Paliwo pozyskiwane z kosmosu? Dlaczego nie!

Zasoby kosmiczne, popularnie znane pod nazwą górnictwo kosmiczne, są istotnym tematem rozważań naukowo-technicznych przynajmniej od czasów projektu Apollo, kiedy to wielcy pionierzy z Grupy Roboczej na rzecz Zasobów Pozaziemskich w NASA dyskutowali o możliwościach wykorzystania zasobów Księżyca. Dopiero teraz jednak temat nabrał rozpędu i pojawiła się szansa na urzeczywistnienie tych idei i to w przeciągu najbliższej dekady. Wszystko za sprawą wody. 

Woda jest jednym z najpowszechniejszych zasobów znajdujących się na niemal każdej planecie, jej księżycach i małych ciałach Układu Słonecznego. Tylko i wyłącznie Ziemia posiada zasoby ciekłej wody na swojej powierzchni. Jednakże inne ciała bogate są w zasoby lodu wodnego oraz wody związanej mineralogicznie, ponieważ tylko te stany gwarantują ich stabilność w warunkach kosmicznych i geologicznych skalach czasu. 

Dlaczego jednak woda jest tak istotna, skoro za każdym razem, kiedy podnoszony jest temat górnictwa kosmicznego, słyszymy o górnictwie platyny i pierwiastków ziem rzadkich? 

Chodzi o paliwo. 

Zrównoważony, tani i powszechny dostęp do paliwa produkowanego bezpośrednio w kosmosie jest tym, co pozwoli na start przemysłu zasobów kosmicznych oraz poszerzenie naszych zdolności eksploracyjnych. Wyobrażają sobie Państwo w pełni sprawne operacje górnicze głęboko w Syberii bez niezbędnej infrastruktury, łańcucha dostaw oraz wielokrotnie wykorzystywalnego sprzętu? Otóż nie, z tego samego powodu potrzebujemy tych udogodnień w kosmosie. 

Pozaziemska woda jest dokładną analogią ropy naftowej na Ziemi. Jest źródłem paliwa, które generowane jest poprzez zaawansowane metody przetwórcze. W przypadku ropy naftowej, tymi metodami jest ogólnie pojęta rafinacja. W przypadku wody w kosmosie są to elektroliza i skraplanie gazów. 

Ciekły wodór i ciekły tlen (LH2/LOX) to jedno z głównych paliw rakietowych. Wiele rakiet wszelkich stopni wykorzystuje je, aby uciec z ziemskiej pułapki grawitacyjnej. Spośród ciężkich rakiet obecnie wykorzystywanych wodór i tlen napędzają: Delta IV Heavy, Long March 5 (pierwszy i drugi stopień) oraz Ariane 5 (rdzeniowy i drugi stopień). Także New Glenn oraz Vulcan, które obecnie znajdują się w fazie rozwoju, będą w przyszłości napędzane tym paliwem. Jednym z powodów wykorzystywania tego paliwa obecnie, a przede wszystkim perspektywicznie, jest jego potencjał produkcji i możliwość tankowania bezpośrednio w kosmosie. Najbardziej poważnym graczem w tej dziedzinie jest United Launch Alliance. 

W ubiegłym roku ULA oraz Colorado School of Mines opublikowały wspólne badanie na temat produkcji paliwa rakietowego na powierzchni Księżyca. Jest to pierwszy na świecie kompleksowy plan zagospodarowania zasobów lodu wodnego na powierzchni Księżyca. Wyjaśnia techniczne i ekonomiczne możliwości zintegrowanych operacji górniczo-przetwórczych zlokalizowanych w permanentnie zacienionych regionach na biegunach Księżyca. Regiony te zlokalizowane są na tych biegunowych kraterach uderzeniowych, do których światło słoneczne nigdy nie dociera. Znajdujący się tam lód wodny jest stabilny, nie tylko na powierzchni dna krateru, ale także prawdopodobnie wewnątrz górotworu. Nie możemy obecnie zajrzeć do środka tych „pułapek zimna”, jednak jesteśmy przekonani, że część z tych kraterów posiada zasoby wody. W 2010 roku dokonano celowego uderzenia górnego członu rakiety Atlas V wewnątrz krateru Cabeus, a następnie dzięki instrumentom satelity LCROSS zbadano chmurę gazowo-pyłową, która w ten sposób powstała. Zasobność wody w tym regionie oszacowano na przynajmniej 5% wagowych i ta wartość posłużyła jako baza opracowania ULA oraz Mines. 

Opracowano nową technologię ekstrakcji wody w tym środowisku (thermal mining), która wykorzystuje odbicie promieni słonecznych ze szczytu kraterów oraz skupianie ich na dnie, a następne przechwytywanie sublimującej wody na ścianach specjalnych namiotów. Zebrana woda transportowana jest wówczas do instalacji przetwórczej, która rozbija cząsteczki na wodór i tlen, skrapla te gazy oraz magazynuje je lub przekazuje je bezpośrednio do klienta. ULA oszacowało, że jest w stanie zapłacić 500 dolarów za każdy kilogram paliwa na powierzchni Księżyca lub 1000 dolarów na kilogram paliwa na orbicie Księżyca. Firma oszacowała także swoje roczne potrzeby dostaw paliwa na 1000 ton metrycznych. 

Po przeanalizowaniu wszystkich danych, badanie wykazało, że inwestycja na poziomie 2,5 miliarda dolarów, która pozwoli na rozwój urządzeń oraz operacje na powierzchni Księżyca, zapewni wymierny rezultat 65% zwrotu z inwestycji już po czterech latach rozwoju i dziesięciu latach funkcjonowania. To wysoka wartość, szczególnie biorąc pod uwagę fakt, iż inwestycje w zasoby kosmiczne uważa się w najlepszym wypadku za równorzędne do inwestycji strategicznych, takich jak elektrownia jądrowa czy długi tunel. 

Inna niezależna analiza z Colorado School of Mines, której miałem okazję przewodzić, wykazała rezultaty podobnego rzędu, mimo skupienia się na prostszej technologii górnictwa odkrywkowego. Przy podobnych nakładach finansowych średni zwrot z inwestycji wynosił 60%. 

Jest więc jasne, że kompleksowe badania zintegrowanego procesu górniczo-przetwórczego na Księżycu wykazują nie tylko techniczne, ale również ekonomiczne wykonywalności przedsięwzięć związanych z wydobyciem wody i produkcją paliwa rakietowego poza Ziemią. 

Zwiększający się popyt na paliwo rakietowe z wody oraz tankowanie statków kosmicznych w kosmosie jest powodowany przez zapotrzebowanie na uzupełnianie paliwo przez istniejące satelity oraz założenie o wielokrotnym wykorzystywaniu przyszłych statków. Pozwala to na wysyłanie większych ładunków z Ziemi, wykonywanie bardziej skomplikowanych i kosztownych manewrów orbitalnych oraz przede wszystkim tworzy orbitalny łańcuch dostaw i infrastrukturę logistyczną. 

Tylko wówczas jesteśmy w stanie poważnie myśleć nad bardziej wyrafinowanymi przedsięwzięciami w przemyśle zasobów kosmicznych – takich jak górnictwo rzadkich metali, produkcja orbitalna czy permanentna obecność ludzi. 

Pierwsza próba pozyskania wody w kosmosie jest na obserwowalnym horyzoncie – Europejska Agencja kosmiczna jest obecnie na etapie A/B1 rozwoju misji demonstracyjnej, która zostanie wysłana na powierzchnię Księżyca w 2025 roku. Jej celem nie będą jednak zasoby lodu wodnego, ale produkcja wody bezpośrednio z suchego regolitu księżycowego. 

LH2/LOX nie jest jedyną szansą na lokalnie dostarczane paliwo rakietowe. SpaceX oraz wielki marsjański plan firmy, ma nieco inne paliwo na celu. Jest nim CH4/LOX, czyli mieszanka metanu i tlenu. Rozwijane obecnie przez firmę Muska rakiety Big Falcon Rocket oraz jej górny człon Starship będą je wykorzystywały do startu, manewrów orbitalnych i lądowania na Marsie, gdzie dzięki olbrzymim zasobom marsjańskiego lodu wodnego oraz atmosferze dwutlenku węgla możliwa będzie produkcja metanu w procesie Sabatiera. Wykorzystanie lokalnych zasobów Czerwonej Planety jest kluczową częścią systemu transportowego SpaceX i planów kolonizacji planety. 

Pomimo tego, iż jesteśmy u świtu nowego przemysłu paliwowego, ziemskie firmy energetyczne dotychczas wydają się dotychczas niezbyt chętne do przyłączenia się do wysiłku firm kosmicznych, nawet w obliczu dowodów na komercyjny potencjał wydobycia pozaziemskiej wody. Ze stałym sceptycyzmem podchodzą do nowych możliwości (takich jak gaz łupkowy jeszcze kilkanaście lat temu), oczekują na dojrzewanie przemysłu. Ale czy powinny? 

Większość projektów kosmicznych bardzo przychylnie podchodzi do partnerstw z firmami ziemskich sektorów, ponieważ za każdym razem jest to szansa na obopólne korzyści, transfer technologii oraz innowacje. Jednakże najpewniejszą i niemal natychmiastową korzyścią pochodzącą ze współpracy ziemskiej firmy w przemyśle kosmicznym jest marketing. 

W 2020 roku, PTScientists, kosmiczna firma z Berlina, wyśle robotyczną misję eksploracyjną na Księżyc. Dla tego przedsięwzięcia firma zawiązała partnerstwa między innymi z Audi i Vodafone. Dwa łaziki kosmiczne stworzone przez Audi przemierzą okolice lądowania misji na Księżycu, zaś Vodafone zainstaluje pierwszą dotychczas stację bazową telefonii 4G LTE poza naszą planetą. To wszystko dlatego, że ich klienci będą pod wrażeniem samochodu wykorzystującego rozwiązania przetestowane na Księżycu, oraz możliwości komunikacji i szybkiego łącza w każdym miejscu na Ziemi i poza nią. 

Firmy sektora energetycznego również powinny zauważyć potencjał przemysłu zasobów kosmicznych. Nie tylko dlatego, że ów przemysł rozwijał się będzie z rocznym skumulowanym tempem wzrostu na poziomie 23,6% (z 650 milionów USD obecnie do 2,84 miliarda dolarów w 2025 roku, zgodnie z niedawną analizą), ale także dzięki możliwości ukazania swoim klientom i akcjonariuszom troski o przyszłość. Firmy naftowe, idąc tym samym tropem, chętnie dywersyfikują swoje portfolia w sektorze źródeł odnawialnych. Dlaczego nie również w sektorze kosmicznym? 

W końcu nasza planeta jest kolebką ludzkości, ale nikt nie zostaje w kołysce na wieki, jak kiedyś słusznie zauważył twórca teorii lotów kosmicznych, Konstanty Ciołkowski.