Asteroida 4660 Nereus – skała wyższa od wieżowca Varso Tower – mija dziś Ziemię. Porusza się z prędkością blisko 24 tys. km/godz. Przeleci obok nas w odległości 3,86 mln km. To 10 razy więcej, niż wynosi odległość między Ziemią a Księżycem. Naukowcy interesują się Nereusem m.in. dlatego, że na tej asteroidzie znajdują się złoża niklu, żelaza i kobaltu o łącznej wartości szacowanej na 4,71 miliarda dolarów.

Czy wiemy, jak dostać się do tych cennych surowców? O perspektywach kosmicznego górnictwa opowiadają dr inż. Tomasz Barciński, kierownik Laboratorium Mechatroniki i Robotyki Satelitarnej CBK PAN oraz Gordon Wasilewski, doktorant CBK PAN i inżynier B+R w spółce Astronika.

Planetoidy mają tak małą grawitację, że trudno jest na nich wylądować i nie odbić się

Proces sprowadzenia na Ziemię cennych surowców z planetoidy jest ogromnym, ale i pięknym wyzwaniem inżynierskim. Operacja taka ma wiele aspektów, z których dwa wydają się bardzo trudne.

Pierwszym problemem jest samo lądowanie na małym ciele niebieskim o niskiej grawitacji. Jak zaplanować takie lądowanie, by wbić się w zaplanowane miejsce i nie odbić się od powierzchni? Nie jest to proste. Lądownik Philae, będący częścią misji Rosetta odbił się od powierzchni komety 67P/Churyumov-Gerasimenko, na której miał „usiąść”. W efekcie wylądował niekorzystnym miejscu, a do tego leżał na boku.

Słaba grawitacja małego ciała kosmicznego utrudnia nie tylko grawitacyjne związanie sondy z takim obiektem. Także sama asteroida czy kometa może nie być jednolitym obiektem, ale zbiorem luźno powiązanych części. I tutaj trafiamy na kolejny problem. Jak utrzymać się na powierzchni takiego obiektu?

Czym przytrzymać się luźnego gruntu asteroidy? Pomóc może harpun

Każdy, kto używał wiertarki do zrobienia otworu w ścianie wie, że taką wiertarkę należy dociskać. Kopiąc łopatą dół też napracujemy się, wciskając ostrze łopaty w piach. Jak dociskać urządzenia do pobierania cennych minerałów na planetoidzie, gdy siła ciążenia jest tam niemal równa zeru?

Problemem jest nie tylko przytwierdzenie manipulatora prowadzącego urządzenie do powierzchni planetoidy. Sam regolit, czyli materiał tworzący planetoidę, może być dość luźny. Czego w takim razie można się chwycić?

Inżynierowie opracowali wiele rozwiązań tego problemu. Część z nich to tylko koncepcje. Inne zostały już sprawdzone w praktyce. Przykładem może być wspomniany wcześniej lądownik Philae. Rozwiązania te wymagają jednak dalszego rozwoju i testowania.

Systemy touch-and-go, które wykorzystano np. w japońskiej misji Hayabusa2, pozwalają na szybkie pobranie materiału bez kotwiczenia. W przypadku bardziej długotrwałych procesów, wymagających użycia siły, może być jednak konieczne kotwiczenie za pomocą np. specjalnych harpunów.

Kosmiczne górnictwo to szansa na uniezależnienie się od dostaw z Ziemi

Chociaż takie górnictwo to ogromne wyzwanie, to technologię warto rozwijać. Małe obiekty Układu Słonecznego zawierają całą gamę cennych surowców.

Komety i niektóre asteroidy zawierają substancje lotne, takie jak woda, dwutlenek czy tlenek węgla. Skały i regolity małych obiektów są zbudowane z tlenków metali. A niektóre typy asteroid są zbudowane z czystych metali – tych całkiem powszechnych, jak żelazo oraz rzadkich, jak platyna.

Te wszystkie surowce mogą być wykorzystywane na miejscu. Można też transportować je do innych miejsc Układu Słonecznego, aby je przetwarzać i wykorzystywać w kosmosie. Będzie to opłacalne, ponieważ wysyłka takich materiałów z Ziemi, szczególnie w dużych ilościach, jest kosztowna i trudna.

Surowce pozyskane przez kosmiczne górnictwo mają wiele zastosowań. Mogą służyć jako źródła paliwa rakietowego, wody pitnej i tlenu do oddychania. Z kolei metali można użyć do produkowania części urządzeń w kosmosie. W ten sposób można uniezależnić się od dostaw z Ziemi. Otwiera to możliwości serwisowania stacji badawczych, kolonii pozaziemskich czy satelitów krążących wokół Ziemi.

Kosmiczne kopalnie będą połączone z przetwórniami surowców

Wydobycie większości zasobów w kosmosie będzie odbywać się metodami odkrywkowymi. Wykorzystać do tego można roboty zdolne do działania w niskiej grawitacji, próżni i ekstremalnych temperaturach.

Z kolei materiały lotne będą wydobywane głównie metodami termicznymi, poprzez ogrzewanie. Oznacza to minimalny kontakt mechaniczny z powierzchnią. Źródłem energii dla tych procesów może być światło Słońca. Można je wykorzystać w regionach niemal permanentnie oświetlonych i tych w wewnętrznej części Układu Słonecznego. Jeśli potrzeba będzie większych ilości energii lub światło słoneczne będzie zbyt słabe, można wykorzystać źródła jądrowe, takie jak reaktor Kilopower NASA.

Sam surowiec nie jest jednak w pełni użyteczny. Dlatego w pobliżu kosmicznych kopalni muszą powstawać stacje orbitalne lub powierzchniowe, które dalej przetwarzać będą surowce. Takie instalacje to np. stacje elektrolizy wody oraz upłynniania wodoru i tlenu. Dzięki nim przylatujące statki będą mogły tankować paliwo H2/O2.

Pierwsze kosmiczne kopalnie mogą powstać na Księżycu

W przypadku kosmicznego górnictwa istnieją trzy warunki powodzenia takiego przedsięwzięcia:

  • zasób musi istnieć,
  • musimy mieć technologię do jego wykorzystania,
  • musimy mieć klienta, który chce za niego zapłacić.

Wiele zasobów kosmicznych już dziś posiada wszystkie te elementy. Przykładem może być woda zlokalizowana w permanentnie zacienionych regionach Księżyca. Można z niej produkować paliwo rakietowe do wykorzystania w przestrzeni okołoziemskiej i okołoksiężycowej. Dotankowanie istniejących satelitów na orbitach Ziemi zwiększy ich żywotność. Z kolei dotankowanie nowych satelitów umożliwi im dotarcie w dalsze miejsca z większą ilością sprzętu.

Wraz z budową prywatnych stacji kosmicznych powstanie też rynek uzupełniania ich zapasów. Te zapasy mogą być dostarczone z asteroid czy Księżyca. Już dziś na Księżycu Chiny i Ameryka ścigają się o to, kto pierwszy założy stałą bazę dla astronautów. Taka baza również będzie potrzebować lokalnego źródła wielu zasobów.