Разработка технологий переработки космического сырья в условиях невесомости началась в 1970-х годах параллельно с развитием долговременных орбитальных станций. Первые систематические исследования провели советские ученые на станции "Салют-6" в 1979 году. Эксперимент "Сплав" под руководством академика Бориса Патона продемонстрировал принципиальные отличия процессов плавления и кристаллизации материалов в невесомости.

Основным объектом исследований стало лунное реголитоподобное вещество, синтезированное в Институте геохимии имени Вернадского. Ученые установили, что в условиях микрогравитации отсутствует конвекция в расплаве, что позволяет получать материалы с равномерным распределением примесей. Эти результаты подтвердились в экспериментах на станции "Мир" в 1986-1999 годах, где отрабатывались технологии получения кислорода из лунного грунта.

Программа NASA "In-Situ Resource Utilization" (ISRU), официально стартовавшая в 1993 году, сосредоточилась на разработке систем для извлечения воды и производства ракетного топлива. В 1998 году на шаттле Discovery провели эксперимент "Water Electrolysis Reactor", доказавший возможность получения кислорода и водорода из имитатора марсианской атмосферы.

Ключевой особенностью переработки сырья в невесомости является необходимость принудительного перемешивания расплавов. На Земле гравитация обеспечивает естественную конвекцию, но в космосе для этого требуются специальные устройства. В 2008 году на МКС испытали электромагнитный мешалку, разработанную Европейским космическим агентством.

Другая важная проблема - сепарация фаз. В условиях невесомости не работает гравитационное разделение твердых, жидких и газообразных компонентов. Для решения этой задачи в 2012 году японское агентство JAXA предложило использовать центрифуги с регулируемой скоростью вращения. Эксперименты на модуле "Кибо" показали эффективность разделения частиц реголита размером до 5 микрон.

Современные исследования сосредоточены на трех основных направлениях: переработка лунного реголита, использование астероидного материала и утилизация космического мусора. Проект ESA "ISRU Demo Mission", запланированный на 2025 год, предусматривает испытание мобильного плавильного комплекса на поверхности Луны. Технология основана на солнечной концентрации энергии и позволяет получать до 1 кг строительных материалов в час.

Российская программа "Космическая металлургия", курируемая РКК "Энергия", включает разработку вакуумных печей для переработки металлических компонентов отработавших спутников. По данным главного конструктора программы Владимира Негодяева, к 2030 году планируется создать экспериментальный модуль для МКС.

Американская компания Made In Space в 2019 году провела на орбите испытания 3D-принтера, использующего в качестве сырья полимерные отходы. Технология позволит сократить массу грузов, доставляемых с Земли, на 30%. Генеральный директор компании Эндрю Раш в интервью SpaceNews отметил: "Переработка материалов на орбите станет ключевым элементом устойчивого присутствия человека в космосе".

Научный руководитель Института космических исследований РАН Лев Зеленый в докладе "Космическое материаловедение: перспективы до 2040 года" указывает, что основными препятствиями остаются энергоэффективность процессов и надежность оборудования в условиях радиации и термических циклов. Требуются принципиально новые подходы к проектированию систем, работающих при температурах от -150°C до +200°C.

Экономические расчеты, представленные в исследовании United Nations Office for Outer Space Affairs 2021 года, показывают, что создание системы переработки космического сырья снизит стоимость строительства лунной базы на 40%. Особое значение имеет производство воды и кислорода из полярного льда Луны, что подтверждено данными миссии LRO и "Чандраян-1".

Международная кооперация в этой области регулируется Соглашением о деятельности государств на Луне и других небесных телах 1979 года. Статья 11 документа устанавливает принципы использования космических ресурсов, которые должны осуществляться "в соответствии с международным правом и Уставом ООН".