Eksploracja asteroid – rozwój kosmicznego górnictwa

Prace nad programami lądowania na asteroidzie od początku nie miały nic wspólnego z romantyczną wizją podróży międzygwiezdnych. Ani z naukową ciekawością. Ze względu na zasoby możliwych do eksploatacji surowców, były po prostu związane z możliwością udziału w całkiem intratnym biznesie.

Szacuje się iż w pobliżu Ziemi porusza się około 9 tysięcy naturalnych obiektów. Większość z nich bogata jest w metale szlachetne i inne rzadkie na Ziemi pierwiastki. Możliwości pozyskania surowców wydaje się mieć pierwszorzędne znaczenie w kontekście wyczerpywania się ziemskich zasobów. Czy jednak taka eksploatacja jest możliwa z technologicznego punktu widzenia? I czy byłaby już teraz ekonomicznie opłacalna?

Technologie

Technicznie etap podróży oraz proces lądowania na powierzchni asteroidy jest już wykonalny. Dowiodła tego wyprawa (2003 - 2010) przeprowadzona w celu eksploracji asteroidy 25143 Itokawa, która została zrealizowana przez japońską sondę Hayabusa – wykonano analizę właściwości fizycznych obiektu, a pobrane z powierzchni próbki materiału dostarczono na Ziemię. Można więc powiedzieć, że podstawy technologii niezbędnej aby przetransportować wyposażenie na asteroidę i ładunek na Ziemię zostały już w podstawowym stopniu opracowane i przetestowane.

Z oczywistych powodów obiektami, które będą budzić zainteresowanie mogą być jedynie asteroidy znajdujące się w niedalekiej odległości od Ziemi (NEA – Near Earth Asteroids), a wśród nich np. te charakteryzujące się orbitami położonymi wewnątrz marsjańskiej, przez co cyklicznie zbliżające się do Ziemi. Ze uwagi na odpowiednie położenie i kształt orbit takich obiektów, dotarcie do nich uważane jest za łatwiejsze niż osiągnięcie powierzchni Księżyca.

Wydaje się zatem, iż wysyłanie zautomatyzowanych urządzeń eksploatujących obiekty kosmiczne oraz transport ładunków na orbitę okołoziemską, gdy asteroida będzie znajdować się w jej pobliżu, są technologicznie wykonalne.

Innym pomysłem związanym z eksploatacją asteroid jest tzw. „inżynieria orbitalna” - koncepcja forsowana przez NASA. Idea ta związana jest ze zmianą orbity eksplorowanego obiektu, sprowadzenie go w pobliże Ziemi, tak by możliwy i łatwy stał się ruch wahadłowy pojazdów pomiędzy danym obiektem a Ziemią. Technicznie przechwycenie obiektu mogłoby zostać zrealizowane za pomocą holownika – użycie czegoś na kształt worka, w który złapany będzie obiekt i przeciągnięcie na wyznaczoną orbitę okołoksiężycową („Distant Retrograde Orbit”).

Inny pomysł przewiduje realizację całego procesu w oparciu o sondę, która po dotarciu do celu, dzięki chwytakom i silnikom manewrowym będzie hamować ruch wirowy asteroidy i kierować ją na orbitę docelową. Napędem będzie w tym przypadku SEP, czyli zasilane energią słoneczną silniki elektryczne. Ludzi na orbitę Księżyca ma przetransportować statek Orion. Wyniesienie zapewni mu rakieta SLS lub zaprojektowana przez firmę SpaceX superciężka rakieta nośna Falcon Heavy.

Wydaje się, iż także takie działanie są w zasięgu dostępnych teraz lub w bliskiej przyszłości technologii.

Ze względu na niewielkie rozmiary takich asteroid warunkiem koniecznym jakichkolwiek działań i jednocześnie wyzwaniem jest obecnie stworzenie odpowiednich systemów właściwego wyszukiwania tego typu ciał niebieskich (do przeprowadzenia pierwszej planowanej misji tego rodzaju NASA wytypowała tymczasem trzy obiekty – asteroidy o nazwach Itokawa, 2008 EV5 oraz Bennu).

Program sprowadzenie niewielkiej asteroidy na orbitą księżycową ogłoszony przez NASA byłby idealnym sprawdzianem techniki „holowania” obiektów. Sama zaś asteroida idealnym laboratorium do przeprowadzenia prac badawczych związanych z technologiami wydobycia surowców. Pomysł ten jest o tyle interesujący, że umożliwiłby wysyłanie krótkich misji załogowych oraz szybki i łatwy transport pozyskanych próbek do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, w której realizowano by prace badawcze w warunkach mikrograwitacji.

Szacunkowy koszt operacji sprowadzenia obiektu na orbitę okołoksiężycową jest jednak dosyć wysoki – może sięgnąć 2,6 miliarda dolarów.

Akces uczestnictwa w eksploracji asteroid zgłosiło już kilka firm prywatnych. Planetary Resources Inc. (PRI), ujawniła program rozwijania technologii, mający na celu wypracowanie właściwych technik górniczych pozwalających na łatwą i tanią eksploatacją odpowiednich obiektów kosmicznych. Program przewiduje uruchomienie na niskiej orbicie (LEO) sieci niewielkich i stosunkowo tanich teleskopów o nazwie Arkyd, które mają penetrować interesujące obszary Kosmosu, dokonując wstępnej analizy dostępnych asteroid. System taki ma być wyjątkowo odporny na awarie – usterka jednego z urządzeń nie będzie paraliżować pracy całego układu, ani wiązać się ze zbyt wysokimi kosztami jej usunięcia. Możliwe będzie nawet szybkie zastąpienia zniszczonej jednostki (nieudane starty). Szacuje się, iż koszt jednego teleskopu Arkyd będzie rzędu kilku milionów dolarów.

Ostateczne decyzje dotyczące wysłania maszyn górniczych do wyjątkowo obiecujących obiektów mają być jednak podejmowany na podstawie analiz dokonywanych w oparciu o bardziej zaawansowane modele teleskopów Arkyd.

Plany działań konkurencyjnej firmy Deep Space Industries (DSI) przewidują wyekspediowanie w kierunku asteroid tanich sond badawczych Firefly, których raporty dotyczące składu poszczególnych obiektów będą podstawą do wysłania w ich kierunku sond próbnikowych Dragonfly. Ich zadaniem będzie dostarczenie na Ziemię odpowiednich próbek kopalnianych. W oparciu o wyniki analiz tychże materiałów podejmowane będą decyzje eksploatacyjne. Działania górnicze prowadzone będą dzięki statkom wydobywczym Harvestors.

Długofalowe plany eksploatacyjne asteroid wymagają rozbudowanej infrastruktury orbitalnej: konieczności istnienia modułów serwisowych, produkcyjnych (części zamienne), stacji przeładunkowych, a przede wszystkim paliwowych. Dostarczanie paliwa jest jednym z niezbędnych warunków powodzenia tego typu przedsięwzięć. Paliwo ma procentowo największy udział w masie przewożonego ładunku. Jego transport z Ziemi byłby niewygodny i dosyć kosztowny, stąd pomysły produkcji paliwa w przestrzeni kosmicznej. Z tego względu w pierwszej kolejności eksploatowane byłyby asteroidy zawierające duże ilości lodu. Wodór i tlen, uzyskane dzięki elektrolizie, a służące do napędzania statków kosmicznych, byłyby wykorzystywane do produkcji paliwa zasilającego pojazdy przylatujące z Ziemi. Ich tankowanie odbywałoby się w stacjach orbitalnych.

Prawdziwym wyzwaniem wydają się być technologie górnicze. Nie istnieją bowiem żadne przetestowane metody wydobycia surowców przeprowadzone w warunkach przestrzeni kosmicznej.

Wszelkie wykorzystywane metody uwzględniają istnienie grawitacji. Dlatego program PRI w pierwszym okresie działalności przewiduje przesyłanie niewielkich próbek pozyskanych materiałów oraz doskonalenie technologii i redukcję kosztów w miarę upływu czasu.

Tymczasem w kwestii przetwarzania surowców i produkcji w warunkach nieważkości istnieją już pewne doświadczenia. Od lat na orbicie przeprowadzane są różne eksperymenty, np. związane z produkcją półprzewodników. Naturalna próżnia istniejąca w sytuacji orbitalnej jest tutaj sprzymierzeńcem tego rodzaju procesów technologicznych. Produkcja elektroniki, podzespołów i części zamiennych dla urządzeń pracujących w przestrzeni kosmicznej jest możliwa i ma ogromny potencjał. Dostosowanie ziemskich technologii do masowej produkcji układów elektronicznych w warunkach orbitalnych nie powinno przedstawiać zbytnich trudności i zrealizować się w niedalekiej przyszłości.

PRI określiło także harmonogram swoich działań górniczych. W pierwszej fazie z lodu (dzięki energii słonecznej) pozyskiwana będzie woda służąca do produkcji wodoru i tlenu – źródeł paliwa rakietowego. Wydobycie metali ma rozpocząć się od grupy platynowców. Transport na Ziemię innych metali, jak żelazo, kobalt czy nikiel może nie być opłacalny. Surowce te mogą jednak być wykorzystywane do budowy konstrukcji oraz maszyn w przestrzeni kosmicznej, co mogłoby redukować koszty prowadzenia działalności wydobywczej.

A skoro wspominamy już o kosztach…

Opłacalność

Szacuje się, iż gęstość metali rzadkich w asteroidach jest ok. 100 tys. razy większa niż pod skorupą Ziemi. Zatem nawet jeden średniej wielkości obiekt tego rodzaju potencjalnie mógłby mieć ogromną wartość. Oczywiście eksploatacja takich obiektów w warunkach przestrzeni kosmicznej musi być możliwa i opłacalna na masową skalę.

Tymczasem koszt dostarczonych na Ziemię laboratoryjnych ilości materiałów pobrane przez sondę Hayabusa wyniósł około 100 milionów dolarów, a planowana misja NASA OSIRIS-REx, przy kosztach około 1. miliarda ma pozyskać do badań od 60. do 2000. gramów próbek.

Nieco światła na ekonomiczną stronę przedsięwzięcia mogą rzucić szacowane koszty wspomnianej wyżej misji NASA – schwytanie i sprowadzeni niewielkiej asteroidy określone zostały na poziomie 2,6 miliarda dolarów. Przy założeniu masy obiektu w okolicach 500. ton, koszt 1. kg materiałów wynosiłby 5200 dolarów/kg. Jest to koszt zbliżony do tego jaki trzeba ponieść podczas wynoszenia ładunku na niską orbitę okołoziemską. Jest to oczywiście tylko część koniecznych nakładów. Obok transportu pozostają jeszcze kwestie stworzenia odpowiedniej infrastruktury, wydobycia i obróbki surowca.

W przypadku transportu gros kosztów zajmuje samo wystrzelenie rakiety. Konkurencja w sektorze prywatnym powoduje jednak systematyczną redukcję wydatków. Porozumienie zawarte pomiędzy PRI oraz Virgin Galactic w sprawie wynoszenia na orbitę teleskopów Arkyd oraz ewentualna możliwość korzystania także z rakiet należących do SpaceX, mogą formować koszty na poziomie około 50. dolarów za kilogram, co przy niewielkiej masie teleskopów kształtuje nakłady wystrzelenia jednego urządzenia na poziomie kliku tysięcy dolarów.

Obecnie trudno jest pokusić się o jakiekolwiek próby szacunkowego wyliczenia kosztów związanych z wydobyciem surowców w warunkach próżni i nieważkości. Teoretycznie warunki mikrograwitacji powinny sprzyjać niektórym etapom prac, np. tym związanym z transportem, jednak ze względu na brak doświadczeń trudno o jakiekolwiek spekulacje.

Jeśli zaś chodzi o energię, koszty jej pozyskania w przestrzeni kosmicznej ograniczają się w zasadzie do nakładów związanych z wytworzeniem paneli słonecznych, co przy rozwinięciu produkcji podzespołów elektronicznych w stacjach orbitalnych może je znacznie zredukować.

Należy także zdawać sobie sprawę z możliwości wpływu różnych rynkowych czynników na opłacalność przedsięwzięcia – wzrost podaży surowców w wyniku eksploatacji asteroid może doprowadzić do obniżenia ich cen, co przełoży się na ewentualne przyszłe zyski przedsiębiorców. Opieranie analiz biznesowych na współczesnych cenach kopalin nie jest więc miarodajne.

Reasumując

Pomysł eksploatacji asteroid wydaje się na pierwszy rzut oka ideą wyjętą z filmu science fiction, jednak z technologicznego punktu widzenia, jak widać, nie jest on wcale tak daleki od realizacji. Wdrożenie programów eksploracji tych obiektów może przynieść korzyści nie tylko inwestującym w kosmiczne górnictwo korporacjom. Powstanie i rozwój różnych nowych technologii związanych nie tylko z górniczą działalnością na asteroidach, jak również naukowe korzyści wynikające z działań penetrujących przestrzenie Kosmosu (katalogi obiektów przemierzających Układ Słoneczny poszerzą wiedzę na temat jego ewolucji) mogą mieć niebagatelne i wymierne znaczenie także dla innych sfer biznesu i nauki.