9 Minutės
Per pastarąjį dešimtmetį asteroidų kasybos tema svyravo tarp entuziastingo viešo susidomėjimo ir tyliai laikomo skepticizmo. Nauji laboratoriniai tyrimai, kuriuos vadovauja Ispanijos Kosminių mokslų institutas (ICE-CSIC), grįžta prie klausimo su konkrečiais duomenimis: kurie asteroidai iš tiesų turi panaudojamų išteklių ir kiek realu juos išgauti mikrogravitacijoje? Atsakymas yra sudėtingas — kai kurie kūnai atrodo perspektyvūs, kiti mažiau — o kelias nuo mėginio iki tiekimo grandinės išlieka status.
Kodėl anglies turtingi asteroidai yra svarbūs — ir kodėl juos sunku kasti
Apie 75 % žinomų asteroidų klasifikuojami kaip C tipo arba angliarūgštiniai (angl. carbonaceous). Tai primityvūs kūnai: likučiai iš ankstyvojo Saulės sistemos formavimo, per 4,5 mlrd. metų patyrę santykinai nedaug lydymosi ar diferenciacijos. Dėl organinių junginių ir vandeniu prisotintų mineralų jie domina tiek mokslininkus, tiek kosminės pramonės specialistus, besidominčius kosmoso resursų (ISRU — in-situ resource utilization) panaudojimu.
Vis dėlto yra praktinių kliūčių. Anglies turtingų chondritų meteorai — fragmentai, nukritę iš C tipo asteroidų — sudaro tik maždaug 5 % rastų meteorų Žemėje. Jie yra trapūs ir dažnai suskyla įsmukimo į atmosferą metu arba riedėdami per planetinį paviršių, todėl vientisi pavyzdžiai yra reti. Ši retumas apsunkina patikimų ir reprezentatyvių viso asteroido sudėties nustatymą, o tai yra kritiškai svarbu vertinant ekonominį galimą išgavimą ar logistinius sprendimus.
Siekiant pagerinti supratimą, komanda, vadovaujama dr. Josep M. Trigo‑Rodríguez (ICE‑CSIC / IEEC), atrinko ir charakterizavo kelis anglies turtingus chondritų mėginius bei taikė itin tikslią masių spektrometriją, kad užfiksuotų jų elementinę ir mineralinę sudėtį. Bendradarbiai yra daktaro disertantūros studentas Pau Grèbol‑Tomàs, dr. Jordi Ibanez‑Insa, prof. Jacinto Alonso‑Azcárate ir prof. Maria Gritsevich. Jų rezultatai, publikuoti žurnale Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, pateikia aiškesnį žemėlapį, ką šie asteroidai iš tikrųjų turi savo masėse, kas ypač svarbu vertinant asteroidų kasybą ir kosmoso resursus.
Reflektinio apšvietimo vaizdas – plonos anglies chondrito meteoro dalies sekcija iš NASA Antarkties kolekcijos.
Ką atskleidžia chemija: vanduo, silikatai ir retosios metalų grupės
Masinės spektrometrijos analizė leido komandai palyginti cheminių žymenų profilius šešių dažniausių C chondritų klasių. Pagrindiniai atradimai apima kelis taškus, svarbius tiek mokslui, tiek praktinei asteroidų kasybai ir kosmoso pramonei:
- Vandeniu prisotinti mineralai aptikti daugelyje anglies turtingų mėginių. Tokie hidratai gali teoriškai tapti vandens šaltiniu gyvybės palaikymui, kaip ir raketinių variklių propellantui gaminti – tai esminis ISRU scenarijus.
- Kai kuriuose asteroiduose ryškiai matomi olivino ir spinelio spektro žiedai — tai silikatų turtingų uolienų ženklai, kurios gali būti mechaniniu arba terminiu būdu lengviau apdorojamos nei itin išsisklaidę, trapūs anglies chondritai.
- Bendri brangiųjų metalų (platinos grupės elementai, auksas) kiekiai daugelyje anglies pavyzdžių yra gana maži, todėl ekonominis pagrindas dideliais kiekiais grąžinti rūdą į Žemę daugeliu atvejų yra silpnas.
Iš esmės — ne visi asteroidai yra vienodi. Tam tikros struktūros ir sudėties kūnai — ypač olivinu ir spineliu praturtinti asteroidai arba specifiniai vandeniu turtingi anglies turtingi objektai — išsiskiria kaip geresni ankstyvieji tikslai kosmoso išteklių išgavimui. Priešingai, nediferencijuoti, trapūs chondritiniai asteroidai yra mažiau patrauklūs plataus masto kasybai, nes jų medžiagų mechaninės savybės ir žemos vertingų metalų koncentracijos padaro eksploatavimą technologiškai ir ekonomiškai sudėtingu.
(ESO)
Praktinės kliūtys: nuo mikrogravitacijos surinkimo iki atliekų tvarkymo
Nepašalinus techninių ir inžinerinių iššūkių, net jei asteroidas turi naudingų vandens ar metalų, kelias nuo mokslinio mėginio iki pramoninės operacijos yra sudėtingas. Tyrėjų komanda išskiria keletą kertinių inžinerinių ir aplinkosauginių problemų, kurioms reikia sprendimų prieš pereinant prie demonstracinių ar komercinių misijų:
- Mikrogravitacijos surinkimas: laisvo regolitio ir sutrupintų uolienų surinkimas beveik be svorio aplinkoje reikalauja naujų plataus masto gaudymo sistemų ir autonominių robotinių priemonių (pvz., tinklai, šluotos, vakuuminiai kaušai, adhesyvios plokštės, specializuotos žnyplės).
- Perdirbimo ir rafinavimo grandinė: žaliavos konvertavimas į laikomą vandenį, propellantą arba išgrynintus metalus reikalauja energijos, infrastruktūros ir procesų, kurie patikimai veiktų už Žemės ribų — pvz., elektrocheminė elektrolizė, terminis pirolizės apdorojimas, mikrobangų šildymas, magnetinė ir elektrostatiška dalelių klasifikacija bei mechaninė atranka (beneficiation).
- Atliekų valdymas: kasyba sukuria šlakus ir potencialius teršalus. Kosmose netvarkingai tvarkomos atliekos gali trukdyti kosminiams laivams arba sukurti papildomą orbitalinių šiukšlių grėsmę, todėl reikia numatyti atliekų neutralizavimo, saugaus saugojimo arba perdirbimo strategijas.
Trigo‑Rodríguez ir jo kolegos pabrėžia, kad mėginių grąžinimo misijos yra kritiškai svarbios protėvių kūnų patikrai, tačiau pramonės partneriai turi spartinti technologijų vystymą, susijusį su išgavimu, surinkimu ir orbitiniu perdirbimu. „Tam tikriems vandeniu turtingiems anglies turtingiems asteroidams vandens išgavimas pakartotiniam naudojimui atrodo realiau“, – sakė Trigo‑Rodríguez, atkreipdamas dėmesį į vandens tiesioginį naudingumą kaip raketų kurą ir gyvybės palaikymo išteklių komponentą. Taip pat svarbios energijos tiekimo schemos: saulės energija, branduoliniai reaktoriai ar modulinių reaktorių sprendimai gali palaikyti perdirbimo įrenginius cislunar zonoje arba orbitinėse dirbtuvėse.
Mokslo nauda, neapsiribojant resursais
Dažnai diskusijos apie asteroidų kasybą pabrėžia ekonomiką, tačiau mokslo nauda yra lygiai taip pat reikšminga. Grąžinti mėginiai ir vietiniai (in-situ) tyrimai pagerina mūsų supratimą apie Saulės sistemos formavimąsi, laisvųjų medžiagų (volatilų) pristatymą į ankstyvąją Žemę ir mažų kūnų evoliuciją. Be to, tokie tyrimai palaiko planetinę gynybą: geresnės sudėties žinios leidžia tiksliau modeliuoti strategijas, skirtas potencialiai pavojingų asteroidų nukreipimui ar smulkinimui.
„Tiriant šiuos meteoritus mūsų švarios patalpos sąlygomis yra itin įdomu dėl jų mineralinės įvairovės“, – sakė Pau Grèbol‑Tomàs. „Daugumoje asteroidų brangiųjų elementų koncentracijos yra palyginti mažos, todėl mūsų tikslas buvo įvertinti realų išgavimų galimumą, o ne skleisti mokslinės fantastikos idėjas.“ Šis pragmatiškas požiūris stiprina būtinybę skirti dėmesį tiksliam prospekto vertinimui, spektrinei klasifikacijai ir vietos geologinių heterogeniškumų žemėlapių sudarymui — viskas tai būtina norint pasirinkti tinkamiausius tikslus robotinėms arba pilotinėms išgavimams.
Kur misijos patenka į veiksmų planą
Pagrindinės kosmoso agentūros jau pažengė į priekį vykdydamos strategiškai svarbias mėginių grąžinimo misijas. NASA misija OSIRIS‑REx ir Japonijos Hayabusa2 pargabeno nepaliestus mėginius, kurie pakeitė lūkesčius dėl organinių molekulių ir vandens kiekio. Kinijos būsima Tianwen‑2 misija planuoja susitikti su artimiausio Žemės orbitos asteroidu ir pagrindinio diržo kometu, taip suteikdama papildomų duomenų mokslininkams ir inžinieriams. Šios misijos skatina ir tobulina spektrinius metodus, mėginių ėmimo mechanizmus ir leidžia patikrinti hipotezes apie sudėties kintamumą.
Tokios misijos daro daugiau nei užpildo laboratorijų lentynas: jos patvirtina nuotolinio stebėjimo technologijas, tikrina surinkimo ir imtuvo įrangą, ir atskleidžia heterogeniškumą net vienoje paviršiaus vietoje. Ši heterogeniškumo savybė — kai sudėtis gali smarkiai keistis per labai mažus atstumus ant asteroido paviršiaus — reiškia, kad prieš investuojant į didelės apimties išgavimą būtinos detalios žvalgybos misijos, aukštos raiškos spektriniai žemėlapiai, LIDAR ir 3D reljefo modeliai, bei vietiniai demonstratoriai.
Ekonominiai ir aplinkosauginiai padariniai
Jei kosmose gaunamų išteklių atkūrimas pasirodys praktiškas, pasekmės bus reikšmingos. Iš kosmoso gaunamas vanduo ir propellantas sumažintų raketų pakrovimą ir paleidimų dažnį iš Žemės, leidžiant ilgesnes įgulos misijas ir didesnius robotinius darbus giliau Saulės sistemoje. Gamyba cislunar zonoje galėtų sumažinti planetinę aplinkos naštą, susijusią su žemės kasyba, perkeldama dalį sunkaus pramoninio proceso už planetos ribų.
Vis dėlto laikas, reikalingas funkcionuojančiai asteroidų kasybos pramonei sukurti, yra ilgas. Ekspertai numato dešimtmečius koordinuotos plėtros: nuo vertingų tikslų identifikavimo iki demonstracinių kasybos įrengimų dislokavimo ir orbitinių liejyklų (foundries) statybos, galinčios perdirbti žaliavą į naudojamas prekes. Ekonominį modeliavimą sudaro vertinimai apie transporto kaštus, energijos balansą, kapitalo grąžos laikotarpius ir tarptautinius teisės aspektus, įskaitant Tarptautinės kosmoso sutarties (Outer Space Treaty) interpretacijas ir naujų tarptautinių susitarimų poreikį dėl resursų teisių bei aplinkosaugos normų kosmose.
Eksperto įžvalga
„Asteroidų medžiagos suteikia unikalių galimybių, bet jos nekeičia fizikos dėsnių — išgavimas vis tiek reikalauja energijos ir patvarių sistemų“, — sako dr. Lillian Hart, vyresnioji sistemų inžinerijos specialistė su NASA robotinių misijų patirtimi. „Artimiausias realus pelnas greičiausiai bus vanduo propellantui ir gyvybės palaikymui, o ne viliojami sunkvežimiai su platina, grįžtančiais į Žemę. Demonstracijos, kurios parodys pakartojamą medžiagos surinkimą ir apdorojimą mikrogravitacijoje, bus tikrieji žaidimo keitikliai.“
Harto pastebėjimas pabrėžia pragmatišką kelią, kuriuo seka daugelis mokslininkų ir bendrovių: pradėti mažai, įrodyti konkrečius naudojimo atvejus (pvz., ledo — į kurą konversiją), ir tik vėliau, esant ekonominiams pagrindams, plėsti į sudėtingesnę medžiagų atkūrimo veiklą.
Kas toliau moksle ir pramonėje?
ICE‑CSIC komandos masinės spektrometrijos rezultatai suteikia kritišką dalį dėl elementinių koncentracijų kartografavimo tarp anglies turtingų klasių. Visgi jų išvados pabrėžia poreikį turėti daugiau reprezentatyvių protėvių kūnų mėginių. Reikalingos papildomos mėginių grąžinimo misijos, aukštos raiškos spektrinės apžvalgos, ir koordinuoti technologijų demonstratoriai, kurie sujungtų laboratorinius duomenis su realiomis operacinėmis galimybėmis.
Įmonėms ir agentūroms, svarstančioms investicijas, išryškėja kelios prioritetinės sritys: tikslus prospektavimas, leidžiantis rasti vandeniu turtingus arba olivinu/spineliu praturtintus asteroidus; autonominių surinkimo ir apdorojimo platformų plėtra, pritaikyta mažai gravitacijai; bei atliekų ir šalutinių produktų aplinkosaugos kontrolės mechanizmų kūrimas. Politikos, atsakomybės ir tarptautinio bendradarbiavimo klausimai taip pat nulems, ar asteroidų resursai bus eksploatuojami atsakingai ir teisingai, užtikrinant, kad naudos gautų ne vien tik keli privatūs subjektai.
Galiausiai asteroidų kasyba išlieka siena, kurioje mokslo, inžinerijos ir politikos sferos turi susilieti. ICE‑CSIC tyrimas nepateikia staigios žalios šviesos komercinei eksploatacijai, tačiau jis susiaurina fokusą: vandeniu prisotinti ir tam tikri silikatų turtingi asteroidai yra perspektyviausi artimiausio laikotarpio tikslai, tuo tarpu nediferencijuota chondritinė medžiaga kelia rimtus techninius iššūkius. Ateitis bus palaipsnė — viena misija, vienas demonstratorius, vienas patvirtintas tikslas vienu metu.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą