Дмитрий Николаевич Верхотуров
Очерки межпланетной экономики
Предисловие
Эта небольшая книга представляет собой сборник статей, посвяшенных вопросу интересному, но которому сейчас уделяется очень мало внимания – развитию космической экономики. Точнее, даже межпланетной экономики, поскольку сейчас под космической экономикой понимается главным образом запуск спутников и их разнообразное использование. Меня этот вопрос интересовал мало, и я концентрировал свое внимание на том сфере, которая пока еще не возникла даже и которую стоит назвать именно межпланетной экономикой. Под этим понимаются полеты и экономическая, в частности, производственная деятельность за пределами низких околоземных орбит.
Могут сказать, что мол нашелся еще один фантаст. Но, во-первых, вся космонавтика еще сто лет назад была чистой фантастикой. Во-вторых, от фантастики перебрасывался мостик к реальности, к практическим полетам в космос. Это был такой переходный этап, когда ни ракет, ни космических кораблей, ни полетов в космос еще не было, но они уже обдумывались и просчитывались. Без работ К.Э. Циолковского, который работал в этом переходном этапе над теоретическим развитием космонавтики, рывок в космос не имел шансов состояться. Вот и для межпланетной экономики тоже необходим такой переходный этап. В общем, я не собираюсь оправдываться. Я считаю необходимым это сделать и сделаю это.
Для работ над этим вопросом я использовал методику, в общем виде разработанную в рамках советского планирования. Корень и ядро плана – технико-экономическая идея, то есть идея, как произвести нечто полезное из пока что неиспользуемого сырья и пока что неиспользуемыми методами для решения определенной экономической задачи.
Общая экономическая задача межпланетной экономики состоит в том, чтобы создать материально-техническую базу для освоения космоса, по крайней мере центральной части Солнечной системы. База в данном контексте – это набор способов, методов, различных устройств и технических систем по преобразованию наличного в космосе сырья, расположенного на небесных телах и в самом космическом пространстве, в материалы, полуфабрикаты и конечную продукцию, необходимую для жизни и ведения экономической деятельности в космическом пространстве. Это строительство и содержание обитаемых баз, создание кораблей для дальних космических полетов, как автоматических, так и пилотируемых. Это, в целом, выполнение задачи, поставленной еще Циолковским – широкое расселение в космосе.
В реализации этой общей задачи возникает множество частных экономических задач, например, добычи и переработки сырья, производства материалов, преобразования энергии, производства топлива и так далее. Вот этим частным, но очень важным задачам посвящена большая часть статей в этом сборнике.
Как бы странным не показалось на первый взгляд, вопросы межпланетной экономики вполне поддаются теоретической разработке. Да, это непростая задача, поскольку условия космоса резко отличаются от земных. Я постоянно с этим сталкивался и воспринимал это обстоятельство как интересный интеллектуальный вызов. Однако, если предметно представить себе условия и ресурсы космоса, тех же небесных тел, на основании того, что нам сейчас об этом известно, вполне себе возможно выработать теорию экономической деятельности в космическом пространстве. Правда, получилось так, что выработанные мной идеи резко отличаются от того, что сейчас обычно предлагается в рамках, так сказать, мейнстримной космонавтики, и потому они часто вызывали острое неприятие, возражения и запальчивые споры. Но это неизбежное последствие продвижения новых идей, которые не сразу завоевывают себе место под солнцем.
Статьи в сборнике размещены в хронологическом порядке, что сделано для того, чтобы заинтересованный читатель мог видеть развитие моих идей и понять методику и способы их выработки. Разумеется, я и не мог разработать вопросы межпланетной экономики во всех тонкостях. Мне по силам лишь высказать некоторые идеи. Однако, я хочу, чтобы моя работа получила продолжение работами других энтузиастов освоения космоса, потому и считаю необходимым ознакомить читателей с историей развития своих идей.
В завершении я приложил некоторые свои заметки по поводу влияния космоса на общественное и политическое развитие человечества. Космическая эра началась недавно и потому колоссальное влияние космоса на людей еще не осознается в полной мере. Я надеюсь, что мои заметки позволят увидеть и понять, как сильно космос изменит человечество, если не прямо сейчас, то в некотором обозримом будущем.
Статьи публикуются с разрешения редакции Агентства политических новостей, согласно правилам перепечатки.
Автор
Март 2023 года
От земных заводов к орбитальным
АПН, 8 апреля 2008 года
К сожалению, сейчас в космической отрасли практически утрачен дух первопроходцев, практически исчезло выдвижение и разработка проектов на дальнюю перспективу.
В космонавтике огромное, непропорционально большое место занял «извоз», то есть вывод на орбиту коммерческих грузов. Запуск ракет-носителей со спутниками и кораблями стал считаться прибыльным бизнесом.
Такой подход нельзя признать правильным, ибо он разрушает сами основы развития и процветания космонавтики. Все выдающиеся успехи космонавтики в ХХ веке были достигнуты за счет опережающей постановки и решения проблем. Вопросы пилотируемых полетов, обитаемых орбитальных станций и высадки на другие планеты обсуждались и разрабатывались задолго до появления возможности осуществления этих программ.
Полученные в результате решения этих перспективных программ разработки быстро находили свое практическое применение, в том числе в областях космонавтики, весьма далеких от первоначальных замыслов.
Потому не только можно, но и нужно, чтобы обсуждались различные космические проекты, в том числе и такие, которые не могут быть реализованы ни сейчас, ни в ближайшей перспективе. Опыт великих предшественников, которые обсуждали не менее фантастические для своего времени идеи полетов в космос, пилотируемых полетов, обитаемых орбитальных станций и полетов к другим планетам, показывает, что подобные обсуждения и выдвижения перспективных, пусть даже и фантастических, проектов имеет огромное значение. Они рисуют линию, вдоль которой идут специалисты, разрабатывающие свои частные и конкретные технические вопросы.
Самое серьезное препятствие
Человечество весьма ограничено в своих возможностях освоения космоса. Любой груз, который выводится хотя бы на околоземную орбиту, должен преодолеть притяжение Земли. Нынешние возможности ракет-носителей позволяют выводить на околоземную орбиту груз весом до 100 тонн самыми крупными ракетами («Энергия» или «Сатурн-5»), или 20-22 тонн («Протон»). Этого хватает для вывода спутников, для создания орбитальных станций, для запусков небольших автоматических межпланетных станций (АМС). Но для более масштабных полетов в космос и выполнения более крупномасштабных задач требуются более мощные ракеты-носители, увеличение который не беспредельно.
С 1960 года, когда впервые была высказана идея строительства орбитального лифта (подъемника длиной 400 км, один конец которого закреплен на Земле, другой соединен с орбитальной станцией), кардинальное решение проблемы связывали именно с таким способом вывода грузов на околоземную орбиту. NASA собирается создать первый орбитальный лифт к 2060 году.
Правда, пока существуют большие проблемы с необходимыми для строительства такого устройства материалами, а также не вполне ясны многие аспекты эксплуатации. Неясно, будет ли создан орбитальный лифт с выводом полезной нагрузки, сопоставимой с ракетой-носителем, а также сопоставимым по энергетическим затратам.
Здесь, скорее всего, здесь мы имеем дело с неверной постановкой вопроса. Широкое освоение космоса, в особенности дальнего, и многочисленные программы полетов к планетам и за пределы Солнечной системы, требуют выведения на орбиту большого количества грузов, которое будет постоянно расти. Далеко не факт, что даже мощные орбитальные лифты сумеют удовлетворить спрос в выведении на орбиту грузов для околоземного космического пространства и нескольких программ в дальнем космосе. Скорее всего, выведение этих грузов будет в любом случае сопряжено с большими энергетическими затратами и будет весьма дорогостоящим делом.
Корень неверного представления заключается в том, что инерция мышления навязывает представление, что все грузы в космос должны доставляться с Земли.
Орбитальная промышленность
Между тем, существует и другой путь – создание части космической техники непосредственно в космосе, на специальных орбитальных станциях-заводах.
В самом общем виде это можно представить себе следующим образом. В космосе, на специализированных орбитальных станциях производятся некоторые материалы и комплектующие к космической технике. С Земли доставляется другая часть комплектующих. Из них в специальном орбитальном доке собирается космический аппарат.
Первые шаги к этому были сделаны после запуска орбитальной станции «Мир», на котором было проведено несколько экспериментов по выплавке металлов и полупроводниковых материалов в условиях невесомости. На станцию были доставлены экспериментальные печи «Кратер-ВМ», «Галлар», «Октидон-1» (для выплавки кремния), а также кристаллизаторы и контрольное оборудование. Эксперименты были успешными, и в частности удалось добиться выплавки металлов и полупроводниковых материалов степени чистоты, недостижимой в земных условиях. Аналогичные эксперименты проводились на спутнике «Космос-1645», который вернул изделия на Землю.
В НПО «Салют» была разработана весьма амбициозная программа развития орбитальной промышленности, которая включала в себя запуск космического аппарата «Технология», а также проект орбитального завода весом около 100 тонн для серийного производства высокочистых полупроводниковых материалов. Завод не полетел по причине неготовности ракеты-носителя. РН «Энергия», способная вывести завод на орбиту, сделала только два удачных запуска в 1987-1988 годах, после чего проект был остановлен.
Были и другие проекты космической промышленности, которые все предусматривали производство в космосе материалов для нужд земной промышленности. Они предусматривали доставку на орбитальный завод сырья и спуск на Землю продукции, тогда как при производстве использовались свойства невесомости и энергия Солнца. Большие сложности с наладкой такой производственной системы и высокая стоимость продукции не позволили этим проектам реализоваться.
С моей точки зрения, ориентация производства в космосе на земные нужды – это ошибочный путь. Огромные трудности и чрезмерно высокая себестоимость продукции станут непреодолимыми препятствиями. Если и рассматривать возможности применения материалов или изделий, сделанных в космосе, то, скорее всего, они займут весьма узкий и специализированный рынок и будут побочным результатом развития производства в космосе.
Главной целью производства в космосе могут быть только нужды космических полетов: производство частей, сборка, заправка различных космических аппаратов, кораблей и автоматических межпланетных станций. Вот в этом деле космическая промышленность может дать существенные преимущества перед производством и сборкой космической техники на Земле.
Начнем с того, что жесткие ограничения на вывод грузов на орбиту не позволяют собрать на орбите по-настоящему большой корабль. Орбитальные станции «Мир» и МКС – это ничтожные скорлупки, как по весу, так и по полезному объему. Станция «Мир» весила всего 124,3 тонны и имела внутренний объем около 100 куб.м. Однако на этой ничтожно маленькой станции космонавты пробыли 4594 дня и провели 23 тысячи экспериментов. МКС значительно больше, и после завершения строительства будет весить 470 тонн и иметь внутренний объем около 370 куб.м. Объем орбитальной станции в 1000 куб.м., по всей видимости, сейчас является недосягаемой мечтой.
Для масштабного освоения космоса потребуются куда более крупные орбитальные станции и корабли, рассчитанные на значительно более количество космонавтов и оборудования, чем нынешние орбитальные станции. К тому же расчет корабля на долгий полет (от года и более) потребует куда большего объема на одного космонавта, чтобы обеспечить оптимальные условия для отдыха.
К тому же, ограничения полезной нагрузки ракет-носителей 20-25 тоннами накладывает жесткие ограничения на архитектуру орбитальных станций, вынуждая делить их на модули, соединенные стыковочными узлами. Это, в свою очередь, снижает полезный объем станции и делает всю конструкцию менее надежной.
Конечно, на обозримую перспективу от этих факторов никуда не деться, и придется считаться как с небольшими размерами орбитальных станций, так и модульной архитектурой. Но отдаленные перспективы требуют своего, и к этим перспективам надо начинать готовиться уже сейчас.
Что можно производить в космосе?
Что можно вынести за пределы Земли из частей космического аппарата? В первую очередь, это корпус и различные металлические детали. В космонавтике наиболее активно используется высокопрочный алюминиевый сплав В95, в состав которого входит 8 элементов. Однако, выплавка на орбите металла из сырья, доставленного с Земли – это явно неудачная мысль, поскольку тогда возможности орбитальной промышленности будут жестко лимитироваться возможностями вывода грузов на орбиту. Следовательно, нужно искать сырье за пределами Земли.
Первый космический объект, на котором есть сырье для производства сплавов – это Луна. Лунный грунт весьма богат металлами, в частности, содержит в себе около 10% алюминия. Вообще, в лунном грунте содержится почти все необходимое для приготовления сплава В95, за исключением меди и цинка. Впрочем, это небольшая проблема, поскольку возможно подобрать сплавы со свойствами, подходящими для условий космоса (ведь им не требуется выдерживать нагрузки при старте с Земли), полностью подходящие к характеру лунного сырья.
Добыча сырья с Луны возможна автоматическими аппаратами. Советская АМС «Луна-16» в 1970 году успешно доказала эту принципиальную возможность, взяв образец массой 100 гр. и доставив его на Землю. Аппараты могут доставлять сырье с поверхности Луны в специальный грузовик на орбите Луны или непосредственно на орбитальный завод.
Источник энергии – это излучение Солнца, которое используется в различного вида отражательных печах, первые образцы которых были испытаны на станции «Мир», а также для получения электроэнергии для питания различных установок и оборудования.
Безусловно, что создание работоспособного орбитального производства на основе энергии Солнца и лунного сырья потребует огромной работы, многочисленных экспериментов и опытов, прежде чем будет достигнут удовлетворительный результат. Но в том, что такой результат может быть достигнут, нет никаких сомнений.
Мы взяли только один пример. Но можно быть уверенным, что при детальной разработке вопроса и по мере накопления опыта производства в космосе список материалов и изделий будет очень сильно расширен. Не исключено, что в дальней перспективе степень «локализации» производства космических аппаратов в космосе достигнет весьма большой доли.
Создание различных искусственных объектов в космосе, которым не придется совершать старт с Земли с неизбежными нагрузками, потребует весьма радикального отрешения от земных инженерных традиций, которые приспособлены к земному тяготению и давлению воздуха. Потому и расходы материалов на строительство корпусов орбитальных станций в космосе будут существенно отличаться от современных орбитальных станций. Сейчас нелегко предсказать, какие именно изменения произойдут в конструировании космической техники, если появится реальная возможность сборки космического аппарата или корабля в космосе, но что они произойдут, в этом также нет никаких сомнений.
Экономические проблемы орбитального производства
Развитие орбитальной промышленности и появление первых изделий, изготовленных в космосе из внеземного сырья, породит весьма любопытную проблему, что законы земной экономики не будут распространяться на эту сферу. Невозможно будет точно сказать, сколько будет стоить килограмм сплава, сделанного из лунного сырья с использованием энергии Солнца на автоматическом орбитальном заводе, причем сплав не спускается на Землю. Орбитальное производство будет настолько резко отличаться от земного по своим производственным факторам, что появится серьезнейшая проблема проведения сопоставления.
Обычно себестоимость в земной промышленности складывается из стоимости оборудования и его обслуживания, стоимости рабочей силы и стоимости энергии и сырья. Но в орбитальной промышленности, в описанной ситуации, выпадает стоимость энергии, сырья и рабочей силы. Остается единственной себестоимостью только стоимость создания и вывода в космос орбитального завода. Иными словами, создается ситуация «падающей себестоимости», когда по мере роста накопленного объема произведенных изделий, себестоимость каждого изделия будет все меньше и меньше. Теоретически она не станет равна нулю, но может стать ничтожно малой.
Если рассматривать весьма отдаленное будущее, и ситуацию, когда все части и узлы космической техники будут производиться на орбитальных заводах из внеземного сырья, а все орбитальные станции и заводы, сделанные и запущенные с Земли, будут сведены с орбиты, то можно будет считать, что с исчезновением последнего космического аппарата в орбитальной промышленности, сделанного на Земле, денежная стоимость всей космической техники обнулится.
Конечно, это не значит, что в орбитальной промышленности не будет средства сравнения технологических процессов и изделий между собой. Но можно предположить, что основной мерой будет расход энергии.
Долгосрочные перспективы
Для того, чтобы заглянуть в дальнейшие перспективы освоения космоса, которые уже были затронуты в предыдущей части статьи, нужно отрешиться от технических деталей, которые в настоящий момент предвидеть весьма трудно.
После того, когда производство определенного списка материалов на орбитальных заводах, а также сборка космических аппаратов, кораблей и станций будет прочно освоена, возможно дальнейшее развитие дела сразу в нескольких направлениях.
Сначала введем классификацию возможных космических аппаратов. Они могут быть орбитальными и планетными (в том числе и на поверхности астероидов), обитаемые и необитаемые. По назначению, вероятно, все станции будут многоцелевыми. Наиболее интересные – это орбитальные необитаемые станции. В силу того, что в них не требуется создавать искусственную атмосферу, поддерживать атмосферное давление и иметь большой комплекс жизнеобеспечения, эти станции могут быть огромными по размерам и иметь очень большую полезную нагрузку. Они могут обращаться как вокруг планет (например, вокруг Земли, Луны, Венеры, Марса), так и вокруг Солнца. По своему назначению они будут представлять собой разного рода автоматические, полностью роботизированные комплексы.
Часть из этих комплексов может быть накопителями сырья, добываемого на Луне и на астероидах (что более эффективно за счет низкой гравитации или ее полного отсутствия). Часть из этих комплексов, обращающаяся вокруг Солнца в районе орбиты Меркурия, может быть комплексами по выплавке металлов и производству с затратами большого количества энергии других материалов. Часть из них может быть орбитальными цехами по сборке космической техники, пристыкованными к обитаемым орбитальным станциям.
Иными словами, в пределах орбиты Земли или орбит пояса астероидов может быть создан комплекс из нескольких крупных орбитальных станций, которые занимаются производством и сборкой различной космической техники, необходимой для более далеких полетов к другим планетам Солнечной системы или отправки автоматических станций в межзвездное пространство. Такие комплексы резко расширят возможности изучения Вселенной и позволят создавать, к примеру, огромные орбитальные телескопы или создавать и посылать к планетам и астероидам серии АМС, состоящие из десятков и сотен аппаратов.
Вероятно, на основе такой системы орбитальных станций, будет возможно создание больших космических кораблей со двигателями огромной мощности, которые смогут обеспечить полет обитаемого корабля в пределах Солнечной системы или даже за ее пределами. Создание такого межпланетного корабля на Земле и запуск его с земного космодрома, видимо, невозможно.
«Жить в эту пору прекрасную, уже не придется ни мне, ни тебе» – скорее всего, создав предпосылки и заделы, мы не увидим действующих орбитальных заводов. Но нельзя исключать, что стремление реализовать такие проекты может породить космический рывок, сопоставимый с рывком 1960-1970х годов. Рывок, который может сделать первый орбитальный завод реальностью уже к середине ХХI века.
Примечание
Эту идею строительства крупных космических кораблей на орбитальных базах я вспоследствии несколько развил и скорректировал в сторону большей технической доступности при современном уровне развития космонавтики. По моему мнению, мы уже в ближайшем будущем сможет построить такой корабль на орбите, если забросим его части, блоки, модули, а также топливо и окислитель на орбиту серией запусков, а потом соберем и снарядим корабль на орбите.
Пока у нас не появилось настоящей промышленной базы в космосе, позволяющей построить и снарядить корабль, используя сырье и материалы, полностью производимые в космосе, этот способ будет основным в освоении дальнего космоса, да и потом будет играть важную вспомогательную роль.
Космос и роботы
10 мая 2012 года
Прочитал тут книгу К.П. Феоктистова "Космическая техника. Перспективы развития". Книга очень серьезная, на отличном научном уровне, множество формул, расчеты и обоснования рассматриваемых вариантов. Практически нет "воды" и пустых рассуждений. Это неудивительно, Феоктистов – один из крупнейших в России специалистов в области космонавтики.
Он рассматривает перспективы ракет-носителей, пилотируемых и грузовых кораблей, спутников, орбитальных баз, орбитальных электростанций, базы на Луне и марсианской экспедиции. Все, как уже говорилось, с расчетами и обоснованиями. Конечно, такой подход имел и свои недостатки – далеко в будущее Феоктистов не заглядывает, и говорит только о том, что в принципе достижимо сейчас или в обозримом будущем. Серьезного философского и мировоззренческого обоснования космической деятельности у него также не дается.
Но ценность работы все равно очень велика, поскольку она обрисовывает передний край космонавтики, ее ближайшие технические возможности. И она вполне доказывает, что дальнейшее развитие космонавтики невозможно без серьезных изменений в земном хозяйстве.
Например, проект орбитальной солнечной электростанции. Идея не новая, выдвинута еще в конце 1960-х годов, но Феоктистов ее довольно тщательно обсчитал. В принципе, получается вполне по деньгам, и с довольно невысокой стоимостью электроэнергии в пределах 2,8 цента за квтч (в ценах 1996 года). Правда, расчет стоимости Феоктистова включает в себя теоретически максимальное число часов работы оборудования в году, чего почти нигде не наблюдается, так что реально цена будет примерно вдвое дороже – 5,6 цента за квтч.
Орбитальная электростанция мощностью в 10 млн кВт, представляет собой огромную ажурную конструкцию, с площадью плоской части в 100 кв. км., с толщиной в 600 метров, собранную из трубок диаметром всего 20 мм, на которую натянута пленочная солнечная батарея. Вес такой конструкции около 800 тонн.
Вся проблема в том, что реализация такого проекта технически не реализуема. Феоктистов пишет об этом с подкупающей откровенностью: "При создании СОЭС мы сталкиваемся еще с одной проблемой, без решения которой создание СОЭС как системы невозможно. Объем работ по строительству системы СОЭС в открытом пространстве на орбите так велик, а человек в скафандре в условиях невесомости столь беспомощен, что о строительстве СОЭС на орбите без роботов говорить бессмысленно… Создание космических роботов – одна из наиболее актуальных задач космической техники".
По существу, эта фраза – центральное место всей его книги. Только Феоктистов, почему-то эту мысль не развернул и не заострил, хотя книгу написал на основе лекций в МГТУ им. Баумана. Вот и надо ему было обратиться к студентам: "Нету у нас космических роботов, черт возьми!".
Добавим, что отсутствие космических роботов не позволяет нам сколько-нибудь существенно выдвинуться за пределы возможностей космонавтики, достигнутых в 1980-х годах. Все сколько-нибудь масштабные проекты в космосе, будь то создание базы на Луне, будь то орбитальные заводы, будь то полеты к Марсу, Юпитеру, Сатурну или еще куда, в той или иной степени предусматривают сборку на околоземной орбите каких-то конструкций. Это же очевидно, грузоподъемность ракет сильно ограничена, вот и вынуждает делить любую конструкцию на части. Скажем, марсианский корабль, вес которого по расчетам Феоктистова, должен составлять около 330 тонн, также должен быть собран на орбите. Без роботов это сделать нелегко или даже невозможно.
Спорить не будем, может быть на марсианский корабль и хватит возможностей ручной сборки на базе МКС. Но все остальное требует роботов и в большом числе. Пилотируемые полеты сильно ограничены огромной массой системы жизнеобеспечения экипажа, его радиационной защиты (об этом Феоктистов пишет самым подробным образом), а следовательно и огромной массой топлива. Роботы в этом отношении выглядят куда более предпочтительно: им не нужен кислород, не нужна вода, требуется только электроэнергия и отведение тепла. Роботы могут в известной степени сами себе добывать топливо для полетов или других нужд, перерабатывая вещество других небесных тел.
Потому, на мой взгляд, проблема автоматизации на земле и автоматизация в космосе, теснейшим образом взаимосвязаны между собой. Настолько, что одно без другого неосуществимо.
Развитие космонавтики, особенно в сторону хозяйственного назначения – орбитальных заводов, баз, сборки аппаратов и кораблей в космосе, потребует резкого увеличения мощностей по производству ракет-носителей. Скажем, для постройки в космосе 100 ОСЭС мощностью по 10 млн. кВт каждая, по подсчетам Феоктистова, требуется производство 2080 ракет-носителей. Сейчас в год с Байконура делается 40-45 запусков. При такой мощности система ОСЭС будет построена за 52 года. Потому нужны новые космодромы, и нужно научиться "делать ракеты, как сосиски", как некогда грозился один генсек-кукурузник.
Потом, создать роботов для космоса вряд ли возможно без предварительного опыта создания земных роботов соответствующей сложности и производительности. Тут требуется наработка совершенно нового опыта. Пока что, конструкторская мысль не выходит за пределы "механической руки" в той или иной ее разновидности. Для космоса этого слишком мало.