Космическая экспансия человечества

Часть нулевая: Зачем и на какие шиши?

Итак, прежде чем вообще начинать какие-то разговоры о полноценной колонизации Солнечной Системы, следует ответить на два вопроса, о которых теоретики рассуждать обычно не любят. Можно до упоения рисовать ядерные звездолёты и терраформированные планеты, но без экономического и целевого аспекта всё это останется пустыми баснями.

§1. На какие шиши?

Космос это дорого. Нас так учили. Космическая стоимость космических полётов складывается из многих факторов. Тут и баланс спроса-предложения, и строжайшая госприёмка компонентов, и огромные затраты на разработку аппарата в единственном экземпляре, и многое другое. Всё это можно было бы сократить за счёт массовости. Но прежде всего всё упирается единственный ключевой параметр: стоимость подъёма килограмма на орбиту. Для большинства из современных ракет-носителей она составляет около 20-30.тыс$/кг. Для дешевейших (Falcon9, Falcon Heavy, Протон) 2000-2500$/кг. Это значит, что в самом теоретически предельном случае рядовому Васе придётся заплатить за подъём собственной тушки на низкую опорную орбиту 200000$ (стоимость хорошей квартиры в Москве). В реальности Васе придётся платить во много раз больше, ведь с тушкой нужно поднимать корабль, скафандр, оплачивать инфраструктурные расходы и.т.п. Реальная цена космического туризма сегодня ~20млн$ за полёт. Будь туристов многие тысячи в год - можно было бы удешевить эту цену в десятки раз, но не ниже стоимости подъёма тушки.

Казалось бы, ниже этого предела стоимость опустить невозможно. Однако давайте для начала взглянем на картинку от United Launch Alliance.

Видно, что по массе первая ступень на 95% состоит из топлива, а по стоимости топливо составляет меньше 1%. Львиную долю цены составляет двигатель, остальное - несущие конструкции и периферийные системы. Если всё это вернуть на землю и использовать несколько раз - стоимость запуска заметно упадёт, ведь топливо по сравнению с ракетой практически ничего не стоит. (Здесь следует оговорку, что этот принцип не работает с твердотопливной ступенью, которая хоть и в целом дешевле жидкостной, но её перезаправка обходится значительно дороже. Ускоритель фактически разбирали и собирали заново. Это одна из причин, по которым Спейс Шаттл так и не совершил экономической революции на рынке космических запусков.) Вернуть первую ступень легко: она отделяется на скорости ~2км/с, не успевая далеко улететь , и спокойненько тормозит об окружающий воздух до приемлемых для посадки скоростей. Дальше садимся или на парашютах (ускоритель Спейс Шаттла), или на остатках топлива (Falcon9), или на крылья (проект возвращаемых боковых ускорителей РН "Энергия"), массы всё это сожрёт примерно одинаково.

А что если возвращать и вторую ступень? Теоретически можно было бы свести затраты на запуск к затратам на топливо, удешевив стоимость килограмма на орбите в десятки раз, до 50-100$. Но вернуть вторую ступень сложнее - её приходится тормозить с первой космической ~7.8 км/с, что означает в 16 раз больше кинетической энергии на единицу массы по сравнению с первой ступенью. Всё это переходит в тепло, требует тепловой защиты и хитрых схем входа с гиперзвуковым планированием - чтобы максимально размазать это тепло по времени. За всю историю вернуть вторую ступень удавалось только Спейс Шаттлу, но Шаттл здесь - очень плохой пример. Во-первых, вторая ступень возвращалась не полностью (спасались только двигатели, водородный бак сгорал вместе 15-25% стоимости запуска). Во-вторых, массовое совершенство он имел препоганейшее, возя на 78т сухой массы всего 24т полезной нагрузки. Учитывая, что и с твердотопливной первой ступенью всё пошло не по плану, революции многоразовости тогда не получилось.

Существует и вторая парадигма удешевления запуска: Big Dumb Booster (буквально: большой глупый носитель). С увеличением размеров объём растёт быстрее площади, а сухая масса ракеты (стенки баков, сопла двигателей) медленнее полной взлётной массы. Поэтому можно или впихнуть намного больше полезной нагрузки, или сделать ракету дешёвым примитивным способом, заменив титан и углеволокно на ржавую сталь, кое-как сваренную пьяными орками. Или и то, и другое одновременно. Это, кстати, прослеживается по тенденции, что стоимость килограмма на орбиту дешевле всего у тяжёлых ракет, дороже всего у лёгких и сверхлёгких. А апофеозом этой концепции стал нереализованный проект SeaDragon - проект стартующей из моря ракеты длиной 150м на 550 тонн полезной нагрузки. При условии повторного использования первой ступени это давало бы нижний порог в 59$ за килограмм на орбите.

Космическая экспансия человечества Космос, Космонавтика, Длиннопост, Колонизация, Экономика, SpaceX, Технологии

Проект Starship от SpaceX интересен тем, что воплощает одновременно обе концепции. Это огромных размеров ракетища, где обе ступени возвращаемые, причём вторая ступень сделана из нержавейки и имеет очень хорошее массовое совершенство (120т сухой массы на 150т полезной нагрузки). Это уже претензия на планку по крайней мере 100$/кг, хотя нижний предел такой схемы (если считать только расходы на топливную пару) находится где-то в районе 10$/кг. Илон Маск прямо заявлял, что собирается достичь этой цифры.

Космическая экспансия человечества Космос, Космонавтика, Длиннопост, Колонизация, Экономика, SpaceX, Технологии

10$ за килограмм это и есть пороговая цифра, при которой широкомасштабная колонизация космоса становится экономически возможной. Потому что для нашего условного Васи подъём тушки на орбиту обойдётся в 1000$ - примерно как стоимость авиабилета в США. А стоимость подъёма на орбиту, скажем, бульдозера становится сопоставимой со стоимостью бульдозера. На этой отметке Луна, Марс, астероиды и орбитальные города-доки становятся абсолютно реалистичным "новым светом" для малого и среднего бизнеса и для простых работяг, что открывает рынки огромных размеров.

А можно ещё дешевле? Можно, причём без всяких там космических лифтов. Но об этом в следующий раз.

§2. Зачем?

Почему бы сначала не освоить морское дно или Антарктиду? Это ведь проще!

Ответ1: неинтересно. "Ничейные" места на Земле страшно зарегулированы. Любое место, куда может доехать полицейская машина или военный корабль, предполагает гнёт государственного рэкета, через который пробиться очень сложно. Попробуйте открыть производство или тем более добычу ресурсов в Антарктиде - и вас съедят на уровне ООН, поскольку ничейность Антарктиды это фактически временно замороженный территориальный спор. Единственное пока относительно свободное место на Земле это нейтральные воды, но и делать там особо нечего.

Ответ2: не проще. Лучше никакой атмосферы, чем недружественная. Лучше никакой поверхности, чем километры льда с внезапно образующимися под тобой стометровыми трещинами. Антарктида это сущий ад, где любые постройки медленно заметает снегом, где до ресурсов не добраться, где солнечные батареи бесполезны, а тепло от построек улетучивается быстрее, чем на Марсе, ведь атмосфера в 170 раз плотнее и тепло проводит хорошо. Ещё хуже ситуация на морском дне, где нужно держать тысячи атмосфер внешнего давления, а прогулки в скафандре невозможны в принципе.

На самом деле для колонизации солнечной системы "вот прямо сейчас" есть две причины. Одна хорошая, вторая плохая. Начну с хорошей.

Вообще-то нам крайне повезло с протопланетным облаком. Погибшие сверхновые оставили нам в наследство кучу тяжёлых элементов, которые при обычном нуклеосинтезе не образуются. У нас тут и уран в товарных количествах, и платина, и лантаноиды всякие. А что делают тяжёлые элементы, попадая в молодую горячую планету с высокой гравитацией? Правильно, опускаются вниз, в ядро. На Земле, для справочки, столько золота, что мы легко могли бы делать из него всю электропроводку и пивные банки, если бы могли пробиться через тысячи километров мантии. Но всё, что мы можем - глодать огрызки метеоритного происхождения, нападавшие сюда во время поздней тяжёлой бомбардировки.

Но в других частях бывшего протопланетного диска, где сильной гравитации не возникло, тяжёлых элементов близко к поверхности должно быть гораздо больше. К примеру, на Луне. Это подтверждается привезённой KREEP-породой, где есть уран, торий и редкоземелька. Причём шахты там рыть в силу низкой гравитации можно десятикратно глубже, чем на Земле. А выше всего концентрация доступных тяжёлых элементов должна быть в главном астероидном поясе.

Тем временем, на Земле заканчивается никакая не нефть. Учитывая метангидраты и открытый на Кольской сверхглубокой прущий из мантии метан - есть предположение, что углеводороды на Земле вообще почти бесконечные (привет Грете Тунберг). На Земле заканчиваются такие вещи, как индий, олово, и платина, без которых встанет огромное количество отраслей. Что хуже - растёт потребность в редкоземельных элементах включая такие вещи, как рутений (1350$/кг), германий (1200$/кг), церий (4000$/кг), иридий (16700$/кг) или родий (373000$/кг). И пресловутый гелий-3 (~15000$/кг), который нужен не для термоядерного синтеза, а для нейтронных детекторов и криогенных технологий - и его уже остро не хватает. И если стоимость вывода грузов на орбиту в ближайшие годы действительно опустится до 10-100$/кг, то геологоразведка и добыча этих драгоценностей в космосе становятся рентабельны.

Вторая причина плохая: а с чего вы взяли, что у нашей цивилизации вообще есть в запасе пара миллиардов лет до распухания Солнца в красный гигант?

Напоминаю, что мы уже пару миллионов лет живём в одну из самых холодных эпох планеты посреди ледникового периода, где средняя температура падает на 6-8 градусов, и вымерзает всё до тридцатой параллели, а по Земле гуляют холод, смерть и белые ходоки. Почему ж мы этого не видим? Потому что вся письменная человеческая история умещается на маленькие с геологической точки зрения перерывы по 20000 лет, которые разделяют 80000 лет ледяного ада, который цивилизация в её нынешнем виде совершенно точно не переживёт. И сколько лет у нас в запасе - никто точно не знает. Может 500, может мы худо-бедно напердим себе парниковых газов из ДВС (ещё раз привет Грете Тунберг) и продлим тёплые времена на 3000 лет. И не свалимся ли мы на большую часть этого времени в новое средневековье, что человечество как минимум два раза уже делало - это тоже хороший вопрос. Выйти из него можно и не успеть.

Не так-то много времени у людей для становления межпланетной цивилизацией. А вот экономический ресурс вполне даже есть.