ISRU

ISRU (от англ. In-Situ Resource Utilization — использование ресурсов на месте) — это концепция и совокупность технологий, направленных на добычу, переработку и использование местных природных ресурсов в месте проведения космической миссии или на удалённой планетарной базе, с целью снижения зависимости от доставки грузов с Земли. ISRU является ключевым элементом стратегий освоения Луны, Марса и других небесных тел, позволяя значительно сократить стоимость и массу миссий, а также повысить их автономность и продолжительность.

История и предпосылки

Идея использования местных ресурсов для поддержки космических экспедиций возникла задолго до начала космической эры. В 1895 году русский учёный Константин Циолковский в своих работах, в частности в книге «Грёзы о Земле и небе», рассматривал возможность использования астероидов и лунных материалов для строительства орбитальных станций и обеспечения топливом межпланетных кораблей. Однако практическое оформление концепция ISRU получила в 1960-х годах, в рамках программы «Аполлон» и последующих проектов по созданию лунной базы.

В 1970-е годы, после завершения лунных экспедиций, интерес к ISRU временно угас, но возобновился в 1990-х годах с развитием роботизированных миссий и планов по возвращению на Луну. В 1998 году НАСА (NASA) запустило программу In-Situ Resource Utilization, которая стала основой для многих последующих исследований. В 2000-е годы концепция получила дополнительный импульс в связи с проектами по освоению Марса, где доставка топлива и воды с Земли была бы крайне затратной.

В России разработки в области ISRU ведутся в рамках программы «Луна-Глоб» и проекта «Российская лунная программа», предусматривающих создание автоматических станций и, в перспективе, обитаемой базы на Луне. В 2021 году Роскосмос объявил о планах по отработке технологии добычи воды из лунного реголита с помощью аппаратов «Луна-27» и «Луна-28».

Классификация ресурсов и технологий ISRU

Ресурсы, доступные для использования на небесных телах, делятся на несколько категорий, каждая из которых требует специфических технологий добычи и переработки.

### Ресурсы для жизнеобеспечения

К этой категории относятся вода и кислород, необходимые для дыхания, питья и гигиены экипажа, а также для производства топлива.

Вода: На Луне вода обнаружена в виде льда в полярных кратерах, находящихся в постоянной тени. На Марсе вода присутствует в виде льда в полярных шапках и под поверхностью, а также в виде гидратированных минералов. Технологии добычи включают бурение, плавление и возгонку (сублимацию) льда, а также экстракцию воды из минералов.
Кислород: Кислород можно получить из воды (электролизом) или из оксидов металлов, содержащихся в реголите (лунном или марсианском грунте). Наиболее перспективным методом является электролиз расплавленного реголита, при котором на катоде выделяется кислород, а на аноде — металлы.

### Ресурсы для топлива

Основным компонентом ракетного топлива на основе ISRU является водород и кислород, которые могут быть получены из воды. Водород также может быть извлечён из реголита или из атмосферы Марса (содержащей углекислый газ, из которого можно получить метан и кислород).

Метан: На Марсе перспективным является производство метана (CH₄) из углекислого газа (CO₂) атмосферы и водорода, полученного из воды, по реакции Сабатье. Метан может использоваться как топливо для ракетных двигателей.
Кислород: Является окислителем для ракетного топлива. Его производство из воды или реголита является ключевой задачей.

### Строительные материалы

Реголит (лунный и марсианский грунт) может быть использован для строительства укрытий, дорог, взлётно-посадочных полос и других инфраструктурных объектов.

Строительство из реголита: Технологии включают 3D-печать из реголита, спекание (связывание частиц под воздействием микроволн или лазера), а также использование реголита в качестве наполнителя для бетона.
Производство металлов: Из реголита можно извлекать железо, алюминий, титан и другие металлы, которые могут быть использованы для изготовления инструментов, деталей и конструкций.

### Ресурсы для производства энергии

Солнечная энергия: На Луне и Марсе солнечная энергия может быть использована для питания оборудования, но её эффективность снижается из-за длинных лунных ночей и пылевых бурь на Марсе.
Ядерная энергия: Для длительных миссий и баз, особенно в полярных регионах, более надёжным источником энергии являются ядерные реакторы, которые могут быть доставлены с Земли.

Практические проекты и эксперименты

### Лунные проекты

Программа «Артемида» (НАСА): В рамках программы «Артемида» планируется создание лунной базы, которая будет использовать ISRU для добычи воды и кислорода. В 2024 году НАСА объявило о выборе трёх компаний для разработки технологий добычи и переработки лунного реголита.
Российская лунная программа: Роскосмос планирует в 2030-х годах создать на Луне обитаемую базу, которая будет использовать ISRU для обеспечения водой и кислородом. В 2021 году был запущен проект «Луна-27», который будет изучать состав реголита и отрабатывать технологии бурения.
Китайская лунная программа: Китай в рамках миссии «Чанъэ-5» (2020 год) доставил на Землю образцы лунного грунта, а также планирует в 2020-х годах создать роботизированную базу на Южном полюсе Луны, которая будет использовать ISRU.

### Марсианские проекты

Миссия MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment): В 2021 году на борту марсохода «Персеверанс» (НАСА) был установлен прибор MOXIE, который успешно продемонстрировал технологию производства кислорода из марсианской атмосферы (CO₂). За 2021–2023 годы MOXIE произвёл около 122 граммов кислорода, что эквивалентно суточной потребности небольшого астронавта.
Проект Mars Direct: Один из первых детальных проектов пилотируемой миссии на Марс, предложенный в 1990 году Робертом Зубриным и Дэвидом Бейкером, предполагал использование ISRU для производства топлива (метана и кислорода) из марсианской атмосферы.

### Астероидные проекты

Миссия OSIRIS-REx (НАСА): В 2020 году аппарат OSIRIS-REx доставил на Землю образцы грунта с астероида Бенну. В перспективе ISRU на астероидах может быть использована для добычи воды, металлов и других ресурсов для поддержки космических миссий.

Технологические вызовы и ограничения

Несмотря на значительный потенциал, внедрение ISRU сопряжено с рядом серьёзных проблем:

Энергоёмкость: Добыча и переработка ресурсов требуют больших затрат энергии, особенно на этапе плавления, электролиза или бурения. На Луне и Марсе доступ к энергии ограничен, что требует использования ядерных реакторов или мощных солнечных батарей.
Надёжность оборудования: Оборудование для ISRU должно работать в экстремальных условиях: вакуум, перепады температур (от -170°C до +120°C на Луне), радиация, пыль. Отказ одного компонента может поставить под угрозу всю миссию.
Чистота ресурсов: Реголит содержит множество примесей, которые могут загрязнять оборудование или снижать качество получаемого продукта (например, кислорода или топлива). Требуются эффективные методы очистки.
Транспортировка и хранение: Добытые ресурсы (вода, кислород, водород) необходимо хранить в жидком или газообразном состоянии, что требует криогенного оборудования и герметичных контейнеров.
Экономическая эффективность: На начальном этапе стоимость доставки и развёртывания оборудования для ISRU может превышать стоимость доставки ресурсов с Земли. Экономическая выгода проявляется только при длительных миссиях и крупных базах.

Перспективы и значение

ISRU рассматривается как ключевая технология для устойчивого освоения космоса. По оценкам НАСА, использование ISRU на Луне может снизить стоимость доставки грузов с Земли на 80–90% для долгосрочных миссий. На Марсе ISRU позволит производить топливо для обратного полёта, что является критическим условием для пилотируемых экспедиций.

В России развитие ISRU включено в «Стратегию развития космической деятельности до 2030 года и на перспективу до 2035 года». Планируется создание лунной базы, которая будет обеспечивать себя водой, кислородом и топливом за счёт местных ресурсов. В 2023 году Роскосмос объявил о начале разработки экспериментального образца установки для добычи воды из лунного реголита.

Критика и альтернативы

Некоторые эксперты критикуют ISRU за высокую сложность и неопределённость. Они указывают, что многие технологии находятся на стадии лабораторных экспериментов и не прошли испытаний в реальных условиях. Кроме того, добыча ресурсов на небесных телах может нарушить их естественную среду и вызвать этические споры.

Альтернативой ISRU является полная доставка всех ресурсов с Земли, что, однако, резко увеличивает стоимость и массу миссий. Другой подход — использование ресурсов с астероидов, которые могут быть доставлены на околоземную орбиту, но это также требует значительных затрат.

Источники

Циолковский К. Э. «Грёзы о Земле и небе». — 1895.
НАСА. «In-Situ Resource Utilization (ISRU)». — 2023.
Зубрин Р. «The Case for Mars: The Plan to Settle the Red Planet and Why We Must». — 1996.
Роскосмос. «Стратегия развития космической деятельности до 2030 года и на перспективу до 2035 года». — 2021.
MOXIE Team. «Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE)». — 2022.
Китайское национальное космическое управление (CNSA). «Лунная программа». — 2021.
НАСА. «Программа «Артемида»». — 2024.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →