W stronę księżycowych rafinerii. Cenna woda i nowe modele jej poszukiwań [KOMENTARZ]

W opracowaniu naukowców z University of Central Florida ujęto oparty na analizie struktury geologicznej model rozmieszczenia na Księżycu skupisk lodu wodnego. Z tych najłatwiej dostępnych ma być prowadzona w przyszłości przemysłowa eksploatacja wody jako substratu w procesie wyodrębniania wodoru i tlenu - dwóch podstawowych składników współcześnie stosowanego rakietowego materiału pędnego. W niedalekiej przyszłości ich pozyskiwanie ma postępować bezpośrednio na Srebrnym Globie, by umożliwić tanie, sprawne i częste rotacyjne loty między Ziemią a Księżycem.

Schemat rozlokowania i dostępności zamrożonej wody na Księżycu stworzono z myślą o ułatwieniu planowania wydobycia i działalności w segmencie górnictwa kosmicznego. Badacze z University of Central Florida chcą w ten sposób umożliwić pionierom eksploatacji księżycowych zasobów określanie potrzeb i założeń operacyjnych ich przyszłych misji.

Centralną wartością w opracowanym modelu naukowym jest tzw. Ice Favorability Index, czyli wskaźnik określający prawdopodobieństwo występowania skupisk lodu na bazie splotu korzystnych czynników środowiskowych i terenowych. Równanie bierze pod uwagę rozmaite zmienne, jakie mają wpływ na proces formowania się lodu wodnego na biegunach oraz w kraterach księżycowych - na ich bazie wygenerowano mapę obejmującą obszary Srebrnego Globu, na których mogą znajdować się pokłady lodu. Co ważne, model ma obejmować także potencjał występowania zasobów surowca pod powierzchnią Księżyca, uwzględniając wpływ przeszłych wydarzeń (jak uderzenia asteroid) na to, jak mogły kształtować się te zasoby.

W określeniu wizualizacji i dokładnego odwzorowania danych na mapie wykorzystano zobrazowania wykonywane przez sondy księżycowe oraz dane zebrane podczas załogowych lądowań na Księżycu w latach 1969-1972. Wyniki opracowania opublikowano następnie w periodyku naukowym Icarus.

Badacze z University of Central Florida podkreślają, że w trakcie swojej pracy posiłkowali się też metodyką działania firm górniczych na Ziemi, które prowadzą dokładne pomiary geologiczne i wielokrotnie pobierają dostępne próbki zanim rozpoczną właściwą, kosztowną inwestycję. Projekty biznesowe tego typu opiera się najpierw na precyzyjnych modelach obliczeniowych, których wyniki poprzedzają decyzję o rozpoczęciu odkrywki. Jak wyjaśnił prof. Dan Britt z University of Central Florida, projekty z zakresu górnictwa księżycowego i na planetoidach to już nie science-fiction. "Są grupy, które poszukują sposobów na urzeczywistnienie tych działań, a nasza praca pomoże im w zbliżeniu się do realizacji tego celu” - zapewnił.

Nawet jeśli wiadomo "gdzie" - czy wiadomo "jak"?

Należy pamiętać, że woda księżycowa nie jest tak łatwo dostępna i skumulowana, jak ziemskie surowce. Jak wskazują badacze z ośrodka Lunar and Planetary Institute w Houston w stanie Teksas, lunarne pokłady lodu nie przyjmują formy zwartej pokrywy ani zmrożonej połaci. Woda na Księżycu ma zazwyczaj postać drobnych ziaren lodu, zmieszanych z tamtejszą "glebą" (regolitem) i zlokalizowanych głównie w obszarach stale zacienionych w kraterach w pobliżu biegunów. Tutaj temperatury spadają do 40 Kelwinów (-233,15° C), utrzymując rozdrobniony lód wodny w stanie stabilnym.

Ziarna są mocno wymieszane ze złożonymi związkami chemicznymi - także organicznymi i metalami. W 2009 roku misja LCROSS NASA umożliwiła przeprowadzenie doświadczenia, w trakcie którego pobrano próbkę „wzbitego w powietrze” pióropusza pyłu i gruntu księżycowego. Analiza tego materiału wykazała, że drobiny wody ​​stanowią 5,6% badanej masy wszystkich wykrytych związków chemicznych. Dane sugerują zatem, że nawet jeśli lód wodny można oddzielić od regolitu, jest on nadal bardzo niejednorodny i wymagać będzie intensywnego oczyszczania, aby umożliwić wytwarzanie materiału pędnego.

W 2019 roku George Sowers, inżynier architektury kosmicznej w Colorado School of Mines, wraz z kilkunastoosobowym zespołem innych specjalistów, napisał artykuł opublikowany w czasopiśmie Reach, w którym wskazano jedną z proponowanych metod przetwarzania lodu wodnego. Zaproponowano w nim użycie rozbudowanych stanowisk z mocno wklęsłymi zwierciadłami na szczycie, wznoszonych wokół krawędzi krateru, aby skupiać światło słoneczne w trwale zacienionych obszarach. Energia ta ogrzałaby księżycowy grunt do 220 K (-53,15 ° C), czyli wystarczająco mocno, aby spowodować sublimację lodu w parę wodną.

Nad wyznaczonym miejscem skupienia promieni słonecznych wznosiłby się szczelny namiot o przezroczystej okrywie, umożliwiający wychwytywanie i magazynowanie pary wodnej. Ta następnie trafiałaby do dużych aluminiowych kontenerów, gdzie przeistaczałaby się z powrotem w lód. Niska grawitacja powinna w tym przypadku ułatwić pozyskiwanie i przenoszenie materiałów.

Dalej już odbywałby się transport pobranej materii (najpewniej zrobotyzowany) do „rafinerii” kosmicznej, w której doszłoby do przemysłowego oczyszczenia wydobytej wody. To właśnie tutaj byłaby też rozbijana na wodór i tlen - domyślnie w procesie elektrolizy. Na sam koniec następowałoby przeobrażenie osobnych produktów reakcji do stanu ciekłego (poprzez schłodzenie lub obróbkę ciśnieniową), by składniki mogły zostać wykorzystane już jako paliwo rakietowe.

Nad podobną własną koncepcją procesu wydobycia księżycowej wody pracują zresztą pomysłodawcy nowego modelu wskaźnikowego Ice Favourability Index - badacze z University of Central Florida. Tamtejszy zespół pod kierownictwem planetologa Philipa Metzgera z Florida Space Institute otrzymał nawet na ten cel grant NASA w wysokości 125 000 USD, którego otrzymanie zakomunikowano w maju 2020 roku. Cel to opracowanie opłacalnego i logistycznie wykonalnego sposobu wydobywania minerałów na Księżycu, w tym właśnie wody.

Podobnie do opisanego wcześniej pomysłu Sowersa, podstawowym założeniem planu UCF jest ograniczenie do minimum zapotrzebowania na sztucznie wytworzoną energię potrzebną do ekstrakcji wody z księżycowego gruntu. Choć dokładny sposób nie został jeszcze podany, wiadomym jest, że kluczowe dla powodzenia wydobycia będzie ulokowanie aparatury na krawędzi między zasobnym w wodę dnem zimnych kraterów a dobrze nasłonecznionym otoczeniem. Wówczas aparatura korzystająca ze słonecznego zasilania będzie w stanie efektywnie pracować przy mechanicznym wydobyciu mieszaniny surowców, która będzie następnie rozbijana docelowo bez zaangażowania znacznych ilości energii. Odmiennie zatem od projektu Colorado School of Mines, oddzielenie wody miałoby następować dopiero na późniejszym etapie procesu obróbki.

Pieśń (nie)odległej przyszłości

Niezależnie od przyjętej metody, realizacja scenariusza księżycowej produkcji materiału pędnego z pewnością odmieniłaby skalę realizacji lotów kosmicznych. Statki wysyłane z Ziemi nie musiałyby już zabierać ze sobą zapasu paliwa umożliwiającego powrót z orbity Księżyca. Podobne operacje napełniania zbiorników stałyby się również możliwe do przeprowadzenia bezpośrednio na orbicie Ziemi. W dalszej kolejności rafinowanie materiału pędnego mogłoby postępować na niektórych odpowiednio uwarunkowanych planetoidach - w przyszłości służących za swego rodzaju kosmiczne dystrybutory paliwa.

Choć przykład ten ma wciąż więcej wspólnego z opowieścią science-fiction niż naszą rzeczywistością, bywa już wykorzystywany przez ambitnych przedsiębiorców jako plan rozwijania ich zalążkowej działalności biznesowej. Za tym idą już też realne działania regulacyjne władz centralnych takich państw jak USA czy Luksemburg, które mają charakter tzw. „ucieczki do przodu” rozumianej jako ustawienie się zawczasu w najkorzystniejszych blokach startowych do spodziewanego wyścigu - nawet nie tyle o same kosmiczne zasoby, co o już całkowicie realne profity wynikające z innowacji technologicznych i kapitału akumulowanego przez rodzące się spółki na fali zainteresowania górnictwem kosmicznym. Zawsze warto skłaniać takie podmioty do inwestowania i prowadzenia działalności na własnym terytorium i na własnych zasadach, nawet jeśli nie do końca zakłada się rychłe urzeczywistnienie scenariuszy wydobycia w kosmosie.

Wiele zatem wskazuje na to, że model geologiczny amerykańskich naukowców jeszcze długo nie będzie miał okazji do wykazania swojej praktycznej, wymiernej biznesowo wartości. Co innego jednak w przypadku działań stricte badawczych, jakie chcą znacznie wcześniej podejmować wiodące agencje kosmiczne - amerykańska NASA, europejska ESA, chińska CNSA czy indyjska ISRO. Wszystkie one, rzecz jasna, mają już wytyczone swoje szlaki dotarcia na Księżyc w celu trwałej eksploracji, obejmującej również próby pozyskiwania niezbędnych surowców z powierzchni Księżyca. Tutaj wyścig już trwa, a kolejne kilka lat będzie stało pod znakiem bardzo interesującego nakręcania się tej rywalizacji. To już jednak temat na osobne rozważania.