Межпланетная торговля

Марс является лучшим объектом для колонизации в Солнечной системе, поскольку на сегодняшний день он имеет наибольший потенциал для самообеспечения. Тем не менее, даже если роботизированные технологии производства будут развиваться очень быстрыми темпами, Марс станет полностью самодостаточным только тогда, когда численность его популяции будет исчисляться в миллионах. Таким образом, потребность в импорте специализированных промышленных товаров с Земли на Марс останется на ближайшие столетия. Эти товары могут иметь сравнительно небольшую массу, так как действительно сложными в изготовлении будут только небольшие детали даже самых высокотехнологичных товаров. Тем не менее за эти небольшие замысловатые предметы нужно платить, и высокие затраты на запуск с Земли и межпланетный перелет значительно увеличат их цену. Что же Марс может экспортировать на Землю в ответ?

Именно этот вопрос заставил многих думать, что колонизация Марса трудновыполнима или по крайней мере уступает по выполнимости колонизации Луны. Например, много раз говорилось о том, что на Луне есть запасы гелия-3, изотопа, не найденного на Земле, который может иметь очень большое значение как топливо для термоядерных реакторов второго поколения. На Марсе нет запасов гелия-3. С другой стороны, из-за сложной геологической истории Марса на нем может присутствовать концентрированная минеральная руда с гораздо большим содержанием драгоценных металлов, чем в настоящее время обнаруживается на Земле, – потому что земные руды сильно истощены человеком за последние пять тысяч лет. В совместной статье с Дэвидом Бейкером в 1990 году я показал, что, если на Марсе доступны концентрированные запасы металлов, не менее ценных, чем серебро (то есть само серебро, германий, гафний, лантан, церий, рений, самарий, галлий, гадолиний, золото, палладий, иридий, рубидий, платина, родий, европий, а также множество других), их потенциально можно будет транспортировать на Землю со значительной выгодой [44]. Многоразовое транспортное средство с одноступенчатым двигателем, предназначенное для старта с поверхности Марса, такое как ЯРМТ (о нем рассказывается в главе 7), могло бы перевозить грузы на орбиту Марса для транспортировки на Землю с помощью любых недорогих одноразовых химических двигательных ступеней, изготовленных на Марсе, или многоразовых челночных солнечных межпланетных кораблей, или межпланетных кораблей с магнитными парусами (эти передовые двигательные системы рассматриваются в дополнительном разделе в конце этой главы). Существование таких драгоценных металлических руд, однако, по-прежнему остается под вопросом.

Но есть один промышленный ресурс, который точно существует на Марсе повсеместно в больших количествах, – дейтерий, тяжелый изотоп водорода. На Земле на каждый миллион атомов водорода приходится 166 атомов дейтерия, а на Марсе – 833. Дейтерий – не только ключевое топливо для термоядерных реакторов первого и второго поколений, но и важный ресурс для современной атомной энергетики. Если у вас есть достаточное количество дейтерия, вы можете замедлить ядерный реактор «тяжелой» водой вместо обыкновенной «легкой», и такой реактор будет работать на природном уране, не требующем обогащения. Ядерные реакторы канадского производства, известные как CANDU, сегодня работают по этому принципу. Проблема, однако, заключается в том, что придется подвергнуть электролизу 30 тонн обычной «легкой» воды, чтобы получить достаточное количество водорода для производства одного килограмма дейтерия, и пока не будут доступны очень большие количества дешевой гидроэлектрической энергии, процесс останется непозволительно дорогим. (Именно поэтому во время Второй мировой войны для проекта немецкой атомной бомбы пришлось располагать производство тяжелой воды рядом с большой норвежской плотиной ГЭС в Веморке. Когда отряд норвежского сопротивления и «Би-17» Соединенных Штатов разрушили это место в серии налетов в 1943 году, немецкая ядерная программа фактически была уничтожена.) Даже с дешевой электроэнергией дейтерий остается очень дорогим, его текущая рыночная стоимость на Земле составляет около 10000 долларов за килограмм, что примерно в 12 раз дороже, чем серебро (27 долларов за унцию), на 25 % дороже золота (1200 долларов за унцию). И это сегодня, пока мы стоим еще только на пороге появления промышленного термоядерного синтеза. После того как термоядерные реакторы начнут широко использоваться, цены на дейтерий будут расти. Как уже говорилось в предыдущих главах, большая часть энергии на марсианской базе пойдет на электролиз воды, чтобы поддерживать различные процессы жизнеобеспечения и химического синтеза. Если этап выделения дейтерия применять к водороду, полученному путем электролиза, до того как он возвращается обратно в химические реакторы, тогда каждые 6 тонн марсианской электролизированной воды могут обеспечить около одного килограмма дейтерия в качестве побочного продукта. Каждому человеку на Марсе потребуется около 10 тонн электролизированной воды в земной год. Если для технических целей электролизированной воды необходимо в два раза больше, в общей сложности для марсианской колонии на 200 000 человек ее потребуется 6 миллионов тонн в год. Это позволит производить в год 1000 тонн дейтерия, чего достаточно для получения 11 тераватт электроэнергии – примерно столько же, сколько все человечество потребляет сегодня. При современных ценах на дейтерий это могло бы приносить годовой экспортный доход в 10 миллиардов долларов.(Например, Новая Зеландия получила 26 миллиардов долларов валового экспорта в 2009 году, хотя население страны составляет всего 4,3 миллиона человек.) При современной средней стоимости электроэнергии в 7 центов/кВт. ч общая стоимость энергии, производимой на Земле, в результате составит около 7 триллионов долларов в год.

Идеи могут стать еще одним экспортным товаром для марсианских колонистов. Точно так же, как огромный дефицит рабочей силы в колониальной Америке XIX века привел к появлению «изобретательности янки», крайняя нехватка рабочей силы в сочетании с технологической культурой поможет развить марсианскую изобретательность. Благодаря этому будут множиться изобретения в сферах энергетики, автоматизации и робототехники, биотехнологий, а также многих других. Марсианские изобретения, лицензированные на Земле, позволят финансировать Красную планету, а также радикально повысить уровень земной жизни – так в XIX веке американские изобретения изменили Европу и в конечном итоге остальной мир.

Изобретения новой цивилизации, появляющиеся в силу необходимости, могут сделать Марс богатым, но есть и другие способы. Один из них – торговля полезными ископаемыми, которые можно добывать в поясе астероидов, лежащем между орбитами Марса и Юпитера.

Чтобы понять эту идею, необходимо рассмотреть энергетические отношения между Землей, Луной, Марсом и главным поясом астероидов. Пояс астероидов вступает здесь в игру, потому что, как известно, содержит обширные запасы очень богатых металлических руд в условиях низкой гравитации, что делает их потенциально легкими для экспорта на Землю [36]. Например, Джон Льюис из Университета штата Аризона рассмотрел случай простого астероида диаметром всего один километр. Масса такого астероида составит всего 2 миллиарда тонн, из которых 200 миллионов тонн будут приходиться на долю железа, 30 миллионов тонн – высококачественного никеля, 1,5 миллиона тонн – стратегически важного кобальта и 7500 тонн – смеси металлов платиновой группы, средняя стоимость которой при современных ценах может достигать 20 000 долларов за килограмм. В сумме это составит 150 миллиардов долларов для одной только платины. В этом почти нет сомнений, так как у нас имеется много образцов астероидов в виде метеоритов. Как правило, метеоритное железо содержит от 6 до 30 % никеля, от 0,5 до 1 % кобальта и концентрацию металлов платиновой группы по меньшей мере в 10 раз выше, чем в земных рудах. Более того, так как астероиды также содержат немало углерода и кислорода, все эти вещества могут быть выделены из астероида и отделены друг от друга с использованием химических процессов на базе моноокисида углерода, которые мы обсудили в главе 7 для очищения металлов на Марсе. На сегодня известно около 5000 астероидов, из которых около 98 % находятся в главном поясе между Марсом и Юпитером на среднем расстоянии от Солнца примерно 2,7 астрономической единицы, или а.е. (Земля находится на расстоянии 1 а.е. от Солнца). Эта группа в главном поясе включает все известные астероиды, находящиеся в пределах орбиты Юпитера, с диаметрами более 10 километров, сотни диаметром 100 километров и одно тело – Цереру – с диаметром около 950 километров. За исключением некоторого количества мелких объектов, которые подходят к Солнцу ближе, чем Земля, и нескольких замеченных за Юпитером, остальные 2 % астероидов, все малого размера, имеют орбиты, лежащие между орбитами Земли и Марса. Однако число околоземных астероидов, соответствующее 2 % от общего количества, является сильно завышенным в сравнении с количеством астероидов главного пояса, так как относительная близость первых к Земле и Солнцу делает их гораздо более удобными для обнаружения. Разумная оценка будет примерно такой: астероиды главного пояса превосходят по численности околоземную группу по меньшей мере в тысячу раз. Из близких к Земле астероидов около 90 % располагаются ближе к Марсу чем к Земле.

Из примера Льюиса должно стать ясно то, что все эти астероиды вместе представляют огромный экономический потенциал. Хотя в последнее время было сделано многое, чтобы подчеркнуть важность астероидов околоземной группы (особенно в связи с постепенным осознанием того, что, если мы не будем развивать космические программы по защите от таких астероидов, один из них, скорее всего, когда-нибудь врежется в нашу планету и уничтожит человеческую расу), относительные количества астероидов в двух классах с очевидностью показывают, что добыча будет сосредоточена в главном поясе.

Шахтеры, работающие на астероидах, не смогут производить большую часть необходимого им продовольствия на месте. Таким образом, возникнет потребность в импорте продуктов питания и других необходимых товаров или с Земли, или с Марса. Как показано в табл. 8.1 ниже, у Марса в этом отношении будет масса преимуществ. Они связаны с тем, что значения ?V для запуска реактивной ракеты с Марса гораздо меньше, чем для запуска с Земли, и как следствие, отношение масс (полная масса заправленного космического корабля, деленная на его сухую массу), которое требуется для космических аппаратов, покидающих Марс, также намного меньше.

В таблице 8.1 в качестве примера рассматривается Церера, крупнейший астероид,[29] расположенный самом центре главного пояса. Однако вы заметите, что я также упоминаю Луну как потенциальный порт назначения. Несмотря на то что она намного ближе к Земле, с точки зрения реактивного движения, гораздо легче достичь Луны с Марса! Для такого запуска требуется отношение масс всего в 12,5, в то время как для полета с Земли на Луну это отношение должно составлять 57,6. И по той же причине путешествия с Земли или с Марса практически на любой околоземный астероид будут менее удобными, чем к астероидам основной группы главного пояса.

Таблица 8.1. Перелеты во внутренней Солнечной системе

Все строки в табл. 8.1, за исключением последних двух, рассчитаны для системы транспортировки с метаново-кислородными (СН₄/O₂) двигателями с удельным импульсом в 380 секунд и ?V, подходящими для траекторий с использованием высокоэффективных химических двигательных установок. Они были выбраны потому, что смесь метана и кислорода обладает самым высоким удельным импульсом из всех видов топлива, которые можно хранить в космосе, и ее можно изготовить на Земле, на Марсе или на углеродистом астероиде. Топливо из смеси водорода и кислорода хоть и имеет более высокий удельный импульс (450 секунд), не может долго храниться в космосе. Более того, оно непригодно для дешевых многоразовых космических транспортных систем, поскольку его стоимость почти на порядок выше, чем для смеси метана и кислорода, и его объемность затрудняет транспортировку топлива на орбиту, если применять многоразовые одноступенчатые ракеты РОСД (но это позволяет использовать его для действительно недорогих ракет для доставки с Земли на НОО). Последние две записи в таблице рассчитаны для ядерных электрических ракет (ЯЭР): для движения в космосе предлагается аргонное топливо с удельным импульсом в 5 тысяч секунд, доступное и на Земле, и на Марсе, а для запуска с поверхности к НОО – смесь метана и кислорода. Такие системы РОСД и ЯЭР, хотя и кажутся сегодня фантастикой, в будущем обещают стать надежной основой для технологии межпланетных перевозок.

Можно видеть, что, если использовать исключительно химические системы двигателей, то отношение масс, необходимое для того, чтобы доставить сухую массу к поясу астероидов с Земли, в 14 раз больше, чем если производить запуск с Марса. Это означает, что при полете с Марса на Цереру отношение массы полезной нагрузки к взлетной массе ракеты по-прежнему гораздо больше, чем при полете с Земли на Цереру. На самом деле расчеты в табл. 8.1 позволяют сделать вывод, что выгодная торговля между Землей и Церерой (или любым другим телом в главном поясе астероидов) с использованием химических двигателей скорее всего невозможна, тогда как между Марсом и Церерой организовать ее не составит большого труда. Так что из таблицы видно, что отношение масс для доставки грузов с Марса на Луну почти в пять раз выше, чем для полетов с Земли на Луну.

Если появляются ядерные электрические ракеты, расклад меняется, но не очень значительно. Марс по-прежнему обладает семикратным преимуществом перед Землей с позиции отношения масс, а значит, отношение полезной нагрузки к взлетной массе ракеты почти в сто раз выше для полета с Марса, чем с Земли.

Но это всего лишь отношения масс, а как отмечалось выше, дело не только в них. Теперь давайте сравним от начала до конца некоторые миссии, стартующие к Церере с Земли или с Марса. Сравнение показателей приведено в табл. 8.2, причем и для варианта только с химической системой двигателей, и для сочетания химической и ЯЭР транспортных систем. Обе миссии доставляют 50 тонн груза. Кроме того, и ЯЭР, и химическая система должны включать топливные баки, массу которых я оценил в 7 % от массы топлива, которое они несут. Для транспортных средств, работающих на пути от поверхности к орбите, я использовал метан-кислородные РОСД и предположил, что транспортные средства должны иметь сухую массу (на тепловую защиту, двигатели, шасси и т. д.), исключая массу баков, равную массе их полезной нагрузки, то есть 50 тонн. Химическая межпланетная транспортная система может быть более хрупкой, так что я назначил им сухую инертную массу, исключая массу баков, равную 20 % от массы полезной нагрузки. Ядерные электрические двигатели в табл. 8.2 требуют 10 мегаватт электрической мощности для полета на Цереру с Марса и 30 мегаватт электрической мощности для полета с Земли, для каждой ЯР системы отношение массы к мощности составит 5 тонн/МВт. (Это отношение гораздо ниже, чем 40 тонн/МВт для проектируемого реактора на 100 кВт энергии, который мы собираемся использовать в миссии «Марс Директ», но, учитывая гораздо больший размер устройства и более футуристический контекст, можно считать это предположение разумным.) Различные номинальные мощности дают обеим системам примерно равные соотношения мощность/масса. Тем не менее система ЯЭР, стартовав с Земли, по-прежнему должна поддерживать работу двигателя в 2,4 раза дольше. Если вы хотите увеличить номинальную мощность отправляемого с Земли ядерного двигателя, чтобы он работал так же долго, как двигатель, отправляемый с Марса, то масса миссии, стартующей с Земли, устремилась бы к бесконечности. В таблице 8.2 массы приведены для полной миссии. Ясно, что общие требования к запуску, вероятно, будут разделены между множеством ракет-носителей.

Таблица 8.2. Масса товарных грузовых миссий к главному поясу астероидов (тонны)

Как видите, общая масса запуска для миссий, начинающихся на Марсе, примерно в 50 раз меньше, чем для вылетов с Земли, независимо от того, какую двигательную технологию мы используем для межпланетного перелета. Если выбранная ракета-носитель имеет стартовую массу в 1000 тонн, потребуется 107 запусков, чтобы объединить все грузовые миссии на смеси метана и кислорода, запущенные с Земли, и только два запуска с Марса. Даже если бы стоимость топлива и других деталей миссии на Марсе была бы в 10 раз выше, чем на Земле, то все равно оставалась бы чрезвычайно выгодной. Более того, приведенный мной анализ предполагает, что корабли вернутся из пояса астероидов без груза. Если дополнительно обременить миссию достаточным количеством топлива, чтобы доставить добытый металл с астероида без дозаправки на Марсе, миссия с Земли станет еще более безнадежной.

Отсюда следует простой вывод: все, что должно быть отправлено к поясу астероидов и может быть произведено на Марсе, следует производить на Марсе.

Схема будущей межпланетной торговли, таким образом, становится очень четкой. Образуется «торговый треугольник»: Земля поставляет высокотехнологичные промышленные товары на Марс, Марс поставляет низкотехнологичные промышленные товары и продовольствие в пояс астероидов и, возможно, к Луне, астероиды поставляют металлы (а Луна, возможно, гелий-3) обратно на Землю. Эта схема аналогична той, что сложилась между Великобританией, ее североамериканскими колониями и Вест-Индией во время колониального периода. Великобритания отправляла промышленные товары в Северную Америку, американские колонии поставляли продовольственное сырье и ремесленные изделия в Вест-Индию, а Вест-Индия посылала сахар в Великобританию. Сходный торговый треугольник, включающий Великобританию, Австралию и Моллукские острова, также поддерживал британскую торговлю в Ост-Индии в XIX веке.