Однією із найобговорюваніших ідей щодо того, як саме освоювати космос, є видобування корисних копалин на Місяці. Вважається, що видобування там гелію-3 та рідкоземельних елементів допоможе вирішити купу проблем на Землі. Але чи дійсно це буде настільки вигідно?
Початок місячної лихоманки
Востаннє людина ходила поверхнею Місяця восени 1972 року. Проте вже невдовзі земляни мають не просто туди повернутися, але й почати будувати на поверхні нашого супутника базу. Попри чисельні затримки та постійні корегування планів, це обіцяють розробники проєкту Artemis.
Цьому є цілком об’єктивна причина. Космічні польоти — це величезна кількість грошей, які треба перетворити на унікальні високотехнологічні апарати. Водночас лише одна помилка може коштувати втрати усіх вкладень, а то й людських життів. А проєкт будівництва місячної бази за своєю складністю та коштовністю не має аналогів в історії космічних програм.
Не дивно, що після закінчення програми Apollo реальних кроків для того, аби повернутися на Місяць, ніхто не робив. Однак новою метою спроби оселитися там називають видобування ресурсів. Щоправда, традиційних вугілля, газу та нафти там ніколи не було. Та й загалом порівняно із Землею місцеві породи не можуть похвалитися різноманіттям того, що з них можна видобувати. Але й те, що є, цілком здатне зацікавити корпорації та уряди. То чому ж вони досі не скористалися можливістю гребти гроші лопатою?
Гелій-3
Головною причиною для колонізації Місяця називають енергетику. Усі знають, як лихоманить світову економіку від стрибків цін на нафту. Та й чимало зовсім недемократичних урядів примушують світ рахуватися із собою виключно через контроль за видобуванням паливних ресурсів.
Замінити газ та нафту електроенергією люди мріють не перше десятиліття, однак зробити це непросто. Відновлювані джерела надто малопотужні, а атомна енергетика породжує чимало небезпечних відходів, та й поклади урану в світі досить обмежені.
Розв’язанням цих проблем могла б стати термоядерна енергетика. Адже вона відчутно потужніша за розщеплення важких елементів і не створює радіоактивних відходів. Реалізувати цю технологію поки що не вдалося, але коли термоядерні реактори стануть реальністю, найкращим паливом для них можуть бути не дейтерій та тритій, які використовуються в експериментах зараз, а гелій-3. Ядра атомів цього ізотопу містять на один нейтрон менше, ніж у тому газі, яким надувають повітряні кульки.
Головною перевагою реакцій із гелієм-3 є утворення великої кількості протонів і меншої — нейтронів. Відтак реактори, що застосовують реакції із ним, виробляють менше випромінювання, яке лише шкодить, і більше енергії — завдяки повторному використанню протонів.
Крім енергетики, гелій-3 можна також залучати до охолодження суперкомп’ютерів і у детекторах нейтронів. З якого боку не подивися — корисна речовина. Проблема лише в тому, що на Землі її практично немає. Цей ізотоп утворюється у ліченій кількості процесів і дуже легко «випаровується» з газової оболонки нашої планети у навколишній простір.
Гелієва лихоманка на Місяці
Велика кількість гелію-3 утворюється на Сонці при термоядерних реакціях та потрапляє в атмосферу Землі із сонячними вітрами. Щоправда, в земній атмосфері вони все одно не затримуються. А от позбавлена газової оболонки кам’яниста поверхня Місяця приймає його значно гостинніше. За оцінками фахівців, місячний реголіт містить від 0,5 до 2,5 млн тонн потенційного термоядерного палива.
Багато це чи мало? З однієї тонни гелію-3 можна видобувати стільки ж енергії, скільки з 15 млн тонн нафти. Це — дуже багато. І тому чимало компаній уже заявили, що готуються добувати цю речовину з реголіту, зокрема Shackleton Energy, Seven Seven Six тощо. Їх активно підтримують NASA, Blue Origin, SpaceX та інші гіганти. Китай свою місячну станцію теж планує з перспективою на видобування гелію-3.
Усі говорять про «гелієву лихоманку» на Місяці, а вона все ніяк не розпочнеться. Поки що ніхто так і не запустив на поверхню нашого супутника жодного демонстраційного апарата, здатного видобути з реголіту хоча б міліграм гелію-3.
Коли говорять, що на Місяці багато гелію-3, то просто не уточнюють, що це — порівняно із Землею, де його взагалі практично немає. Проте насправді його там надзвичайно мало: за оптимістичними оцінками — 2 грами на 100 тонн.
Ще 2014 року вчені підрахували, наскільки рентабельно буде його видобувати. Виявилося, що навіть якщо ми ставимо таке масштабне завдання, як покриття термоядерною енергетикою 10% всіх потреб людства, ефективність цього задуму — сумнівна на вигляд. Щорічно доведеться видобувати 200 тонн гелію-3.
А для цього треба щосекунди переробляти 630 тонн реголіту, тож знадобиться від 1700 до 2000 апаратів, які видобуватимуть його одночасно. Крім того, потрібен цілий флот транспортних засобів, які доправлятимуть його на Землю. Вчені підрахували, що за прогнозованої ціни у 30,4 євро/МВт прибуток складе від -24 до 260 млрд євро. Тобто прибутковою ця операція буде тільки у випадку повного успіху.
Слід розуміти, й яку неймовірну кількість грошей доведеться витратити на реалізацію настільки амбітного проєкту. Навіть якщо видобувати гелій у менших кількостях, розробка обладнання та проєктування місій дешевшими не стануть.
Ті ж самі дослідники порахували варіанти, коли видобуток гелію-3 покриває 0,1 та 1% всіх енергетичних потреб Землі. В обох випадках прибуток буде від’ємним. У першому випадку збитки становитимуть від 78,0 до 23,1 млрд євро, у другому — від 14,3 до 0,8 млрд. Тобто, для того аби видобуток гелію-3 окупився, він має набути неймовірного розмаху.
Рідкоземельні елементи
Проте на Місяці з цінного є не тільки гелій-3. На Землі ми дедалі більше залежимо від електроніки, а вона потребує таких елементів, як ітрій, неодім, церій тощо. Як і гелій, їх у земній корі міститься вкрай мало. За оцінками, за нинішнього рівня використання рідкоземельних елементів їхніх запасів на нашій планеті вистачить лише на 2500 років, що насправді не так вже й багато. Що ще важливіше, зараз 90% рідкоземельних металів виробляє Китай.
Відповідь знайшлася на Місяці. Його поверхня не така однорідна, як здається. Частина її вкрита так званими KREEP-породами (абревіатура позначає калій, фосфор та рідкоземельні елементи). Найбільша вкрита ними зона на Місяці — в Океані Бур. Вважається, що тут міститься 2,2×108 тонн цих каменів. Вони переважно складаються з тих самих оксидів кремнію, що й решта місячних порід, але кілька відсотків припадають на дещо цікавіші елементи. І цього достатньо, аби зацікавити промисловців їх видобувати.
Адже, крім рідкоземельних елементів, калію та фосфору, з них також можна отримати певну кількість урану і торію. Є у їхньому складі й залізо, алюміній та магній.
Вода та титан
Утім, спершу астронавти мають почати видобувати на Місяці зовсім іншу речовину — воду. Вона необхідна не тільки для проживання на Місяці, але й для багатьох інших процесів, таких як вирощування рослин та виділення елементів з гірських порід. Зрештою, воду можна розділити на водень та кисень і використати їх як ракетне паливо.
В якомусь сенсі саме вода є найважливішим мінералом, який можна видобувати на Місяці. Вважається, що на нашому супутнику вона може існувати тільки у вигляді криги і лише на дні приполярних кратерів, куди ніколи не досягають сонячні промені.
Саме в цих місцях мають висадитися і американські, і китайські астронавти для будівництва перших баз. На щастя, очікується, що для того щоб добути воду у достатній кількості, не доведеться переробляти стільки породи, як у випадку з гелієм-3 чи рідкоземельними елементами. Тож це ще один привід розпочати видобуток на Місяці саме з неї.
Ще одна порода, яка, можливо, менш цінна, але явно заслуговує на те, аби про неї згадати — ільменіт. Його хімічна формула FeTiO3, і він добре відомий на Землі. З хімічної формули зрозуміло, що з нього отримують титан, залізо та їхні оксиди. Останні беруть участь у найрізноманітніших хімічних процесах.
Самі ж матеріали перетворюються на сплави, які використовуються у зведенні різних конструкцій. Як і воду, ільменіт значно легше видобувати, ніж гелій-3 чи рідкоземельні елементи. Тож, попри те, що самі по собі титан та залізо не надто дорогі, їхній видобуток може виявитися прибутковішим через менші витрати.
Місячна економіка
Загалом може здатися, що видобування ресурсів на Місяці — не така вже й приваблива перспектива. І головна причина цього — величезні вкладення, які треба здійснити, аби усі ці коштовні речі отримати. Це — не ті скарби, які можна швиденько вхопити і повернутися на Землю багатим. У нас ще не скоро з’являться технології, які дозволять переміщувати сотні тонн вантажу з Місяця на Землю так, аби це не коштувало приблизно стільки ж, що й сам матеріал.
Усі видобуті матеріали перед транспортуванням мають максимально перероблятися у готові вироби, оскільки перевезення руди з Місяця позбавлене сенсу. І навіть ці технологічні хитрощі не так вже й сильно допоможуть зробити місячне шахтарство вигідним для землян.
Але усе дуже сильно змінюється, якщо подивитися на ситуацію очима людини, яка сама живе на Місяці. Взагалі це вкрай дороге задоволення, адже на початку абсолютно все доведеться возити з Землі. А кожен кілограм вантажу після подолання земної гравітації та відстані до нашого супутника стає буквально золотим, байдуже, що це за матеріал.
Багато чого з видобутого на Місяці можна використовувати на місці або у космосі. Електроніка, що потребує рідкоземельних елементів, цілком згодиться для створення роботів і електронних систем. Калій і фосфор необхідні для вирощування рослин, уран і торій — для реакторів, які забезпечать поселення енергією. Але найбільш цінними, мабуть, будуть метали: алюміній, залізо, магній, титан. Саме з них виготовляють найміцніші сплави, зокрема для космічних кораблів.
Це — одна з найбільших проблем сучасної космонавтики. Освоєння Сонячної системи вимагає створення все більших і більших апаратів, але як ці тонни сталевих конструкцій доправити на орбіту? Чи не легше замість воювати із земною гравітацією, перемістити максимум виробництв туди, де гравітація у шестеро менша?
Використання корисних копалин для потреб поселень на Місяці робить видобуток ресурсів набагато рентабельнішим. Навіть те, що зараз розглядається як відходи видобування, насправді може бути цінним ресурсом. Адже що більше ми займаємося господарською діяльністю на Місяці, то більше потребуємо приміщень для цього. А будівельні матеріали надто вже дорого возити з Землі. Отже, насправді навіть «просто каміння» є достатньо цінним ресурсом, якщо його правильно використовувати.
Місяць — справжня скарбниця ресурсів. Просто треба з’ясувати не тільки те, як їх правильно видобувати, але й де їх найкраще використовувати. І тоді ця галузь дійсно стане тим локомотивом, що потягне людство у космос.
Ця стаття була опублікована у № 2 (191) 2024 року в журналі Universe Space Tech. Придбати цей номер в паперовій або в електронній версії можна у нашому магазині.
