Kto przetrwa księżycową noc, wygra wyścig o Księżyc [ANALIZA]

Noc, przed którą nie sposób uciec

Pośród wielu wyzwań z jakimi będą musieli się mierzyć przyszli astronauci na księżycu jednym z największych będzie przetrwanie ekstremalnie długiej, ciemnej i mroźnej nocy lunarnej. Mowa o porze trwającej 14 dni bez dostępu do światła i ciepła słonecznego, kiedy temperatura spada poniżej –170°C. W takich warunkach przyszłe habitaty będą musiały utrzymać minimalne zasilanie i ogrzewanie, a ich mieszkańcy przeprowadzać konieczne operacje.

Problem jest wciąż obecny w dłużej oświetlonych, lecz pod bardzo niskim kątem, regionach bieguna południowego, gdzie planowane są pierwsze stałe bazy. To właśnie tam znajdują się trwale zacienione kratery zawierające bogate zasoby lodu wodnego, który mógłby posłużyć do produkcji wody pitnej, tlenu, a nawet paliwa rakietowego oraz energii. Ich eksploatacja wiązałaby się jednak z koniecznością pracy w ciągłej ciemności, przy temperaturach spadających nawet do –240°C. Przyszli astronauci nie unikną więc konfrontacji z lodowatym mrokiem Księżyca.

Wrócić, ale już na stałe

Wobec ambitnych planów ustanowienia stałej ludzkiej obecności na naturalnym satelicie Ziemi w nadchodzącej dekadzie – realizowanych przez USA w ramach programu Artemis oraz przez Chiny w ramach projektu Międzynarodowej Stacji Badawczej na Księżycu (ILRS) – opracowanie technologii umożliwiających przetrwanie księżycowej nocy wysuwa się dziś na pierwszy plan.

Ewentualne fiasko oznaczałoby konieczność ewakuacji z powierzchni co dwa tygodnie oraz poważne trudności w eksploracji trwale zacienionych regionów, potencjalnie oddając pole drugiej stronie. Stąd nowego wyścigu kosmicznego nie wygra ten, kto pierwszy wróci na Księżyc, lecz ten, kto zdoła pozostać na nim już na stałe.

Konkretnie, osiągnięcie zdolności do długotrwałej obecności na Srebrnym Globie przed konkurentami może zapewnić takiemu państwu uprzywilejowany dostęp do zasobów księżycowych, pierwszeństwo w kształtowaniu norm i zasad ich wykorzystywania, a także możliwość prowadzenia nieprzerwanych badań naukowych i technologicznych. W kręgach wojskowych podkreśla się z kolei, że utrzymanie trwałej obecności na jego powierzchni może w przyszłości okazać się kluczem do uzyskania strategicznej przewagi w przestrzeni cislunarnej oraz w dalszej eksploracji Układu Słonecznego.

Fotowoltaika z (za?) ciężkim magazynem energii

Wyścig technologiczny o te geopolityczne łupy już trwa, a jego główną osią jest zapewnienie stałego zasilania w czasie nocy księżycowej, bez którego niemożliwe będzie stałe funkcjonowanie przyszłych baz na Księżycu. Brak promieniowania słonecznego uniemożliwia bowiem bezpośrednie wykorzystanie najpopularniejszego dziś źródła energii w przestrzeni kosmicznej, czyli paneli słonecznych, stosowanych m.in. do zasilania Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Proponowane rozwiązania energetyczne można podzielić na dwie główne strategie. Pierwsza z nich polega na wykorzystaniu energii zgromadzonej wcześniej podczas dnia księżycowego. W modelu analogicznym do domowego układu „fotowoltaika z magazynem energii” panele słoneczne produkowałyby w ciągu dwóch tygodni ziemskich nadwyżkę energii, która następnie byłaby magazynowana w bateriach i zużywana w trakcie kolejnych dwóch tygodni nocy.

Na tym jednak podobieństwa do domowych instalacji energetycznych w zasadzie się kończą, przede wszystkim ze względu na skalę zapotrzebowania na energię. Według obliczeń nawet niewielkie księżycowe habitaty o powierzchni kilkudziesięciu metrów kwadratowych mogą wymagać kilku tysięcy kilowatogodzin energii do utrzymania odpowiedniej temperatury i działania niezbędnych systemów. Dla porównania, dom o podobnej wielkości na Ziemi zużyłby podczas jednej zimowej nocy zwykle od kilkudziesięciu do najwyżej około stu kilowatogodzin energii.

W konsekwencji taki moduł mieszkalny, przy wykorzystaniu obecnie najbardziej zaawansowanych baterii litowo-jonowych (Li-ion), wymagałby systemu magazynowania energii o masie sięgającej nawet kilkunastu ton. Dostarczenie tak ciężkich instalacji na powierzchnię Księżyca byłoby wyjątkowo trudnym zadaniem, nie wspominając już o skali wyzwania w przypadku bardziej rozbudowanych baz. 

Na niekorzyść obecnie stosowanych baterii działa dodatkowo ich duża wrażliwość na ekstremalne temperatury panujące na Księżycu. Podczas nocy wszechobecny chłód ograniczałby ich wydajność, natomiast temperatury sięgające w dzień nawet 120°C przyspieszałyby ich degradację. Podobne obawy istnieją również w przypadku wytrzymałości paneli słonecznych. Wszystko to sprawia, że magazynowanie energii jawi się dziś jako mniej atrakcyjna strategia zasilania przyszłych baz.

Sytuacja ta mogłaby się jednak zmienić, gdyby udało się zwiększyć wydajność i odporność przyszłych baterii, a tym samym znacząco ograniczyć ich masę. Duże nadzieje wiąże się tu z technologiami intensywnie rozwijanymi na potrzeby elektromobilności. Firmy i ośrodki badawcze w Ameryce, Azji i Europie równolegle pracują nad bateriami Li-S (litowo-siarkowymi), metal-air oraz solid-state, które mogłyby oferować nawet kilkukrotnie wyższą gęstość energii, a więc proporcjonalnie lżejsze systemy magazynowania.

Inną alternatywą, badaną szczególnie z myślą o przyszłych bazach na Księżycu i Marsie m.in. przez NASA i ESA, są regeneracyjne ogniwa paliwowe (RFC). Pełnią one rolę chemicznych magazynów energii: w ciągu dnia zachodzi w nich elektroliza wody, która rozdziela ją na wodór i tlen, natomiast w nocy energia elektryczna, ciepło i woda powstają w wyniku ich ponownego połączenia. RFC mogłyby magazynować nawet 3,4 razy więcej energii przy tej samej masie niż baterie litowo-jonowe. Ich dużą zaletą jest także możliwość oparcia całego cyklu na wodzie występującej na Księżycu w rejonach polarnych.

Wielofunkcyjny regolit

Jeśli chodzi o wykorzystanie zasobów dostępnych już na Srebrnym Globie, wiele uwagi poświęca się regolitowi ze względu na jego właściwości termiczne oraz wszechobecność.  

Księżycowa gleba okazuje się bowiem bardzo dobrym izolatorem cieplnym, dzięki czemu może pełnić funkcję magazynu ciepła, gromadzonego w ciągu dnia i stopniowo oddawanego podczas nocy. Co więcej, ze względu na swoje właściwości izolacyjne oraz zdolność do osłabiania promieniowania kosmicznego, regolit jest rozważany jako naturalna warstwa ochronna dla przyszłych habitatów, które mogłyby być nim pokrywane lub nawet budowane pod jego powierzchnią.

Możliwościami regolitu szczególnie interesują się Chiny, które chcą oprzeć budowę swojej księżycowej bazy, rozwijanej wspólnie z Rosją, na technologiach jego przetwarzania. Państwo Środka opracowało już prototyp systemu druku 3D z księżycowego gruntu, nazwany „wytwórnią cegieł z regolitu”. Urządzenie wykorzystuje skoncentrowaną energię słoneczną do topienia księżycowej gleby w wysokiej temperaturze i formowania z niej cegieł. Technologia ta ma zostać przetestowana bezpośrednio na powierzchni Księżyca podczas misji Chang’e-8 planowanej na 2029 rok.

Wiele wskazuje na to, że przyszłość magazynowania energii elektrycznej i cieplnej na Księżycu leży w wykorzystaniu zasobów dostępnych na miejscu (ISRU), a nie w kosztownym sprowadzaniu z Ziemi wielotonowych instalacji, zwłaszcza w późniejszych fazach eksploracji. Sięgnięcie po regolit, lód wodny, a być może także złoża sodu do produkcji baterii, może okazać się rozwiązaniem nie tylko bardziej ekonomicznym, lecz także zapewniającym bazom większą autonomię.

Opcje atomowe

Jednak wciąż istnieją poważne wątpliwości, czy technologie magazynowania energii osiągną wystarczający poziom wydajności przed powstaniem pierwszych baz księżycowych oraz czy wraz z ich rozbudową będą w stanie sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na energię. Dlatego wielu ekspertów większe nadzieje pokłada w drugiej strategii, zakładającej wytwarzanie energii na bieżąco podczas księżycowej nocy.

Najbardziej tradycyjnym rozwiązaniem stosowanym w kosmonautyce w tym obszarze są radioizotopowe systemy zasilania, oparte na powolnym, kontrolowanym rozpadzie promieniotwórczym wytwarzającym ciepło, które następnie przekształcane jest w energię elektryczną. Umożliwiają one funkcjonowanie sprzętu nawet przez długie dekady w skrajnie zimnym i ciemnym środowisku, czego dowodem pozostają nadal działające sondy Voyager 1 i 2, zasilane przez radioizotopowe generatory termoelektryczne.

Technologia ta jest obecnie testowana przez Chiny po niewidocznej stronie Księżyca, gdzie od siedmiu lat zapewnia ogrzewanie lądownikowi i łazikowi misji Chang’e-4. Dla porównania, w latach 2024–2025 trzy amerykańskie komercyjne lądowniki nie zdołały przetrwać nawet jednej nocy lunarnej, głównie z powodu braku analogicznego systemu.

Jednak w kontekście baz księżycowych źródła radioizotopowe mają szereg istotnych ograniczeń – od niskiej mocy, przez ograniczoną skalowalność, po wysokie koszty. Projektowane z myślą o długotrwałych, lecz niskoenergetycznych misjach, oferują zwykle moc rzędu zaledwie 100–300 watów, co wystarczyłoby co najwyżej do zasilenia kilku tradycyjnych żarówek, a nie całego habitatu.

To właśnie dlatego uwaga wszystkich graczy coraz wyraźniej kieruje się ku potężniejszemu kuzynowi radioizotopowych źródeł zasilania – reaktorom jądrowym. Systemy oparte na rozszczepieniu jąder atomowych są postrzegane jako szczególnie obiecujące rozwiązanie, zdolne zapewnić stabilne i długotrwałe źródło energii o dużej mocy. Co istotne, były one testowane już na orbicie w czasach zimnej wojny, a postępy w rozwoju małych reaktorów modułowych każą dziś sądzić, że ich dostarczenie na Księżyc staje się realnym scenariuszem.

Na nuklearną formę zasilania chce postawić NASA, która prowadzi obecnie najbardziej zaawansowane prace w tym obszarze. W ramach programu Fission Surface Power agencja planuje przetestować na powierzchni Księżyca sześciotonowy reaktor rozszczepieniowy o mocy około 40 kilowatów na początku następnej dekady. Nowy polityczny impuls tym pracom nadało niedawne rozporządzenie wykonawcze Donalda Trumpa, wzywające do rozmieszczenia reaktorów jądrowych na Księżycu i na orbicie, w tym do przygotowania do 2030 roku gotowego do startu reaktora księżycowego.

Już w 2022 roku NASA wybrała trzy amerykańskie firmy, które obecnie opracowują projekty takich reaktorów. Jednak przejście z fazy projektowej do testów naziemnych może okazać się problematyczne. Eksperci alarmują, że Stany Zjednoczone nie dysponują odpowiednią infrastrukturą testową dla kosmicznych systemów jądrowych, taką jak duże obiekty symulujące warunki księżycowe czy dedykowane hale montażowe. Dlatego dalsze postępy amerykańskiego programu mogą zależeć od odpowiednio wczesnych inwestycji w tych obszarach.

Bezprzewodowa alternatywa

Atom nie jest jednak rozwiązaniem idealnym; krytycy tej opcji wskazują na wysokie koszty, bardzo dużą złożoność systemu oraz zagrożenia dla bezpieczeństwa w razie awarii. Z tego powodu technologie jądrowe nie są jedynym rozwiązaniem rozważanym w strategii ciągłego wytwarzania energii. Ciekawą alternatywę, choć wciąż pozostającą na wczesnym etapie rozwoju, oferuje zasilanie z orbity, zakładające produkcję energii słonecznej przez satelity krążące wokół Księżyca i jej bezprzewodowe przesyłanie do baz za pomocą wiązek laserowych bądź fal radiowych.

Wzmożone badania koncepcyjne nad taką technologią prowadzi Europejska Agencja Kosmiczna w ramach inicjatywy SOLARIS. Opracowania ESA wskazują, że już kilka optymalnie rozmieszczonych satelitów mogłoby zapewnić nieprzerwany przesył energii do pogrążonej w ciemności bazy. Pekin również analizuje potencjał laserowego, bezprzewodowego przesyłu energii z orbity księżycowej do zasilania infrastruktury na powierzchni, którego atrakcyjność wynika przede wszystkim z braku atmosfery zakłócającej transmisję wiązki.

Narastające zainteresowanie tą koncepcją niewątpliwie napędzają postępy w wydajności paneli słonecznych oraz mocy laserów. Operacyjne wdrożenie tej technologii na skalę umożliwiającą zasilanie całej bazy pozostaje jednak raczej pieśnią dalszej niż bliższej przyszłości. Trzeba pokonać wciąż wiele wyzwań technicznych, obejmujących ograniczenie strat energii oraz zapewnienie stabilności i precyzji jej przesyłu, co czyni perspektywę zasilania pierwszych baz księżycowych w ten sposób mało prawdopodobną.

Nie jedna technologia, ale cały system

A więc jakie rozwiązanie energetyczne ma szansę umożliwić pierwszym stałym mieszkańcom Srebrnego Globu przetrwanie księżycowej nocy i z jakiego kraju będą oni pochodzić? Obecna technologia zdaje się najbardziej predysponować do tej roli reaktory jądrowe, które mają zasilać zarówno amerykańską, jak i chińsko-rosyjską bazę – odpowiednio na początku i w połowie następnej dekady.

Posiadanie konkretnego, już realizowanego programu faworyzuje dziś Stany Zjednoczone. Z drugiej strony Chiny uchodzą za lidera rozwoju energetyki jądrowej, a nie można też pomijać wieloletniego doświadczenia Rosji w kosmicznych technologiach nuklearnych. To sprawia, że wobec bardzo prawdopodobnych opóźnień i innych trudności po obu stronach, czego przykładem są ostatnie problemy programu Artemis, nic nie jest jeszcze przesądzone.

Jednak rozstrzygnięcie tej kwestii nie będzie zależało wyłącznie od okiełznania energii jądrowej. Równie kluczowa będzie umiejętność wykorzystania materiałów dostępnych in situ, zwłaszcza regolitu, do budowy infrastruktury, ochrony przed promieniowaniem, izolacji cieplnej czy ogrzewania baz – szczególnie w dłuższym horyzoncie czasowym i wraz z rozwojem ludzkiej obecności na Księżycu – a w tej dziedzinie obecnie przodują Chiny.

Poza tym nawet przy stawianiu na atom nie można bagatelizować rozwoju systemów magazynowania energii, które będą potrzebne do zapewnienia zapasowego źródła zasilania w razie awarii. Szerzej ujmując, baterie lub rozwiązania bezprzewodowe okażą się konieczne wszędzie tam, gdzie atom nie będzie praktycznym rozwiązaniem, na przykład w przypadku mobilnych habitatów.

Prawdziwy klucz do wygrania wyścigu o przetrwanie księżycowej nocy nie leży więc w opanowaniu jednego rozwiązania technologicznego, lecz w stworzeniu wydajnego systemu energetyczno-cieplnego, integrującego wiele z omówionych technologii. To właśnie takie systemowe podejście umożliwi bazom długofalową ekspansję, większą autonomię i odporność. Tym bardziej, że wyścig ten nie jest sprintem, lecz maratonem.

Przetrwanie pierwszych nocy będzie jedynie wstępem – warunkiem koniecznym, ale niewystarczającym do jego wygrania. Po ostateczne strategiczne korzyści sięgnie ta strona, która będzie w stanie nie tylko przetrwać księżycową noc, lecz także uczynić z niej fundament trwałej, samowystarczalnej i stale rozwijającej się obecności na Księżycu.