Рассчет прибыльности комплекса по добыче гелия-3 на Луне
0
К спору о гелии-3. Я не собираюсь вступать в дискуссию, что лучше — реакторы на гелии-3 или на дейтерии. Ткже я не собираюсь дискутировать на тему "где легче добыть гелий-3 — на Земле или на Луне". Я просто выполнил самый общий, самый примитивный рассчет комплекса, который — при доступных или перспективных технологиях — смог бы выполнять функцию добычи гелия-3 на Луне, и оценил — сможет ли он приносить прибыль.
Я, разумеется, понимаю, что форумчане, хоть им кол на голове теши, все равно будкт уныло твердить про перспективы дейтериево-тритиевых реакторов и легкость добычи гелия-3 на Земле. Ввиду неспособности большинства из них прочитать предупреждение, я ничего иного и не жду. Но я тешу себя надежной, что хоть несколько поймут, что вопрос не о том.
Добыча гелия-3
Для начала обговорим, какой суммой мы должны располагать в расчетах. Мы можем предполагать, что 1 т гелия-3 приблизительно равна по выделению энергии 15 миллионам тонн нефти. Приняв цену нефти за баррель равную 100 долларам, получаем 100*(15000000/0,13)=11500000000 долларов (примерно)
Т.е. если ВСЕ затраты на доставку гелия-3 с Луны уложатся в 11 миллиардов долларов, мы уже в изрядной прибыли.
Следовательно, доставка 1 тонны гелия-3 по стоимости должна укладываться в 11 миллиардов долларов.
Доставка объектов на орбиту
Беря по себестоимости, запуск груза ракетой ”Протон” (выводит до 22 тонн) стоит около 25-30 миллионов долларов (реальная цена запуска около 80 миллионов, но в 2004-2006 цена запуска из-за сильной конкуренции была около 25 милионов). Т.е., грубо говоря, на 11 миллиардов мы (в теории) можем запустить на орбиту 440 ракет ”Протон” с 9680 тоннами полезного груза на них.
Разумеется, это все цифры для низкой орбиты. Для Луны придется постараться.
Транспортная возможность: многоразовая двигательная установка
Идея многоразовой двигательной установки представляет собой масштабную переработку программы ”шаттл” в пользу создания транспортного средства нового поколения, для дешевого вывода в Космос крупногабаритных грузов. Преимущества идеи – использование отработанных концепций ”шаттла” с одновременным удешевлением программы.
Система МДУ представляет легкий беспилотный космический аппарат, приспособленный к аэродинамической посадке на планету. Аппарат несет на борту комплекс кислородно-водородных двигателей многоразового использования и навигационное оборудование. Топлива – за исключением самовозгорающегося для маневровых моторов – корабль НЕ НЕСЕТ. Питание двигателей осуществляется из стандартного бака ”шаттла”
Система предназначена для дешевого вывода на орбиту грузов массой около 80-100 тонн. Груз располагается или стандартно, ”сбоку” на баке, или, подобно обычным ракетам-носителям – на вершине бака, доработанного для этой цели трехопорной усиливающей фермой.
При запуске системы, закрепленная на баке с топливом МДУ обеспечивает ее полет своими двигателями, получающими топливо и окислитель из бака. Сразу же после выведения груза на орбиту –– система расстыковывается. Бак падает в атмосферу и сгорает в ней. Полезный груз при помощи двигателей довыведения, смонтированных на нем, выходит на орбиту. МДУ входит в атмосферу и совершает управляемый полет к аэродрому, где обследуется, приводится в порядок и готовится к новому вылету.
Главное достоинство описанной системы – дешевизна и использование отработанных технологий. Система автоматической посадки небольшого челнока была отработана на аппарате X-37. Двигатели, которые предполагается к монтажу на системе, берутся с ”шаттла”. Топливный бак – также с ”шаттла”.
Беспилотность системы и расположение груза вне корпуса корабля позволяет существенно уменьшить ее габариты и увеличить полезную нагрузку. Также, это позволяет сделать более мощной и толстой теплозащиту (путем уменьшения габаритов корабля) и снизить требования надежности (т.к. система беспилотна) В случае использования системы для запусков пилотируемых кораблей класса ”Союз” или ”Клипер”, их предполагается размещать в носовой части, со стандартной системой аварийного.
По приблизительным расчетам, стоимость пуска может уложиться в 80 миллионов долларов (из них 30 – бак, 25 – обслуживание ускорителей), что делает систему вполне экономичной. По сути дела, стандартный двигатель SSME вести всего 3,18 тонн, т.е. система из 5 таких двигателей вряд ли будет весить более 16-18 тонн. Еще более перспективным представляется использование двигателей с центральным телом RS-2200, разрабатываемых корпорацией ”Lockheed” для проекта Venture Star.
Заметим, что создание такой системы возможно и в России на базе наработок по программам ”Клипер” и ”Буран”
Земля-Луна
Вывести объект на орбиту это половина проблемы. Вторая – доставить его к Луне.
Оптимальным решением представляется использование многоразового межорбитального буксира с электроплазменными двигателями VASMIR с питанием от солнечных батарей. Такой корабль пускай и медленно, но крайне эффективно сможет доставлять грузы с орбиты Земли на орбиту Луны. При помощи кораблей-танкеров, выводимых на орбиту тем же ”Протоном” или при помощи тяжелых орбитальных заправочных баков (в случае применения МДУ) корабль сможет доставлять к Луне значительные грузы.
К примеру, по расчетам НАСА, орбитальный буксир с двигателями VASMIR мощностью 1 мегаватт питающимися от солнечных батарей сможет доставить 22-тонный груз к Луне используя всего 4 тонны аргона за 23 дня. Дозаправляясь, буксиры смогут выполнять эффективные транспортные операции на линии Земля-Луна. Предполагается, что 20 тонн аргона кораблю хватит примерно на 4 рейса, т.е. каждый 4-ый старт в случае использования системы “Протон” должен быть кораблем-танкером, выводящим на орбиту корабль с аргоном для дозаправки.
Работы на Луне
Все конструкционные работы на Луне предполагается проводить БЕЗ использования человеческого персонала, а именно – при помощи ”аватарных” роботов, создаваемых в НАСА по программе ”Аватар-М”
Эти роботы-”кентавры” (человекоподобный торс на колесной базе) интересны тем, что в них предполагается ”аватарное” управление. Т.е. оператор, используя перчатки виртуальной реальности или подобные системы (возможно даже, сканеры биотоков) дистанционно управляет роботом, повторяющим синхронно его движения. Такая практика позволяет существенно упростить программирование робота, и сделать его системы столь же многофункциональными, как и человеческие руки.
По расчетам НАСА, робонавт сможет находиться на Луне до 1000 дней без техобслуживания, и, учитывая успешную эксплуатацию марсианских платформ, чье время эксплуатации в разы превысило расчетное – этим данным можно поверить.
Нет нужды перечислять все плюсы, достигаемые за счет использования вместо людей роботов! В сравнении со стоимостью выполнения тех же действий операторами, роботы гораздо дешевле, а эффект ”аватара” делает их почти столь же многофункциональными. Грубо говоря – для робота-аватара не было бы проблемой решить основную техническую проблему марсианской станции ”Спирит” (увязшей в песке), просто дав ей хорошего пинка.
Упомянем лишь основную проблему – запаздывание сигнала за счет расстояния до Луны. По сути дела, эта проблема – единственное узкое место концепции роботов-астронавтов. Но она вполне решаема, если принять дополнительный элемент контроля – станцию управления, выводимую на окололунную орбиту. Смонтировать такую станцию вполне возможно на базе блока ”Заря”, используемого в станции МКС, а доставку на нее людей и оборудования производить кораблями ”Союз” и ”Прогресс”, с использованием разгонных модулей ”Фрегат” и ДМ.
Добыча гелия-3
Собственно, добыча гелия-3 – главная цель экспедиции. Надо заметить, проблема это нелегкая. 1 килограмм гелия-3 выделяется из примерно 150000 тонн реголита, т.е. чтобы собрать тонну, нужно переработать 150 миллионов тонн!
Такая цифра, впрочем, не является нереальной. Простейший способ выделения гелия-3 – термический, путем прогрева лунного грунта на глубину до 2 метров СВЧ-излучением. Температура выделения гелия-3 составляет около 800 градусов Цельсия, что много ниже температуры плавления реголита.
Оптимальным способом добычи является проект комбайна КГД-250, составленного в России. Комбаин этот выгодно отличается от иностранных аналогов тем, что вообще не использует каких-либо ковшей, роторов или иных элементов, которые быстро бы выходили из строя под действием лунной пыли.
По концепции, комбайн представляет собой огромных размеров легкую раму, опирающуюся на колесные тележки по периметру. Снизу рама открыта, сверху – закрыта легким куполом-уловителем из тонкой пленки на пневматических опорах (по схеме надувной космической станции Genesis Bigelow Aerospace, успешно выведенной на орбиту) с самозатягивающимся напылением.
По периметру рамы расположены ”юбки”, обеспечивающие ее плотное прилегание к реголиту и герметизацию конструкции.
Надвинувшись на участок лунного грунта, комбайн опускает ”юбки” и плотно прижимается к почве. Расположенные по периметру рамы СВЧ-установки начинают облучение грунта, нагревая его до 800 градусов. При этом выделяется газовая смесь гелий-3 – гелий-4, которая собирается под куполом уловителя. Производится откачка этой смеси в газольдер, и ее последующее – во время лунной ночи – разделение путем разницы в температуре сжижения. Комбайн поднимает юбки, и переходит на следующий участок грунта.
Один комбайн в год, по расчетам, сможет выделять до 250 кг гелия-3.
Возможно, представляется разумным использовать не 4 крупных комбайна, а большое количество более компактных машин.
В качестве источников энергии предполагаются либо пленочные солнечные батареи, либо атомные источники питания доставляемые на Луну отдельными комплексами.
Существует также возможность организации производства фотоэлементов ”на месте”, при помощи малогабаритных производственных комплексов низкой интенсивности. Не надо забывать, что реголит содержит химически чистый кремний в больших количествах. Разворачивание маломасштабного производства фотоэлементов из местного сырья прямо на Луне может быть более эффективно, чем их доставка с Земли, но это вопрос, напрямую зависящий от возможностей используемой технологии.
Все элементы конструкций доставляются на Луну блоками по 8-10 тонн, и монтируются роботами-аватарами.
Общая схема проекта
Попробуем рассмотреть наш проект с использованием в качестве запуска системы ”Протон” (т.е. 22 тонны на околоземную)
1 – двумя запусками на орбиту доставляется буксир с двигателями VASMIR и 22 тонны горючего для него в корабле-заправщике
2 – ракета ”Протон” выводит на орбиту лунный посадочный модуль с роботами-аватарами. Модуль доставляется к Луне буксиром, и приземляется на ее поверхность. Принимая массу робота в имеющиеся 148 кг (прототип-2) мы можем доставит на Луну одним рейсом до 50 аватаров (естественно, столько рабочих машин одновременно нам не надо, и большая их часть — резервная)
2+(стадия нужна только если не удается добиться телеуправления роботами с Земли) – на орбиту ракетой ”Протон” выводится станция контроля на основе модуля ”Заря”. При помощи буксира станция доставляется к Луне на ее орбиту
3 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 1-ю секцию лунного комбайна. Секция имеет массу до 8 тонн (для мягкой посадки на луну в стандартном) и доставляется к Луне при помощи орбитального буксира.
4 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 2-ю секцию.
5 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 22 тонны аргона для дозаправки буксира
6 — ракета ”Протон” доставляет на орбиту 3-ю секцию.
7 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 4-ю секцию.
8 — ракета ”Протон” доставляет на орбиту 5-ю секцию.
9 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 22 тонны аргона для дозаправки буксира
10 — ракета ”Протон” доставляет на орбиту 6-ю секцию.
11 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 7-ю секцию.
12 — ракета ”Протон” доставляет на орбиту 8-ю секцию.
12+ — при помощи 2 запусков ракет ”Протон” и 2 запусков ракет ”Союз” на орбиту выводится лунный орбитальный комплекс из корабля ”Союз” и 2-х разгонных блоков ДМ (реальный проект РКК ”Энергия”) Комплекс выводится на орбиту Луны и с 2-мя операторами на борту стыкуется с орбитальной станцией
14 – роботы-аватары на Луне начинают монтаж комбайна из доставленных с Земли секций
15 — 9 – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 22 тонны аргона для дозаправки буксира
16 – 1-3 ракеты ”Протон” доставляют на орбиту груз пленочных фотоэлементов или радиоактивный источник питания. Транспортировка к Луне буксиром.
16+ (если группа запусков) – ракета ”Протон” доставляет на орбиту 22 тонны аргона для дозаправки буксира
17 – собранный комбайн начинает работу.
18 — Экипаж остается на орбитальной станции около 180 дней, после чего возвращается на Землю на ”Союзе”. Ему на смену 4-пусковой схемой доставляется следующий.
19+ – при необходимости, производится запуск грузового корабля для снабжения станции, доставляемого буксиром.
20 – после 360 дней работы, комбайн собирает 250 кг гелия-3. Для их возвращения на Землю на орбиту выводится взлетно-посадочная ступень, доставляемая орбитальным буксиром к Луне. Роботы-аватары снимают заполненные баллоны с комбайна, и перемещают их на взлетно-посадочную ступень, которая доставляет их на Землю.
Итого: в активе 250 кг гелия-3, общей стоимостью около 3 миллиардов долларов. А сколько мы потратили?
17-20 запусков ракет “Протон” по минимальной схеме – при управлении роботами-аватарами с Земли – 32 в случае с управлением с орбиты Луны.
При стоимости запусков в 25 миллионов мы потратили на запуски – 425-800 миллионов. При стоимости запусков в 80 миллионов – до 2560 миллионов
Т.е. профицит в 200-440 миллионов явно имеется.
Заметим: это все с учетом МОНТАЖА комплекса (и тут цена может вырасти)
Оценим эксплуатационные расходы (считая, что мы имеем на Луне уже группу роботов и комбайн)
1 – расходы на доставку запчастей оценить трудно, но условно оценим их в 8 запусков ракет ”Протон” в год
2 – соответственно, требуются 2 запуска заправщика для буксира.
2+ – доставка сменных экипажей требует еще 8 запусков.
2++ – еще считайте 2 запуска для снабжения станции
3 – доставка грузов с Луны требует 1 запуска.
Итого мы видим что эксплуатация – 11-23 запуска в год, т.е. 880-1840 миллионов в год (считая по 80 миллионов запуск)
Как можно видеть, проект вполне может окупиться, и приносить чистую прибыль!
Вывод
При ОПРЕДЕЛЕННЫХ условиях и весьма значительных капиталовложениях, доставка гелия-3 с Луны может стать прибыльынм делом. Разумеется, для этого нужна одна малость — работающий реактор.
