Геологическая разведка при колонизации малых планет

Задача колонизации планет

 

Выполнила: Кулагина Ольга Сергеевна

Класс: 10 класс

Место жительства: г. Севастополь

Научные руководители ГБОУ Гимназия № 24:

учитель географии Осокина Л.В.

учитель химии Григорович И.А.

                                                                                  

 

 

Севастополь

2019

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 ВВЕДЕНИЕ

1.1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ  ПРОЕКТА ……………………………………………………2

1.2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ……………………....2

1.3 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОЕКТА …………………………………………………...3

1.4 АНАЛИЗ МИРОВЫХ РАЗРАБОТОК ПО ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ  

РАЗВЕДКЕ НА МАЛЫХ ПЛАНЕТАХ………….………………………………4

2 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА

2.1 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ  ПРИ КОЛОНИЗАЦИИ  

АСТЕРОИДА………………………………………………………………..….….7

2.2 ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ МЕТОДЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ

             НА АСТЕРОИДЕ …………………………………………………………….…...9

2.3 АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДОВ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ

РАЗВЕДКИ НА АСТЕРОИДАХ M, S, C – КЛАССОВ………………………..10

2.4 ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ……….........13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………………………15

 

 

 

1 ВВЕДЕНИЕ

1.1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

Цель моей работы: проанализировать применимость различных методов геологической разведки при колонизации малых планет.

Для достижения цели проекта требуется решить исследовательские задачи:

1) Провести анализ существующих мировых разработок и космических миссий по геологической разведке на малых планетах;

2) Сформулировать цели предварительного исследования астероидов при их промышленной колонизации;

3) На основании онлайн-баз малых планет проанализировать известные физические и химические характеристики конкретных астероидов разных классов;

4) Предположить, какие земные методы геологической разведки могут быть реально использованы при освоении астероидов Главного пояса;

5) Провести анализ применимости существующих физических и химических методов геологических исследований к астероидам наиболее распространенных классов;

6) Сформулировать требования к приборам геологической разведки на астероиде;

7) Рассмотреть вопрос энегообеспечения исследовательских приборов и аппаратов:

рассчитать освещенность солнечных батарей, ответить на вопрос: нужны ли дополнительные источники энергии для геологических работ на астероиде.

8) По результатам проекта предстоит сделать вывод о целесообразности дальнейших разработок по заданной теме, предложить направления развития проекта по геологической разведке на малых планетах.

1.2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Побывав на экскурсиях в Крымской астрофизической обсерватории (пос. Научный) [1] и в Симеизской обсерватории (пос. Симеиз), я заинтересовалась интересными названиями астероидов, открытых крымскими астрономами. Среди 1500 «крымских» астероидов для исследования вопросов геологической разведки на астероидах я выбрала объекты «Таврида», «Симферополь» и «Анюта».

Во-первых, я, как житель Крыма, горжусь тем, что они открыты нашими крымскими учеными Неуйминым Г.Н., Смирновой Т.М., Черных Н.С. [2]. Кроме того, данные астероиды являются представителями трех самых распространенных классов: углеродный, каменный и металлический. На их примере можно оценить научную и экономическую целесообразность проведения геологических исследований астероидов Главного пояса.

Во-вторых, ресурсы Земли конечны, их добыча связана с изменением природных ландшафтов, массовым исчезновением биологических видов. Человечество обязано искать альтернативные способы добычи ресурсов, чтобы сохранить земные растения и животных для будущих поколений. Космические запасы полезных ископаемых бесконечны и никому пока не принадлежат. Россия пока богата на природные ресурсы, однако и наша страна должна включиться в перспективные проекты колонизации астероидов, чтобы не оказаться в аутсайдерах ресурсной гонки в будущем.

В-третьих, кроме физики и космоса, я увлекаюсь географией и химией. Моя работа интересна тем, что использует знания из нескольких областей естественных наук.

1.3 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОЕКТА

Космические объекты, особенно малые планеты являются бесценным источником геологических ресурсов. По сути, вся руда с содержанием элементов тяжелее железа, добываемая с поверхности нашей планеты, это остатки астероидов, упавших на Землю в период поздней тяжёлой бомбардировки. Таким образом, астероиды являются бесценным источником ресурсов несравнимо большей концентрации, чем их осколки на Земле.

В настоящее время среди частных компаний ведется активная борьба за первенство в технологиях по добыче космических полезных ископаемых [5,6].

25 ноября 2015 года президент США подписал закон: U.S. Commercial Space Launch Competitiveness Act (H.R. 2262). Этот документ признает право граждан на владение космическими ресурсами, добытыми ими на астероидах [7]. Создана коммерческая база данных астероидов с указанием типов, примерного состава и конкретных прибылей от их освоения [8].

Не остаётся в стороне и космическое агентство NASA (США) вместе с частными американскими компаниями Planetary Resources и Deep Space Industries. Однако в области геологических исследований на малых планетах наибольших успехов достигло Японское агентство аэрокосмических исследований JAXA, которое привезло на Землю и исследовало образцы грунта с астероида Итокава [9] и направило следующую миссию геологической разведки Hayabusa2 к астероиду Риугу [10, 11].

Наряду с полностью металлическими объектами, другие виды астероидов чрезвычайно ценны наличием жил редких металлов. Например, ученые оценивают содержание металлов платиновой группы в S-астероидах до 100 грамм на тонну [5]. Для сравнения, работающие платиновые и золотые рудники в Южной Африке и в других местах добывают руды с содержанием от 5 до 10 грамм на тонну. Поэтому сорта космической руды с содержанием ценных металлов от 10 до 20 раз выше будут считаться ценнейшим сырьем.

Освоение астероидов необходимо человечеству потому, что земные ресурсы не бесконечны даже у такого мирового лидера по их добыче, как Россия. Мировые запасы таких ключевых для промышленности элементов, как сурьма, цинк, олово, серебро, свинец, индий, золото и медь, могут быть исчерпаны уже через 50—60 лет [7]. Истощения ресурсов нашей планеты в будущем не избежать, поэтому наша страна должна разработать собственные программы по геологической разведке с целью добычи полезных ископаемых на астероидах Солнечной системы.

Кроме экономической составляющей, исследование вещества астероидов даст ученым понятие о геологии космического вещества на раннем этапе формирования Солнечной системы. Ведь вещество многих астероидов осталось в неизменном виде и практически не подвергалось воздействию солнечного ветра и излучения. Оно представляет собой первозданный материал, из которого впоследствии образовались планеты.

В настоящее время актуальна проблема опасного сближения с орбитой Земли комет и астероидов. Японские ученые предполагают на основании данных, полученных от геологических исследований околоземных астероидов, разработать технологию бурения шахт для закладки веществ, детонация которых будет способна переместить объект, угрожающий Земле на нужную орбиту [9, 10].

    Самыми важными с научной точки зрения являются исследования астероидов С-класса. Их цель – найти ответ на вопрос: могла ли жизнь попасть на землю посредством бомбардировки астероидами С-класса, содержащими органические вещества?

 

     1.4 АНАЛИЗ МИРОВЫХ РАЗРАБОТОК ПО ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКЕ

НА МАЛЫХ ПЛАНЕТАХ

Основываясь на данных из официальных источников [9, 10, 11, 12], проведу анализ существующих программ геологических исследований на малых планетах (см. Таблицу 1). Систематизируя данные из статей, можно сделать вывод о том, что наибольшее количество задач в области геологической разведки поставлено перед японскими аппаратами. Кроме того, пока другие государства только готовятся к отправке своих миссий в Главный пояс астероидов, японцы уже успешно отправили Hayabusa2 для получения второй партии образцов с малой планеты. Он снабжен самыми совершенными на сегодняшний день манипуляторами по забору образцов пород на поверхности астероидов. В данной миссии увеличено количество спускаемых исследовательских аппаратов, использована более совершенная, чем 15 лет назад, камера для съёмок поверхности астероида. Аппарат уже получил образцы с поверхности Ryugu и отправил капсулу с ними в сторону Земли. Кроме того, разработана программа многоразового использования для Hayabusa2.

Таблица 1 Анализ миссий по геологическому исследованию астероидов

Название аппарата	Объект ис-следования	Дата запуска	Мас-са	Внешний вид, установленное оборудование	Задачи  геологических исследований и методы их осуществления
Государ-ство		Япония (заказчик - JAXA)
Hayabusa (Хаябуса)	(25143) Itokawa (Итокава) / 1998 SF36	09.05.2003 г. (13.06.2010 – возвращение капсулы с образцами на Землю)	510 кг	1) Автономная Навигационная система, которая работает путем измерения расстояния до астероида с помощью оптической навигационной камеры, а также с помощью обнаружения и ранжирования света; 2) Инфракрасный спектрометр ближнего действия; 3) Робот для сбора геологических образцов на поверхности.	1) Выполнена детальная фотосъёмка поверхности; 2) Образцы почвы астероида дали представление о сырье, из которого сформировались планеты, о состоянии внутренней части солнечной туманности вокруг времени рождения планет; 3) Изучена гравитация и поверхностные условия малой планеты
PROCYON (Процион)	(162173) Ryugu /1999 JU3	03.12.2014 г.	59 кг	1) Система связи с использованием высокоэффективного усилителя мощности GaN X-диапазона; 2) Камера для подробной фотосъёмки поверхности	1) Выполнить несколько маневров вокруг астероида (сближение/отдаление); 2) Фотосъёмка поверхности астроида с разных углов; 3) Проверить работу платформы спутника и системы связи, которая будет в дальнейшем использована для сложных геологических исследований астероидов
Hayabusa2 (Хаябуса2)	(162173) Ryugu / 1999 JU3	03.12.2014 г. (декабрь 2020 г. – возвращение капсулы с образцами на Землю)	590 кг	1) Двойная плоская антенна, более надежная, чем параболическая у Hayabusa1; 2) Камера DCAM-3, которая должна зафиксировать взрыв на поверхности; 3) Небольшой спускаемый аппарат MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout), вес которого составляет около 10 кг. MASCOT разрабатывался совместно с Германским (DLR) и французским (CNES) космическими агентствами; 4) 3 экспериментальных маленьких спускаемых аппарата ("Роверс"): MINERVA-2-1A, MINERVA-2-1B, MINERVA-2-2; 5) Ударный зонд, наполненный взрывчаткой, которая сдетонирует после касания поверхности Ryugu 6) Манипулятор, с помощью которого будут собираться образцы с астероида. Для управления сбором пород к концу манипулятора прикреплена микрокамера.	1) Исследуя астероид, состоящий из органичес-ких веществ и углерода, найти ответ на вопросы: - какие оригинальные органические вещества, существовали в Солнечной системе? - как они связаны с жизнью? 2) Получить такие геологические образцы, которые не подвергались воздействию солнечного ветра и излучения. 3) Подлететь к астероиду на расстояние 100 метров и выпустить (выстрелить) в сторону астероида ударный зонд для создания на поверхности искусственного кратера. После взрыва в космос с поверхности должна подняться пыль, которую исследует аппарат. 4) После взрыва аппарат коснется дна кратера и соберет породу более глубоких слоев астероида. 5) После сбора достаточ-ного количества образцов выпустить в сторону Земли специальную кап- сулу со всеми резуль-татами исследований.
Государ-ство		США (заказчик – NASA  - исследовательская программа Discovery mission )
NEAR Shoemaker	Эрос (433)	17.02.1996 г. (выход на орбиту атероида 14.02.2000 г.)	487 кг	1) Мультиспектральная камера; 2) Инфракрасный спектрометр; 3) Лазерный высотомер; 4) Гамма-рентгеновский спектрометр; 5) Магнитометр; 6) Радиоосциллятор.	1) Сделано >58 000 спектральных снимков астероида с различных орбит (450-35 км); 2) Определена форма Эроса, особенности строения поверхности; 3) Построена глобальная карта распределения минералов; 4) Измерено магнитное поле астероида; 5) При приземлении определен состав грунта на глубине до 10 см;
Psyche (Психея)	Psyche(М-астероид Главного пояса)	2022 г.	2608 кг	1) Магнитометры; 2) Нейтронный спектрометр Гамма-лучей; 3) Мультиспектральный сканер.	Найти ответ на вопросы: 1) является ли астероид ядром какой-то планеты; 2) сколько ему лет; 3) формировался ли астероид аналогично ядру Земли; 4) детальная фотосъёмка и изучение поверхности.

2 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА

 

2.1 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ КОЛОНИЗАЦИИ АСТЕРОИДА

Начинать геологическую разведку на малой планете следует с предварительного исследования беспилотными автоматическими зондами. Для этого космический аппарат нужно вывести на наиболее удобную для изучения орбиту – расстояние около 50 км до поверхности астероида. После спектральной съемки с орбиты следует отправить зонды на поверхность для получения образцов с целью уточнения химического состава объекта.             Уже после получения карты залегания горных пород принять решение о целесообразности размещения геологической базы на астероиде.

Цели предварительного исследования астероида:

1) Получение более точных характеристик малой планеты (спектральный класс, форма, размер, скорость вращения, особенности рельефа, магнитное поле, радиация);

2) Изучение соседних космических объектов на предмет опасности столкновения и наличия полезных ископаемых;

3) Взятие проб различных участков поверхности;

4) Поиски остатков льда на поверхности астероида.

 

Благоприятные факторы для создания геологической базы на астероиде:

1) Близость орбиты астероида к окружности говорит о её достаточной стабильности. Астероид не должен попадать в область резонанса с Юпитером, иначе он будет со временем выброшен за пределы Главного пояса.

2) Расположение астероида во внутренней части пояса в наиболее стабильной и ценной с точки зрения добычи ресурсов области.

 

Проведу предварительный анализ геологических характеристик астероидов разных классов, на примере объектов Главного пояса «Таврида», «Симферополь» и «Анюта».

Фотографии исследуемых астероидов можно найти в базе данных по промышленной разработке астероидов [8]. Яркость астероида зависит от его отражательной способности. (3575) Anuyta – обычный астероид М-класса, состоящий из никеля, железа и кобальта.             (814) Tauris - темный астероид С-класса (углеродный). (2141) Simferopol – типичный S-астероид, состоящий из силикатов магния и железа с умеренной отражательной способностью (альбедо от 0,1 до 0,28) [15].

Если размер исследуемого астероида неизвестен, то его можно примерно определить по абсолютным величинам (альбедо и магнитуда). Для этого можно использовать онлайн-калькулятор величины астероида [4]. Из базы данных малых планет [13, 14] беру значение магнитуды (абсолютной величины) астероида. Другой необходимый параметр для расчета – альбедо. Если альбедо конкретного астероида неизвестно, то подставляю среднее альбедо для данного класса. Например, среднее альбедо астероидов S-класса равно 0,19 [15].               Его подставляю в онлайн-калькулятор. Получаю приблизительный диаметр астероида.

 

Рисунок 1. Подробные характеристики и визуализация орбит исследуемых астероидов По данным базы малых планет Солнечной системы [13, 14]

2.2 ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ МЕТОДЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ НА АСТЕРОИДЕ

 Для поиска участка астероида, где присутствуют месторождения горных руд с максимальной концентрацией ценных элементов, предлагаю рассмотреть следующие методы геологической разведки месторождений [17, 18]:

- Геологическое картирование;

- Геофизические исследования;

- Геохимические исследования;

- Бурение разведочных скважин;

- Исследование скважин.

Классическое геологическое картирование, т.е. непосредственное перемещение по объекту, выборочное бурение скважин при составлении карты залегания горных пород для астероидов использовать нецелесообразно из-за большой стоимости доставки оборудования. 

Геологическое картирование астероидов успешно производилось путем подведения космического аппарата на наиболее удобную орбиту 50-35 км от исследуемого объекта (например, миссии на Итокава и Эрос). Геологическая съемка поверхности астероида с использованием мультиспектральной камеры дает представление о химическом строении поверхности малой планеты.

Вторым этапом первичного изучения предлагаю провести сканирование поверхности при помощи инфракрасного спектрометра ближнего действия.

После первичного сканирования местности нужно провести более качественное глубинное исследование с целью нахождения точного места залегания жил ценных металлов. Для исследования строения глубинных пород на Земле применяются методы, основанные на физико-химических свойствах пород. Проведу анализ их применимости для геологической разведки в космических условиях.

Первая группа – геофизические методы. В геофизических исследованиях широко применяется «каротаж», который основан на воздействии естественных и искусственно вызванных физических полей на специальный зонд в датчиках, передающих полученные данные регистрационным и обрабатывающим приборам на космическом аппарате.

Виды геофизических методов, которые мы можем использовать на астероиде: сейсморазведка, электроразведка, гравитационная разведка, магниторазведка.

Сейсмическая разведка – использует закономерности распространения в земной коре искусственно создаваемых упругих волн.

Упругие волны создаются следующими способами:

- взрыв заряда в скважине на глубине до 30 метров,

- механическим вибратором на поверхности,

- преобразованием энергии в механическую вибрацию.

Производить подобный взрыв нельзя проводить на астероиде размером менее 10 км, т.к. есть большая вероятность полностью его разрушить.

Рассмотрю вариант использования механического вибратора на поверхности астероида. Этот метод основан на том, что скорость распространения сейсмических волн в породах различна и зависит от их плотности. Чем выше плотность - тем выше скорость распространения упругих волн. На границе раздела сред с различной плотностью наблюдается эффект частичного отражения. Отраженные от различных геологических структур волны регистрируются датчиками (сейсмоприемниками). График отраженных сигналов дает представление о глубине залегания и плотности породы.

Трехмерная сейсморазведка – основана на распространении упругих волн в трех измерениях (объемное распространение). При трехмерном сборе и обработке данных получаются наиболее точные 3D модели подземных залежей.

Электрическая разведка – основана на электропроводности различных горных пород. Высокое или низкое электрическое сопротивление горной породы – признак наличия какого-либо месторождения. Этот способ не такой трудоемкий, как 3D-сейсморазведка, он идеально подойдет для геологических работ в условиях космоса.

Гравитационная разведка – основана на зависимости гравитационных сил от плотности горных пород. Цель гравитационной разведки – выявить места с аномальной гравитацией. Магниторазведка – использует явление магнитной проницаемости горных пород. Прибором для магниторазведки и гравитационной разведки служит магнитометр. Например, магнитное поле Земли искажается в зависимости от состава горных пород и наличия в них нефти и газа. Но т.к. у нас не может быть нефти и газа по причине их происхождения, мы будем искать другие горные породы, в которых есть магнитные искажения. Данный способ уже доказал свою эффективность при исследовании астероидов и прекрасно подходит для исследования каменных астероидов.

Вторая группа для геологической разведки - геохимические методы.

Геохимический метод, который можно использовать на малых планетах – это радиоактивная съемка. Метод основан на явлении снижения или повышения уровня естественного радиационного фона над местом скопления какого-либо месторождения. Естественный радиационный фон космического тела обусловлен присутствием рассеянных трансурановых элементов и воздействием космического излучения. Прибором для радиоактивной съемки может служить нейтронный спектрометр гамма-лучей. Недостаток метода в возможности возникновения радиационной аномалии по иным причинам, чем залегание определенной породы в глубине астероида.

Геохимические методы, связанные с органикой, которые применяются на поверхности Земли очень сложно применять в космических условиях. Для анализа углеродных соединений и поиска органики на астероидах С-класса требуется разработать новые приборы и технологии.

 

2.3 АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДОВ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ

 НА АСТЕРОИДАХ M, S, C - КЛАССОВ                          

 

M–КЛАСС: Я считаю, что исследовать металлические астероиды на предмет нахож-дения жил ценных металлов (таких, как платина и золото) нецелесообразно потому, что:

Во-первых, для этого не существует способов, способных дать нам представление о том, какие и где месторождения залегают в толще метеоритного железа. Например, железо-никелевый астероидный сплав создаст серьезные помехи в работе магнетометров.

Во-вторых, даже если мы найдем ценный металл, нужно добраться до залежей сквозь толщу другого металла, причем не простого, а космического метеоритного сплава железа с никелем. Он практически не поддается бурению в сравнении с земными рудами. Таким образом, встает вопрос, а нужно ли затрачивать столько ресурсов на разведку этих залежей для астероидов М-класса? В данном случае экономически выгодна добыча железа и никеля, методом разделения астероида на мелкие части. Но для этого не потребуется применять методы геологической разведки. М-астероид является целостным полезным ископаемым – «самородком». Например, прибыль от разработки железо-никелевого астероида (3575) Anuyta оценивается 16 трлн. долларов [8] (см. Рисунок 1).

S–КЛАСС: Астероиды S-класса (от англ. "silicaceous") состоят из силикатов оливина и пироксена [15]. Например, образец грунта, доставленный с астероида Итокава аппаратом Хаябуса, содержит 39 % оливина [9].  Оливин – минерал семейства силикатов - это кварц, соединенный с магнием и железом. Химическая формула (Mg,Fe)₂[SiO₄]. Пироксен – минерал с химической формулой (Mg,Fe)[SiO₃]. Эти минералы ограниченно используются в ювелирном деле (хризолит), и добывать их на астероиде не имеет смысла.

Тем не менее, в осколках метеоритов каменной фазы (хондритов) ученые обнаружили около 140 минералов [6]. На первый план выступают четыре главных элемента: O, Si, Mg, Fe, которые составляют свыше 90 % массы любого «каменного» метеорита. Однако спектральный анализ S-астероидов показывает, что они содержат крупные жилы железа, никеля, магния. Также на подобных астероидах могут быть месторождения Pt, Mg, Au и других редких металлов [5]. Подобные астероиды не проходили стадию активного плавления, при которой металлы с поверхности переместились к ядру. Металлические жилы распределены в толще объекта равномерно, в том числе и около поверхности, что делает их добычу привлекательной.

К астероидам S-класса применимы все вышеперечисленные методы геологической разведки, кроме химических методов поиска органических веществ. Однако тут встает вопрос экономической целесообразности подобной добычи. Добытую руду нужно обогатить и переплавить в неблагоприятных космических условиях, затем транспортировать к месту использования. В настоящий момент детали из редких металлов намного выгодней изготовлять и привозить на космические базы с нашей планеты.

Потому с точки зрения получения прибыли от добычи полезных ископаемых [8] ценность подобных астероидов равна нулю. Как, например, (2141) Simferopol на Рисунке 1.

Если жилы ценных металлов на Земле иссякнут, или процесс их добычи в космосе станет выгоднее, чем доставка с Земли, то добыча металлов на силикатных астероидах примет массовый характер. Методы геологической разведки будут широко использоваться для астероидов S-класса, наиболее близким по структуре к горным породам Земли.

С–КЛАСС: В настоящее время, наиболее перспективными площадками для применения космических методов геологической разведки являются углеродные астероиды:

- Во-первых, геологическую разведку на астероидах С-класса проводить значительно проще, так как карбонаты – менее твердая порода, чем силикаты каменных астероидов.

- Во-вторых, подробные исследования состава углеродных астероидов помогут продвинуться в поисках ответа на вечный вопрос: «Как на Земле появилась жизнь?».                Ведь все органические вещества состоят из углерода, и можно предположить, что на каком-нибудь астероиде С-класса будут найдены органические соединения.

Примером такого астероида является (814)Таврида (см. характеристики на Рисунке 1).

       Как определить, где именно искать органику на астероиде? Органические вещества отличаются от неорганических различными физическими свойствами. Применяя первичные способы геологической разведки, мы можем обозначить те участки на поверхности, где точно не будет органических веществ. Например, поверхности, где плотность достаточна высока можем сразу исключить, так как неорганические вещества обладают большей плотностью, чем органические. С помощью спектрального анализа выбираем места с невысокой плотностью и большим содержанием углерода. Далее берем несколько проб. 

Первоначально следует провести рентгеновский микроанализ части пробы, оценить соотношение углерода, водорода, азота и лёгких металлов. Так мы найдем пробы с высоким содержанием углерода, отсеем их от обычной горной породы. В пробах могут быть и неорганические углеродные соединения, поэтому нужны дальнейшие опыты.

       Самый надежный способ различить органику и неорганику – это нагреть вещество до высоких температур. Неорганика расплавится, затем, остывая в процессе кристаллизации вернется в твердое состояние. Она не будет разлагаться на воду и газ.

Органическое соединение при нагревании распадется на углекислый газ, воду и небольшое количество прочих веществ. На этом принципе основаны большинство химических методов по поиску органических соединений в пробе грунта.

       Таким образом прибор-детектор органики, должен содержать нагревательную камеру (не менее 2000 ^оС), соединенную с газоанализатором и масс-спектрометром. Камера должна иметь возможность сбора воды со стенок и выход газов на газоанализатор.

       Предлагаемая система должна быть способна провести следующие манипуляции:

1) Сжечь в избытке кислорода при высокой температуре, отходящие газы отправить в газоанализатор, определить соотношение CO2 и H2O;

2) Разложить при нагреве до 2000 ^оС, газы отправить в масс-спектрометр, провести анализ осадка (в органике это должен быть преимущественно уголь);

3) Провести анализ выделившегося в ходе реакции горения газа на предмет поиска СО₂ можно одним из следующих способов:

а) Пропустить выделяющийся газ через газоанализатор, который передаст данные о том, какой газ выделился при реакции.

б) Поместить в камеру подожженную щепотку магния. В результате реакции замещения магний окислится до оксида магния одновалентного (MgO), а углерод из СО₂ выделится как свободное вещество в виде небольшого слоя сажи.

в) Пропустить выделившийся газ через известковую воду. В ходе реакции выделяется вода и осадок, от которого вода помутнеет.

Но второй и третий методы практически неприменимы в космических условиях, так как требуют доставки лишнего оборудования и реагентов, тогда как определение через газоанализатор требует только одного прибора. Поэтому использовать для поиска органических соединений мы будем первый способ.

4) Собрать конденсат со стенок нагревательной камеры. Вода, образовавшаяся в ходе реакций, выделится в виде пара, который при остывании камеры превратится в конденсат.

Таким образом, точное определение, что в результате различных опытов с частями пробы однозначно выделились CO₂ и H₂O, позволит нам сделать вывод о наличии органических веществ на С-астероиде.

Обязательно одну часть пробы, которая предположительно содержит органику, отправить для более детального анализа на Землю. Однако доставка образцов астероида займет длительное время, поэтому обязательно проводить первичный анализ проб на поверхности астероида. Так проводить исследования значительно эффективнее, чем доставлять все возможные пробы на Землю.  Это позволит в ходе проведения геологической разведки принимать решения в режиме «онлайн», а не ждать годы, пока пробы прибудут на Землю. Например, можно отдать команду о смене дислокации геологических приборов, проведении микровзрыва или более глубокое бурения для сбора образцов с участка поверхности астероида, заинтересовавшего ученых.

 

 

2.4 ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ

Экономически выгодно будет производить разведку ограниченным количеством проверенных приборов, которые должны соответствовать следующим требованиям [19]:

1) Оборудование для обнаружения горных пород после завершения геологоразведовательной миссии должно быть многоразовым. Его целесообразно использовать и в последующих миссиях на другие малые планеты.

2) Вес прибора – критичный показатель. Нужно свести к минимуму стоимость достав-ки оборудования на малую планету, оно должно быть изготовлено из легких материалов.

3) Максимальная автоматизация и роботизация разведывательных работ. Проекты освоения астероидов в ближайшем будущем не предполагают наличие операторов-людей. Поэтому геологические приборы должны управляться дистанционно с Земли или околоземной орбиты. Требуется обрабатывать и выполнять широкий спектр команд, связанных с получением и анализом проб на поверхности и при бурении астероида.

4) Земные технологии по геологической разведке и анализу горных пород должны быть адаптированы к условиям невесомости. Существует опасность отрыва приборов и механизмов от исследуемого объекта.

5) Необходимо учитывать угловую скорость вращения астероидов вокруг собственной оси. Так же астероид может вращаться в нескольких плоскостях, что необходимо учитывать в ориентации исследовательских приборов. При достаточно большой угловой скорости вращения астероида центробежная сила может стать причиной возникновения искусственной гравитации и прижимать предметы и части прибора в направлении от центра астероида.  Связь центростремительного ускорения и скорости описывает формула: g = ω ²R,

где ω – угловая скорость вращения, переведем ее в градусы в секунду, умножив на 180/π.

Если в формулу подставить g – ускорение свободного падения Земли (9,83 м/с²), и например взять R – радиус астероида примерно 2200 м, ω=180/π  = 180/3.14 *  = 3,83 ^o/сек,

получаем, что если астероид будет совершать полный оборот за  360^o /3,83 ^o/сек = 94 сек.,                   то центростремительное ускорение будет равно ускорению свободного падения на Земле.

6) Важным является вопрос энергообеспечения исследовательских приборов. Рассчитаю, во сколько раз эффективность солнечных батарей на астероиде (814) Таврида будет меньше, чем на Земле в самой близкой от Солнца точке орбиты. Для простоты будем считать, что свет падает строго перпендикулярно поверхности фотоэлемента батареи.

Использую формулу освещенности: Е = I / R²,

где I – сила света (Солнца), а R – расстояние от источника света до освещаемого предмета (наименьшее расстояние планеты до Солнца у Земли равно R_земл = 147 млн.км, у Тавриды примерно равно R_тавр = 341 млн.км).

 Из формулы освещенности видно, что она убывает прямо пропорционально квадрату расстояния от источника света:

Е_земл/Е_тавр = R_тавр²/R_земли² = 341²/147² = 5,4

Следовательно, эффективность фотоэлементов солнечных батарей на астероиде Главного пояса (814) Таврида в 5,4 раза ниже, чем на Земле.

Вывод: солнечные батареи не смогут обеспечить все потребности приборов геологической разведки, и энергообеспечение базы должно быть смешанным. Недостаток энергии можно восполнить аккумуляторами, доставленными с Юпитера и заряженными от его инфракрасного излучения. Это обойдется дешевле и быстрее, чем доставлять источники энергии в виде топлива для небольших атомных реакторов с Земли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главный пояс астероидов еще хранит множество загадок. Геологические исследования поверхности астероидов различных классов позволят на месте изучить строение материалов, из которых образовались планеты Солнечной системы. Обнаружение органических соединений на астероидах даст науке толчок в поиске ответа на извечный вопрос: «Как на Земле появились органические соединения и возникла жизнь?»

Детальный анализ мировых разработок по геологической разведке на малых планетах позволяет сделать вывод, что эта перспективная область космических исследований, к сожалению, находится на начальном этапе своего развития. Предстоит сделать еще множество открытий, чтобы перейти к эффективному освоению ресурсов астероидов.

Проведя в рамках проекта анализ методов геологической разведки, можно сделать вывод, что на малых планетах применимы: геологическое картирование с применением мультиспектральных камер, сейсморазведка методом механической вибрации и 3D-сейсмометра, радиоактивная съемка гамма-спектрометром, электрическая разведка, гравитационные и магнитные измерения магнетометром.

Выбранные методы разведки экономически целесообразно производить одновременно на близлежащих территориях вокруг предполагаемого места добычи полезных ископаемых, не охватывая весь астероид.

Проведение комплексного исследования множества проб породы углеродного астероида позволит выявить наличие органических веществ. Простого спектрального анализа недостаточно, так как он покажет лишь участки с высоким содержанием углерода и водорода, что не дает основания в точности утверждать, что мы имеем дело с органическими соединениями на С-астероиде. Предварительный анализ проб на возможное содержание органики целесообразно проводить непосредственно на астероиде, а для детального изучения направлять на Землю лишь наиболее интересные с научной точки зрения пробы.

В результате проекта удалось аргументированно сформулировать требования к приборам геологической разведки, которые смогут функционировать в неблагоприятных космических условиях.

Дальнейшим развитием проекта послужит подбор материалов, разработка 3D-макета и прототипа конструкции приборов геологической разведки, расчет стоимости и времени их доставки на конкретные астероиды.

Благодаря подобным исследованиям, а также инженерным разработкам, которые необходимы для освоения ресурсов астероидов, наука и само человечество сделает огромный шаг в развитии.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1  Официальный сайт Крымской астрофизической обсерватории [Электронный ресурс] URL: http://crao.ru/  (Дата обращения: 27.11.2019).

2 Малые планеты, открытые в Крымской астрофизической обсерватории / Н. С. Черных, Л. И. Черных.- КрАО, 2005.- 167 с.

3 Космический венок малых планет / Л. И. Черных. – М.: Изд-во МГТУ, 2008. – 398 с.: ил.

4 Онлайн-калькулятор перевода абсолютной магнитуды малых планет в диаметр [Электронный ресурс] URL: http://www.physics.sfasu.edu/astro/ asteroids/sizemagnitude.html (Дата обращения 28.11.2019).

5 Зачем человечеству полезные ископаемые в космосе [Электронный ресурс] URL: https://theoryandpractice.ru/posts/7672-space_resourses (Дата обращения 25.11.2019).

6 Экономика добычи и контроль рисков в освоении ресурсов околоземных астероидов [Электронный ресурс] URL: http://spacefuture.com/archive/mining_economics_and_risk_con trol_in_the_development_of_near_earth_asteriod_resources.shtml (Дата обращения 25.11.2019).

7 Космические красоты: все об астероидном поясе в нашей Солнечной системе [Электронный ресурс] URL: https://interesnosti.com/ 844029283286911960/kosmicheskie-krasoty-vse-ob-asteroidnom-poyase-v-nashej-solnechnoj-sisteme (Дата обращения 25.11.2019).

8 База данных астероидов и прибыли от их освоения [Электронный ресурс] URL: http://www.asterank.com (Дата обращения 27.11.2019).

9 Официальный сайт Японского агентства аэрокосмических исследований JAXA: исследователь астероидов "HAYABUSA" (MUSES-C) [Электронный ресурс] URL: http://global.jaxa.jp/projects/sat/muses_c/index.html (Дата обращения: 27.11.2019).

10  Официальный сайт JAXA: Миссия "HAYABUSA 2" [Электронный ресурс]

 URL: http://global.jaxa.jp/ projects /sat/hayabusa2/index.html (Дата обращения: 27.11.2019).

11  Каталог спутников по странам мира [Электронный ресурс]

 URL: http://mapgroup.com.ua/ kosmicheskie-apparaty (Дата обращения: 27.11.2019).

12 Космический портал «Космопорт»: NEAR Shoemaker [Электронный ресурс] URL: http://www.cosmoport.com/spacecraft/spacecraft-163.html (Дата обращения: 27.11.2019).

13 База данных малых планет Солнечной системы. Сведения об орбите [Электронный ресурс] URL: http://www.minorplanetcenter.net/db_search/ (Дата обращения: 06.12.2019).

14 JPL Small-Body Database Browser. Данные НАСА о малых телах Солнечной системы [Электронный ресурс] URL: https://ssd.jpl.nasa.gov/ (Дата обращения: 30.11.2019).

15 Спектральные классы астероидов и их распределение на различных расстояниях от солнца [Электронный ресурс] URL: http://o-kosmose.net/ asteroidyi-i-kometyi/spektralnyie-klassyi (Дата обращения 28.11.2019).

16 Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра. Физическая классификация астероидов https://fis.wikireading.ru/4071 (Дата обращения 01.12.2019).

17  Задачи, методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых [Электронный ресурс] URL: http://baumanki.net/lectures/6-gorno-geologicheskaya-otrasl/212-lekcii-po-geologii/2561-17-metody-poiskov-i-razvedki-mestorozhdeniy.html (Дата обращения 01.12.2019).

18 Методы поиска и разведки месторождений [Электронный ресурс] URL: http://neftegaz.wikia.com/wiki/Методы_поиска_и_разведки_месторождений_УВ_сырья (Дата обращения 01.12.2019).

19 Космические ресурсы: анализ технологий промышленного освоения астероидов и прогноз на будущее [Электронный ресурс] URL: http://news-mining.ru/analitika/kosmicheskie_resursy _analiz_tekhnologiy_promyshlen/ (Дата обращения 04.12.2019).