентраций, которая достигает нескольких десятков крат ввиду отсутствия обогащения руд.
  • Космические затраты на добычу самородных металлов гарантированно меньше земных, причём пропорционально разнице концентраций, которая достигает нескольких десятков крат ввиду отсутствия обогащения руд.

Кроме того, в ресурсодобывающих отраслях не будут направляться средства на очистку или утилизацию вредных выбросов, возврат пустой породы в карьер и его рекультивацию, а горно-шахтное оборудование тоже станет отличаться низкой удельной материалоёмкостью и, соответственно, меньшими капитальными и эксплуатационными расходами и амортизационными отчислениями.

Биотехнологии

Невесомость, вакуум, чистота технологической среды, криогенные и высокие температуры и другие факторы открывают самые широкие технологические перспективы 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, например, 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
  • Физиологическим и биохимическим особенностям роста и развития растений и животных и т.д.
  • Круговороту воды и системам её очистки
  • Экологическим особенностям взаимодействий микроорганизмов
  • Эффективности почвенных субстратов в замкнутых средах

Полная роботизация и отсутствие человеческого фактора при биотехнологическом производстве (кроме минимизации фонда оплаты труда и снижения прямых затрат) позволят существенно расширить технологические возможности за счёт использования, возможно, более эффективных, но при этом опасных или ядовитых веществ.

Подобные условия позволяют биотехнологам и биологам проводить новые исследования возможностей организмов на биохимическом и физиологическом уровне, производить более качественные препараты минимизированной ценой 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 либо не оказывают вредного воздействия на биосферу, либо достаточно эффективны и несильно истощают природные ресурсы, либо 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.