W poszukiwaniu marsjańskiego złota, srebra oraz innych cennych metali

Przewiduje się, że pierwsze próby załogowych lotów na Marsa zostaną podjęte w ciągu 20-30 lat. Aktywnie zainteresowany Marsem jest nie tylko obecny lider badań Czerwonej Planety, tj. USA, ale także Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), Rosja, Indie, Chiny, Japonia czy nawet Zjednoczone Emiraty Arabskie. Do tego grona włącza się sektor prywatny z firmą SpaceX na czele. Wizje Elona Muska o konieczności kolonizacji innych planet na wypadek zagłady Ziemi, w obliczu globalnej pandemii COVID-19 nie brzmią już tak skrajnie futurystycznie.

Samowystarczalny habitat na Marsie musi bazować na zasobach lokalnych. Woda (pozyskiwana z lodu) i surowce skalne nie stanowią większego problemu. Znacznej determinacji będzie wymagało natomiast odnalezienie metali kluczowych w produkcji przewodów elektrycznych, zwłaszcza tych wymagających wysokiego i stabilnego przewodnictwa. Mowa o pierwiastkach z grup chalkofilnych i syderofilnych. Metale chalkofilne (np. srebro, miedź, cynk, ołów) występują głównie w siarczkach, podczas gdy metale syderofilne (np. żelazo, nikiel, kobalt, gal) mogą występować w różnych minerałach, najczęściej w tlenkach, ale również w siarczkach. Gdzie ich szukać?

Badania marsjańskich meteorytów oraz obserwacje z orbity i z powierzchni (łaziki) prowadzą do wniosku, że skały i minerały Czerwonej Planety są niemal takie same jak na Ziemi. Zbliżone są również procesy prowadzące do powstawania złóż, m.in. wulkanizm czy cyrkulacja gorących wód hydrotermalnych. To właśnie w obszarach występowania tych procesów będziemy szukać złóż metali.

Osiągające kilkaset stopni Celsjusza wody pomagmowe lub hydrotermalne rozpuszczają znaczne ilości siarki i metali. Po wypłynięciu na powierzchnię i gwałtownym ochłodzeniu, metale i siarka błyskawicznie wytrącają się, tworząc złoża siarczków. Woda potrzebna do procesów hydrotermalnych jest na Marsie wszechobecna, na przykład w postaci lodu gruntowego, a w przeszłości również w rzekach i oceanach. Obszary gorące, aktywne geologicznie na Marsie, jeśli jeszcze występują, są bardzo rzadkie. Niepodważalne są natomiast dowody na młody wulkanizm w okresie od  kilkudziesięciu do kilku milionów lat temu. Złoża hydrotermalne utworzone w tamtym okresie nie zostały jeszcze zerodowane ani przysypane osadami.

Wiele złóż hydrotermalnych może powstawać obecnie po uderzeniach meteorytów, których relatywne dużo trafia w powierzchnię Marsa (bliskie sąsiedztwo pasa planetoid i brak ochrony ze strony śladowej atmosfery planety). Po uderzeniu meteorytu skały topią się tak samo jak w procesach wulkanicznych, a wody podziemne zachowują się jak wody hydrotermalne. W efekcie prowadzi to do powstawania złóż na brzegach kraterów uderzeniowych. Na Ziemi w taki sposób powstały złoża w pobliżu krateru uderzeniowego Sudbury w Kanadzie, gdzie swoją kopalnię ma m.in. KGHM.

Poszukiwanie złota na Marsie każe zwrócić uwagę na rzeki. Ponieważ złoto jest kilka razy cięższe niż pozostałe minerały, jako pierwsze opada na dno wszędzie tam, gdzie rzeka zwalnia nurt, np. na piaszczystych łachach lub w zagłębieniach dna. Wiedzę tę wykorzystano chociażby w trakcie gorączki złota na Alasce. Na Marsie, podobnie jak na Ziemi, sieć rzeczna była bardzo gęsta i ziarna złota były prawdopodobnie sortowane w taki sam sposób jak w rzekach Błękitnej Planety.

Bezpośrednie wykrycie złóż wymaga odpowiedniego badania mineralogicznego powierzchni Marsa. Najlepiej przystosowane są do tego łaziki, ale mogą one operować tylko na bardzo ograniczonym obszarze. Większe możliwości dają obserwacje z orbity. W tej chwili jedynym instrumentem zbierającym materiał i przeznaczonym do analizy mineralogicznej powierzchni Marsa jest spektrometr CRISM sondy Mars Reconnaissance Orbiter (działa od 2006 roku).

Niestety CRIMS ma istotne ograniczenie - nie może wykrywać siarczków. W zakresie widma, w jakim pracuje instrument (0,4 µm  - 3,9 µm), siarczki są zbyt podobne do powszechnych na Marsie piroksenów. CRISM umożliwia jedynie detekcję niektórych produktów wietrzenia siarczków, takich jak siarczany (np. jarosyt i ałunit) lub tlenki (np. hematyt).

Większe szanse wykrywania złóż dawałaby rejestracja promieniowania z zakresu dalekiej podczerwieni (20 µm – 35 µm), gdzie cechy widmowe siarczków są wyraźniejsze. Wymóg ten spełnia MIRORES (Martian far-IR ORE Spectrometer), instrument projektowany we wrocławskim oddziale  Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk.

W konstrukcji przyrządu zastosowano piroelektryczne detektory podczerwieni, co pozwoli na wydajną pracę urządzenia w zakresie temperatury od −20°C do +90°C. Natomiast dzięki zastosowaniu układu optycznego Cassegraina, instrument przybierze kompaktową formę małego prostopadłościanu o wymiarach 42 cm ´ 32 cm ´ 32 cm. Dane z MIRORES będą miały rozdzielczość przestrzenną 10 m/piksel, niemal cztery razy większą niż CRISM (18 m/piksel).

Kompaktowe rozmiary MIRORES umożliwią łatwe uwzględnienie urządzenia w ramach marsjańskiej misji Chin lub Japonii, a nawet całkowicie polskiego przedsięwzięcia. W efekcie polski spektrometr mógłby rozpocząć poszukiwania złóż metali na Marsie już w drugiej połowie lat dwudziestych obecnego stulecia. Opracowane rozwiązania mogą zostać zaadoptowane także do podobnych badań Księżyca oraz większych asteroid. MIRORES i związane z nim prace CBK PAN wpisują się zatem w szerszy trend zainteresowania górnictwem kosmicznym na świecie.

Jakub Ciążela, Jarosław Bąkała, Mirosław Kowaliński

Centrum Badań Kosmicznych PAN