Космічна інфраструктура – ​​будівництво сходів до небес

Нова космічна ера

З винаходом SpaceX Ілона Маска надійних багаторазових ракет стартувала нова космічна гонка. Це пояснюється тим, що він скоротив витрати на вихід на орбіту майже в 10 разів, причому від масивного Starship очікується ще більше скорочення витрат.

джерело: Арк Інвест

Це призвело до нинішньої ситуації, коли у 2023 році переважна більшість того, що було відправлено на орбіту, як за масою, так і за кількістю супутників, була запущена SpaceX.

Зрештою, Starship зможе відправляти на низьку навколоземну орбіту (НОО) від 50 до 200 тонн матеріалу за кожен запуск, залежно від оцінок. Це буде важливий крок вперед, який, ймовірно, дозволить досягти нових віх в історії людства, зокрема:

• Постійні бази на Місяці.
• Перша експедиція людини на Марс.

Якщо ви хочете дізнатися більше про те, як виглядав би світ, де це вже відбулося, і як він міг би створити самодостатню космічну економіку, ви можете прочитати більше в наших статтях "Майбутня космічна економіка"І"Майбутня марсіанська економіка".

Starlink і подібні супутникові угруповання — це величезні космічні інфраструктури, які вже будуються. Вони забезпечують доступ до високошвидкісного Інтернету в будь-якій точці Землі та, як очікується, стануть основним джерелом грошових потоків для таких компаній, як SpaceX, яка вже має мільйони платних абонентів.

джерело: Арк Інвест

Однак, запуски ракет у космос зрештою обмежені фізикою, на якій базується технологія. Одним з ключових аспектів є те, що ракетам потрібно викинути надзвичайно велику кількість палива для зльоту. Наприклад, Falcon Heavy від SpaceX — це ракета вагою 22.2 тонни з масою заправленого палива 433 тонни. Це означає, що зрештою більша частина палива витрачається лише на підняття ще більшої кількості палива.

Для того, щоб піднятися планку в $100/кг вартості запуску, знадобляться зовсім інші методи, ніж ракета.

Якщо витрати на відхід від земного тяжіння зменшаться достатньо, багато чого можна буде побудувати в космосі.

Для великих досягнень потрібна інфраструктура

Покладатися виключно на ракети для досягнення космосу схоже на те, якби ми здійснювали всі перевезення та торгівлю на Землі, використовуючи лише літаки та гелікоптери. Хоча технічно це неможливо, це було б абсурдно дорого, оскільки будівництво інфраструктури, як-от гавані, дороги та залізниці, дозволяє нам використовувати набагато дешевші альтернативи.

Це може бути трохи проблемою курки та яйця, коли справа доходить до простору. Поки що масштабну інфраструктуру не варто було будувати, оскільки наші потреби полягали в тому, щоб відправити на орбіти лише кілька десятків супутників і дюжину астронавтів.

З появою кращих систем запуску ми, ймовірно, побачимо в найближчі 2 десятиліття масове розширення людської діяльності в космосі. Деякі з них будуть високоприбутковими або дуже добре фінансованими, зокрема:

• Наукові мегапроекти, наприклад Будівля радіотелескоп на зворотному боці Місяця.
• Місячні бази із західних країн, Китаю та Росії.
• Космічний туризм, або суборбітальний політ, або орбітальні космічні станції, або на Місяць.

Це створить достатньо великий ринок, що стане вигідно інвестувати десятки чи сотні мільярдів лише для захоплення частки ринку від ракетних компаній, таких як SpaceX.

Масові драйвери

Одна така інфраструктура, яка називається масовим драйвером, обіцяє суттєве скорочення витрат на запуск. Швидше за все, це вже можливо за допомогою доступних на даний момент технологій. Ключова ідея масового драйвера полягає в тому, що шаттл можна відправити на орбіту, розігнавши його на землі настільки, що йому не знадобиться бортове паливо.

Те, як вчені та інженери шукали, як це зробити, полягало б у створенні поїзда на магнітній підйомі, схожого на концепт Hyperloop, який працює у вакуумі. Таким чином ні тертя об рейку, ні частинки повітря не сповільнять і не нагріватимуть ракету-носій.

джерело: Acepedia

Китай вже розглядає можливість розробки такої технології, тому це може бути ближче, ніж ми очікуємо.

У разі успіху це може знизити ще в 10 разів ціну на орбітальний запуск, яку вже значно знизила SpaceX, за оцінками, вартість становить 60 доларів США/кг.

З іншого боку, цей тип системи може бути використаний вперше з моделями меншого розміру для руху літаків на швидкості, на якій можуть працювати гіперзвукові ГПВРД, що дозволяє здійснювати дуже швидкі гіперзвукові польоти.

Справжній мегапроект

Звичайно, орбітальний двигун повинен досягти надзвичайної швидкості та бути абсолютно масивним і потужним, щоб нести та прискорювати сотні чи тисячі тонн корисного вантажу, щоб конкурувати з космічним кораблем.

Стартова траса також повинна мати довжину в сотні, якщо не тисячі кілометрів, при цьому найперспективнішим кандидатом буде Тибетське плато.

Однак рушії маси все ще є одними з найменш амбітних пропонованих космічних інфраструктур, оскільки вони здебільшого обмежені лише доступним фінансуванням і вмінням розробляти її за допомогою відомої технології.

Космічний ліфт

Ще один відомий спосіб переносити речі вгору та вниз із мінімальними можливими витратами енергії — це використовувати противагу, як у ліфтах. Таким чином, енергія витрачається лише на підйом ваги корисного вантажу, і немає потреби в екстремальній швидкості.

Це ідея створення космічного ліфта, де троси довжиною десятки тисяч кілометрів використовуються для перенесення маси з Землі вгору та вниз. Теоретично така система може зробити політ на орбіту навіть дешевшим, ніж зараз коштує літак.

джерело: ISEC

Ключовим обмеженням тут є не ринковий попит чи наявний капітал (хоча вони також будуть враховуватися), а технологія. Такий надзвичайно довгий кабель потребує надлегкого матеріалу з міцністю на розрив, що набагато перевищує звичайні матеріали, такі як сталь або титан.

Це може змінитися, оскільки суперматеріали, такі як графен, здається, здатні відповідати технічним вимогам, типу 2D-матеріалу, який ми детально обговорювали в нашій статті "Двовимірні матеріали, такі як графен, відкривають нові межі в матеріалознавстві".

Однак для цього знадобиться масове виробництво високоякісного кристала графену, чого досі не вдавалося досягти. За нинішньої ціни на графен це було б абсурдно дорого.

Однак це була б ідеальна інфраструктура для тривалої присутності людини в космосі, орбітальних галузях промисловості та міжпланетній торгівлі з потужністю 30,000 XNUMX тонн на рік на геосинхронну орбіту, або еквівалент десятків запусків Starship щодня.

Ви можете побачити більше про цю концепцію в цьому 1-годинному відео від Міжнародний консорціум космічних ліфтів:

Орбітальна мегаструктура

Якщо нам коли-небудь вдасться побудувати космічний ліфт або створити на Місяці великомасштабні виробничі потужності, використовуючи матеріали з астероїдів, ми зможемо уявити ще більший тип інфраструктури.

Наприклад, орбітальне кільце — це ідея побудувати структуру, що обертається навколо всієї Землі.

джерело: Ісаак Артур

Така система залишалася б на орбіті завдяки відцентровій силі, що компенсує гравітацію Землі. Вона забезпечувала б середовище проживання в космосі, станції технічного обслуговування, стартові майданчики для місій у далекий космос, опорні точки для виробництва енергії (сонячні панелі) і навіть потенційно пом'якшення зміни клімату за допомогою сонцезахисних штор.

Однак така концепція є настільки амбітною з технологічної та інфраструктурної точки зору, що її, ймовірно, ніколи не вдасться реалізувати, поки спочатку не будуть побудовані принаймні масові драйвери та космічний ліфт.

Майнінгові станції та процесори

Набагато доступнішою і реалістичнішою є ідея видобутку астероїдів для отримання сировини та переробки руди в космосі.

Багато астероїдів дуже багаті металами; насправді, Пояс астероїдів у нашій Сонячній системі містить ~8% багатих на метал (М-типу) астероїдів. Оскільки весь пояс астероїдів важить 2.4 квінтильйона тонн, це дуже багато металу.

джерело: ESA – Дві області, де знаходиться більшість астероїдів у Сонячній системі: пояс астероїдів між Марсом і Юпітером і трояни, дві групи астероїдів, які рухаються попереду та слідують за Юпітером по його орбіті навколо Сонця.

На Землі ми копаємо золото чи платину на глибину 2-4 км. Але тільки один астероїд, 16 Психея може бути 200-кілометровим шматком металу, який очікує на видобуток за ціною (за поточними цінами) 10-700 доларів США квінтільйон.

Отже, існує 2 види космічного майнінгу, які можуть бути дуже прибутковими:

• Рідкісні матеріали, такі як золото та платина, мають бути відправлені назад на Землю.
• Базові матеріали, які можна використовувати на орбіті для побудови космічних кораблів, космічних готелів тощо, без необхідності оплачувати непомірні витрати на підйом цих матеріалів із Землі.

Швидше за все, підприємство з видобутку астероїдів зароблятиме на обох, захоплюючи та наближаючи до Землі астероїди з високоцінними мінералами. І використання відходів видобутку, виготовлених із вуглецевого заліза, нікелю тощо, для будівництва космічних станцій, місячних баз, ракет тощо.

Ще одна перевага полягає в тому, що після того, як гірниче обладнання буде виведено в космос, воно може видобувати астероїди в невагомому середовищі. Це може зробити видобуток в космосі легше ніж на Землі, де переміщення тисяч тонн каміння є енергоємною та ризикованою діяльністю.

сонячні колектори

Ще одна запропонована космічна галузь, яка може стати рушієм космічної економіки, — сонячна енергія. На правильній орбіті Сонце світить цілодобово та з набагато вищою інтенсивністю через відсутність атмосфери, яка б поглинала світло.

Такі системи можуть бути як приводом для побудови космічної інфраструктури (зниження вартості енергетичних супутників), так і сприянням подальшого прогресу (наприклад, живлення нафтопереробних станцій для видобутку астероїдів).

джерело: Космічний Сонячний

(Ми досліджуємо цю ідею більш детально в нашій статті "Космічні енергетичні рішення для нескінченної чистої енергії»).

Лазерні вітрильні гвинти

Щоб злетіти з Землі, потрібні або ракети, або розвинена інфраструктура. Але для пересування в космосі насправді потрібна лише невелика кількість енергії, коли ви знаходитесь далеко від гравітаційного колодязя. Настільки мало, що навіть світло може забезпечити достатньо енергії для цього.

Це фізика концепції сонячного вітрила. Це не спекулятивна науково-фантастична концепція, але реальна технологія, яку вже випробовує NASA.

Таке вітрило може рухатися сонячними променями, а також лазером. Таким чином, потенційно, замість спалювання палива, ми могли б побачити міжпланетні подорожі, які живляться лазерами з орбіти або на Місяці, які самі живляться від місцевих супутників сонячної енергії.

Бази та колонії за межами світу

Обговорюючи інфраструктуру, більшість зосередиться на «кричущих» технологічно складних проектах, таких як космічні ліфти.

Однак у космосі знадобиться багато іншої інфраструктури, особливо якщо ми будуємо постійні поселення, від баз із розміщенням для вчених і туристів до процвітаючих міст на Марсі.

Це включає в себе куполоподібні ферми, гідропонічне та аквапонне виробництво їжі в приміщенні, телекомунікації, стартові майданчики, станції для виробництва палива та заправки тощо, а також звичайні, але не менш важливі електростанції, лінії електропередач, лікарні, дороги, водопроводи тощо.

Конвеєр Олдріна / Велосипедист

Бази або колонії на Місяці буде «легко» постачати прямо з Землі. Доставлення та вивезення персоналу або туристів здійснюватиметься у короткій поїздці, яка триватиме максимум кілька днів.

Однак для подорожі до більш віддалених місць, таких як Марс, знадобиться подорож, яка, ймовірно, триватиме майже рік або в кращому випадку тижні. Це не проблема для сировини та обладнання, де це лише трохи ускладнює логістику.

Це набагато більш проблематично для пасажирів. Простір за межами магнітосфери Землі піддається сильному випромінюванню. А в разі важкої передбачуваної сонячної бурі пасажири на шляху до Марса можуть зазнати ще більшої радіації. Таким чином, якщо мимо початкових сміливих авантюристів до першого кроку на Марсі, для регулярних пасажирських подорожей знадобиться дуже важке та захищене судно.

І, можливо, з деяким бортовим виробництвом їжі та потужною рециркуляцією води, щоб обмежити кількість запасів, які потрібно транспортувати (Більш докладно ми розглядали тему продовольчого забезпечення в космосі в нашій статті «Космічна їжа – як ми будемо годувати наступну хвилю піонерів людства?»).

Це можна зробити в класичній ракеті. Але це буде марною тратою палива, щоразу доведеться прискорювати та сповільнювати весь щит, життєзабезпечення та запас їжі.

Натомість велосипедист Олдріна (запропонований Баззом Олдріном, другою людиною на Місяці), або Марсовий велосипедист може перебувати на постійній орбіті, тому регулярно наближається до Землі та Марса.

джерело: Ітан Макдональд

Таким чином ви могли б побудувати постійну космічну станцію для транзиту людей на Марс і з нього. Він матиме потужний захист від радіації та виробництво їжі, а також більш комфортабельні та просторіші кімнати та спортивні споруди, щоб підтримувати людей у ​​формі, незважаючи на відсутність гравітації.

джерело: Базз Олдрін

Циліндр О'Ніла та колонії астероїдів

Говорячи про космічні середовища існування, розглядалися більш амбітні концепції, ніж піт-стоп/готель на шляху до Марса, як-от Aldrin Cycler. Це план, який переслідує Джефф Безос, згідно з яким «трильйони людей живуть на гігантських космічних станціях, також відомих як циліндри О'Ніла».

Це гігантські циліндри, обертання яких створило б усередині штучну гравітацію, достатньо великі, щоб у них могли проживати сотні тисяч або мільйони людей.

джерело: Синій походження

Їх можна було б використовувати або для забезпечення ідеальних умов життя, або для виведення важкої та забруднюючої промисловості з екосистем Землі.

Така інфраструктура забезпечила б, по суті, необмежений життєвий простір для незліченної кількості людей по всій Сонячній системі. Його можна навіть використовувати для колонізації інших зірок, оскільки вони, по суті, є самопідтримуваними мікропланетами.

Однак така інфраструктура, ймовірно, з’явиться навіть пізніше в колонізації космосу, ніж орбітальні кільця, оскільки вона потребуватиме щорічних космічних виробничих потужностей у трильйони тонн, а також транзиту туди й назад до Землі майже без жодних витрат.

Дайсон Сфера

На самому кінці спектра спекулятивної космічної інфраструктури — Сфера Дайсона, або рій Дайсона.

Вперше запропонована Фріменом Дайсоном, ця ідея полягає у використанні всіх доступних гірських порід та металів у Сонячній системі та створенні рою космічних середовищ існування, навіть більших за циліндри О'Ніла, потенційно з такою ж поверхнею, як Земля кожне, щоб захопити якомога більше енергії, що виробляється Сонцем.

джерело: Вікіпедія

Це також вважається своєрідним «кінцевим етапом» для будь-якої космічної цивілізації. Важко уявити собі щось більш високотехнологічне, ніж буквально демонтувати планети для оптимізації використання їхньої матерії та енергії Сонця.

Це був «технічний підпис», який інтенсивно досліджували астрономи, щоб знайти ознаки потенційних позаземних технологічних цивілізацій.

Очевидно, це дуже суперечлива тема, але здається, що вже 60 зірок можуть відповідати цьому профілю. Астрономи все ще активно обговорюють це питання, оскільки вони просто знайшли новий тип зірки. Тим не менш, це інтригує людей, які цікавляться дослідженням космосу, і відкриє абсолютно новий погляд на те, як далеко може зайти людство, якщо потягнеться до зірок.

Ви також можете знайти набагато більше красивого концептуального мистецтва та мініатюри щодо космічної колонізації та інфраструктури, яку ми обговорювали тут, у Spacehabs.

Інвестиції в космічну інфраструктуру

Космічна галузь – це дуже розвинена галузь, яка переживає відродження та бурхливий розвиток завдяки ракетам багаторазового використання. Ми обговорили, як це створить цілі можливості в нашій статті "Ракети багаторазового використання для створення кількох нових ринків шляхом значного зниження витрат".

Поточний космічний ринок становить 443 мільярди доларів. Навіть якщо ігнорувати більш спекулятивні (але потенційно дуже прибуткові) ідеї, такі як видобуток астероїдів, космічний туризм і гіперзвукові польоти, можна додати ще 350 мільярдів доларів доходу, до яких можна додати прогноз супутникового Інтернету вартістю 17 мільярдів доларів, а також військові програми та субсидовані бази на Місяці, наукові проекти тощо.

Ви можете інвестувати в компанії, пов’язані з космосом, через багатьох брокерів, і ви можете знайти на цьому веб-сайті наші рекомендації щодо найкращих брокерів у США, Канада, Австралія, Великобританія, а також багато інших країн.

Якщо ви не зацікавлені у виборі конкретних компаній, пов’язаних з космосом, ви також можете ознайомитися з такими ETF ARK Space Exploration & Innovation ETF (ARKX) or VanEck Space Innovators UCITS ETF (JEDI) отримати вигоду від зростання космічного сектору в цілому.

Компанії космічної інфраструктури

1. Ракетна лабораторія

Rocket Lab є одним із найсерйозніших претендентів на ринку багаторазових ракет. Спочатку компанія зосередилася на малих ракетах із системою запуску Electron (320 кг корисного навантаження), яка поступово перетворюється на частково багаторазова ракета. Наразі Electron розгорнув 177 супутників у 44 запусках.

Пізніше Rocket Lab планує створити багаторазову ракету середнього розміру Neutron, яку можна порівняти з Flacon 9 (8,000 кг до LEO у повністю багаторазовому режимі, 1,500 кг до Марса або Венери). Neutron буде працювати від ракетного двигуна, що спалює метан (як Starship), що, здається, стане трендом наступного покоління ракет.

Компанія вирізняється своїм повністю вертикально інтегрованим процесом виробництва супутників, що дозволяє оптимізувати витрати та швидкість проектування. Це призвело до кількох контрактів з NASA та урядом США, в тому числі контракт на військовий супутник на суму 515 мільйонів доларів. і цивільний контракт на 143 мільйони доларів для Globalstar.

Rocket Lab також є великим виробником сонячних панелей для супутників після придбання SolAero Technologies у 2022 році, із понад 1000 супутниками, які живляться від цих панелей, і загалом виготовлено сонячні елементи потужністю 4 МВт.

Джерело: Ракетна лабораторія

Наразі його система запуску залежить від зовнішніх постачальників, але ряд стратегічних придбань має змінити це, повторивши в системі запуску вертикальну інтеграцію, вже досягнуту в проектуванні та виробництві супутників.

Компанія також розглядає можливість створення телекомунікаційного угруповання LEO для отримання постійних доходів. Це також сприяє дослідженню для виробництво в космосі з Varda Space Industries та  перевірка орбітального сміття.

Хоча SpaceX мала бізнес-талант Ілона Маска для розробки своєї технології з нуля, Rocket Lab використала поєднання досліджень і розробок та придбань для вертикальної інтеграції необхідної технології. Це виявилося дуже успішним у виробництві супутників, і тепер вони прагнуть повторити цю стратегію для ракет багаторазового використання.

Враховуючи наявний грошовий потік від виробництва супутників і успіхи Electron, Rocket Lab є хорошим кандидатом, щоб наздогнати SpaceX, принаймні до тих пір, поки за кілька десятиліть не будуть створені масові драйвери та інша інфраструктура.

2. Virgin Galactic

Компанія була заснована Річардом Бренсоном і орієнтована на космічний туризм.

Квитки коштують від 250,000 450,000 до XNUMX XNUMX доларів, з довгим листом очікування. Перші клієнти, здається, в захваті від свого досвіду:

«Я завжди знав, що це буде найнадзвичайніший досвід у моєму житті. Я завжди це знав. І люди ніби казали мені, що так воно і буде. Але потім, коли це сталося… і це був зовсім інший досвід, ніж той, про який ти думав… тоді це дуже важко пояснити».

«Це був найкращий день у моєму житті, найсенсаційніший день у моєму житті. І ви не можете стати кращим за це. Це перевершило мої найсміливіші мрії».

Virgin Galactic працювала над покращенням економіки своєї установки, створивши нову систему запуску «Дельта», здатну перевозити 6 пасажирів замість 4 і виконувати 8 рейсів на місяць замість одного.

Разом ці 2 покращені показники мають підвищити дохід на одиницю в 12 разів, а час окупності кожного шатла Delta становить менше 6 місяців. Льотне випробування Delta очікується в середині 2025 року.

джерело: Virgin Galactic

ринки були стурбовані, коли було оголошено, що Бренсон більше не інвестуватиме у Virgin Galactic. Особливо після звільнення 185 співробітників і призупинення космічних польотів у 2024 році, щоб дочекатися прибуття шаттла Delta і зменшити швидкість спалювання готівки.

Тим не менш, прогнозується, що у Virgin Galactic буде достатньо грошей для роботи до 2025 або 2026 років. Тож якщо розробка системи польотів Delta піде гладко (ризикована пропозиція в аерокосмічній галузі), компанія зможе зосередитися на перезапуску та збільшенні грошових коштів. потоку, з системою, яка є прибутковою на одиничній основі. І привести компанію до позитивного грошового потоку в 2026 році.

джерело: Virgin Galactic

(Слід зазначити, що Virgin Galactic відрізняється від Virgin Orbit. Virgin Orbit оголосила про банкрутство у квітні 2023 року та надавала послуги запуску малих супутників, з Rocket Lab придбала об'єкт, виробництво та інструментарій компанії в Лонг-Біч).

Нещодавнє банкрутство Virgin Orbit та дистанціювання засновника Річарда Бренсона від Virgin Galactic зашкодило іміджу компанії серед інвесторів, що призвело до різкого падіння ціни акцій у 2023 та 2024 роках.

Настійно рекомендується бути обережним щодо самого запасу.

Водночас, задоволеність попередніх клієнтів, чіткий план прибуткового дизайну (шатли Delta) та довгий список очікування потенційних клієнтів показують, що компанія може бути життєздатною навіть без залучення додаткових коштів.

За умови, що незабаром він зможе літати на шатлі класу «Дельта». Так далеко, фабрика для будівництва Delta завершена, і будівництво має розпочатися в 1 кварталі 2025 року.

Багато що залежатиме від успіху в розробці, виробництві та експлуатації шаттла Delta і його досягнення до кінця 2025 року.

Якщо це так, то значно нижча оцінка створить можливість для інвесторів отримати акції компанії зі знижкою.