Satelita skarbów. Naturalne zasoby i bogactwa Księżyca
Dziś najbardziej kusi woda, którą widzimy na powierzchni, bo na temat tego, co jest głębiej, dane są niepełne i niepewne. Za pewnik dziś uznaje się obecność lodu w zacienionych kraterach okołobiegunowych. Szacuje się, że może go być nawet kilkaset milionów ton. Lód mógłby służyć jako źródło wody i tlenu dla przyszłych misji załogowych.
Wiadomo, że w skorupie i płaszczu Księżyca znajdują się izotopy promieniotwórcze, takie jak tor, czy uran. Mogą stanowić potencjalne źródło energii. Nie jest jednak pewne, jakie dokładnie są ich zasoby i czy są wydobywalne. NASA, prezentując niedawno wyniki badania instrumentem Mini-RF (Miniature Radio Frequency), który analizuje skład różnych rodzajów skał znajdujących się w licznych na Księżycu kraterach, poinformowała, że w większych kraterach skład podłoża jest bogatszy w metale. Może to oznaczać, że meteoryty uderzające mocniej w satelitę, wwiercające się głębiej w jego powierzchnię, docierały do ich bogatych złóż.
Księżycowym biznesem od razu po swoim powstaniu zainteresowała się np. Australijska Agencja Kosmiczna. Tamtejsze firmy górnicze mają duże doświadczenie i niezbędne know-how do prowadzenia działalności wydobywczej w trudno dostępnych i odległych okolicach. Znane są też z odważnego stosowania automatyzacji i autonomicznego transportu w kopalniach. To mogą być kluczowe technologie w księżycowym górnictwie. W opublikowanym kilka lat temu opracowaniu znana australijska firma górnicza Rio Tinto Group informuje o swoich badaniach nad technikami wydobywczymi pod kątem zastosowania ich w przestrzeni kosmicznej, a w szczególności nad wykorzystaniem autonomicznego fedrowania. Celem Australijczyków było wysłanie tam misji rekonesansowej w ciągu pięciu lat, z wykorzystaniem infrastruktury transportowej oferowanej przez firmy takie jak SpaceX. Jednak już wiadomo, że projekt ten przeciągnie się w czasie.
Europejska Agencja Kosmiczna ogłosiła z kolei, że planuje rozpocząć wydobycie wody na Księżycu w połowie następnej dekady. O wydobyciu wody (a dokładnie lodu wodnego) na Księżycu mówi się nie tylko w kontekście zaspokajania potrzeb ludzi rezydujących w ewentualnej bazie na Księżycu, ale również wykorzystania jej do produkcji paliwa rakietowego po hydrolitycznym rozbiciu jej na wodór i tlen. Są oczywiście też inne plany. NASA zapowiada sfinansowanie pomysłów małych firm, które pozwoliłyby stworzyć technologie sieci wodno-kanalizacyjnej odpowiedniej dla Księżyca.
Niedawno media doniosły, że polska firma Creotech Instruments zrealizuje dla ESA projekt Twardowski, fazę 0/A misji mapującej zasoby Księżyca. Celem projektu Twardowski jest zapewnienie precyzyjnych danych pozwalających na wykorzystanie pod koniec bieżącej dekady zasobów na powierzchni naturalnego satelity Ziemi. Creotech Instruments będzie odpowiedzialny za projektowanie całej misji i satelity opartego na autorskiej platformie mikrosatelitarnej HyperSat. Projekt zakłada umieszczenie platformy na orbicie Księżyca na wysokości ok. 100…300 km oraz możliwość zmieniania pozycji. Instrument badawczy zostanie wyposażony w trzy lub cztery detektory dla światła widzialnego, bliskiej, średniej i dalekiej podczerwieni. Otrzymane zdjęcia Księżyca w misji Twardowski mają być jednymi z najlepszych i najbardziej precyzyjnych z perspektywy obecnych planów podboju Srebrnego Globu. Pozostali konsorcjanci odpowiedzialni za ładunek optyczny to Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz Instytut Nauk Geologicznych PAN. Projekt rozpocznie się w styczniu 2024 roku i potrwa rok.
Amerykańska agencja wybrała firmę lotniczą Astrobotic, która ma zrealizować projekt lądowania pierwszego od prawie pół wieku amerykańskiego łazika księżycowego, robota, który ma poszukać tej wody, czyli lodu. Planowanym terminem misji był 2022 rok. Dziś zapowiada się start na późny 2024. Łazik księżycowy, nazwany VIPER, ma eksplorować okolice bieguna południowego Księżyca, gdzie w tym roku wylądował z powodzeniem i eksploruje indyjski Chandrayaan-3. Znalezienie wody może pomóc w utworzeniu tam stałej bazy. NASA planuje zbudować pierwsze globalne udokładnione mapy zasobów wodnych księżyca na bazie danych z łazika. Mapy te będą kluczowe w planowaniu i budowie bazy księżycowej. „Od czasu potwierdzenia istnienia lodu wodnego na Księżycu ponad dekadę temu pytanie brzmi, czy Księżyc może rzeczywiście zawierać zasoby, których potrzebujemy w takiej ilości, abyśmy mogli tam przetrwać”, powiedział w komunikacie Daniel Andrews, szef projektu misji. „Ten łazik pomoże nam odpowiedzieć na wiele pytań o to, gdzie jest woda i ile jest dla nas do wykorzystania”.
Przyszła amerykańska wodno-paliwowa infrastruktura na Księżycu tworzona jest w dużym stopniu z myślą o wysłaniu w późniejszym terminie astronautów na Marsa. Jednak stała baza może służyć też do innych celów np. jako punkt wyjścia do poszukiwań i wydobycia surowców, a w miarę rozwoju być może jako miejsce docelowe dla księżycowych turystów. Baza księżycowa mogłaby umożliwić NASA oczywiście także budowę radioteleskopów lub innego sprzętu obserwacyjnego, z dala od zakłóceń typowych dla naszej planety i jej gęstej atmosfery. „Stała ludzka stacja badawcza na Księżycu jest logicznym krokiem. To tylko trzy dni drogi stąd”, mówił Chris Hadfield, znany astronauta w rozmowie z „Business Insider”.
Nie ma życia, nie ma tektoniki, ale to nie znaczy, że nic nie ma
Na Księżycu nie ma tektoniki płyt, która w długich przedziałach czasowych odpowiada za procesy topienia i rekrystalizacji skał. Na Ziemi powolne chłodzenie pozwala różnym minerałom na krystalizację w różnych temperaturach. Na Księżycu raczej nie można na te procesy liczyć. Nie ma też tam wiatru i wody, które erodowałyby skały i sortowały różne substancje z materiału skalnego. Nie ma cieków gruntowych, które rozpuszczałyby minerały w jednym miejscu i wytrącały je w innym. Nie ma tlenu, który mógłby chemicznie atakować różne minerały. Nie ma oceanów, które wytrącałyby minerały i zmieniały ich skład chemiczny. Nie ma życia, które tworzyłoby węglowodory. Krótko mówiąc, na Księżycu nie zachodzi żaden z procesów, które na Ziemi prowadzą do powstania złóż rudy, ropy naftowej, pokładów węgla, warstw soli, pokładów wapienia lub innych użytecznych zasobów. Jest to martwy świat, w którym nie zmieniło się wiele od czasów, gdy Księżyc powstawał.
Nie znaczy to jednak, że zupełnie nie ma tam procesów, które mogły stworzyć interesujące zasoby. Metaliczne asteroidy rozbijały się przez miliony i miliardy lat o jego powierzchnię, w wyniku czego wokół niektórych kraterów powstały maskony, skupiska masy o gęstości większej niż przeciętna a zarazem obszary o zwiększonej grawitacji. Mogą być interesujące górniczo ze względu na zawartość metali. Znany medialnie izotop hel-3 (³He) gromadził się tam w warunkach niskich poziomów wiatru słonecznego. Woda w postaci lodu zgromadziła się tam również prawdopodobnie wskutek impaktów, tym razem kometarnych, w strefach biegunów, zwłaszcza południowego. Jest jej też mnóstwo w postaci drobin zmieszanych z regolitem - ta jednak jest trudniejsza do pozyskania niż bloki lodowe.
Wiedza na temat zasobów księżycowych uzyskana została dzięki misjom orbitalnym (2) i misjom z lądowaniem, pobraniem i przywiezieniem z powrotem na Ziemię próbek. Jednakże nie jest jeszcze wystarczająca, aby w pełni uzasadnić zaangażowanie dużych zasobów finansowych w misję wydobywczą. Potrzebne jest określenie wielkości i dostępności zasobów, które następnie zdeterminuje lokalizacje baz i infrastruktury.
Źródło dane z satelitów NASA GSFC USGS. Zdjęcie: https://pl.m.wikipedia.org/
W 2009 roku NASA potwierdziła, że na Księżycu znajduje się woda w formie lodu w kraterze Cabeus 2. W trakcie dalszych badań ustalono, że łączny obszar trwale zacienionej powierzchni Księżyca wynosi 13 361 km² na półkuli północnej i 17 698 km² na półkuli południowej, co daje łączną powierzchnię 31 059 km². Zakres, w jakim którykolwiek lub wszystkie z tych trwale zacienionych obszarów zawierają lód wodny i inne substancje lotne, nie jest obecnie znany, więc potrzeba więcej danych na temat złóż lodu księżycowego, jego rozmieszczenia, stężenia, ilości, głębokości, właściwości geotechnicznych i wszelkich innych cech niezbędnych do zaprojektowania i opracowania systemów wydobywczych i przetwórczych. Przeprowadzone w sposób zaplanowany uderzenie orbitera LCROSS w krater Cabeus było monitorowane w celu analizy powstałego pióropusza odłamków i stwierdzono, że lód wodny musi występować w postaci małych (<~10 cm) kawałków rozmieszczonych w regolicie lub jako cienka powłoka na powierzchniach skał. Obserwacje te, w połączeniu z obserwacjami radarowymi, sugerują, że lód wodny obecny w stale zacienionych regionach księżycowych kraterów polarnych raczej nie występuje w postaci grubych, czystych złóż czy też masywnych brył. Woda mogła zostać dostarczona na Księżyc w geologicznych skalach czasowych przez regularne bombardowanie wodonośnymi kometami, asteroidami i meteoroidami lub stale wytwarzana na miejscu przez jony wodoru (protony) wiatru słonecznego uderzające w minerały zawierające tlen.
Cząsteczki wody (H2O) można rozłożyć na pierwiastki, a mianowicie wodór i tlen, tworząc wodór cząsteczkowy (H2) i tlen cząsteczkowy (O2), które mogą być wykorzystane jako paliwo rakietowe lub do produkcji związków dla procesów metalurgicznych i chemicznych. Są nawet oszacowania, że można by na Księżycu produkować do 450 ton metrycznych paliwa rocznie, co odpowiada 2450 tonom metrycznym przetworzonej wody księżycowej, o wartości 2,4 miliarda dolarów.
Surowce księżycowe mogłyby ułatwić dalszą eksplorację samego Księżyca, ułatwić działalność naukową i gospodarczą w przestrzeni w pobliżu zarówno Ziemi, jak i Księżyca (tzw. przestrzeń cislunarna). Mogłyby też być importowane na powierzchnię Ziemi, jednak głównym pytaniem jest pytanie o opłacalność. Sens może mieć sprowadzanie tych surowców i bogactw, które na Ziemi są rzadkie lub rzadsze niż na Księżycu, np. choćby wspomnianego helu-3, którego na naszym satelicie jest prawdopodobnie o rząd wielkości więcej niż na naszej planecie.
Księżyc potrzebuje energii i może dać energię
Najłatwiejszym do pozyskania surowcem na Księżycu jest gleba księżycowa, czyli regolit. Może przydać się jako materiał budowlany, pokrywa czy też warstwa chroniąca habitaty dla ludzi i sprzętu przed promieniowaniem i mikrometeoroidami. W niektórych projektach wspomina się o wykorzystaniu regolitu księżycowego jako surowca do produkcji materiału do budowlanych drukarek 3D lub też przetapianiu go na bardziej zwarte i twardsze materiały konstrukcyjne.
Wiadomo, że Księżyc jest ubogi w węgiel i azot, a bogaty w metale i tlen atomowy. Jednak ich dokładna dystrybucja jest nadal nieznana. Na Księżycu występuje w ilościach wstępnie szacowanych na atrakcyjne z punktu widzenia użyteczności, m.in. wodór (H), tlen (O), krzem (Si), żelazo (Fe), magnez (Mg), wapń (Ca), glin (Al), mangan (Mn) i tytan (Ti). Do najbardziej rozpowszechnionych należą tlen, żelazo i krzem. Zawartość tlenu atomowego w regolicie szacuje się na 45 proc. wagowych.
W rejonie księżycowego bieguna południowego występuje szereg kraterów wystawionymi na niemal ciągłe oświetlenie słoneczne, zaś wnętrze tych kraterów jest stale zacienione i zachowuje znaczne ilości lodu wodnego. Gdyby umieścić księżycowy zakład przetwarzania zasobów w pobliżu księżycowego bieguna południowego, energia elektryczna generowana przez Słońce teoretycznie w sposób ciągły pozwoliłaby na eksploatację i przetwarzanie zasobów wody z lokalnego lodu. Teoretycznie, gdyby udało się przenieść tam odpowiednie instalacje techniczne, ogniwa słoneczne mogłyby być wytwarzane na miejscu przy wykorzystaniu choćby krzemu z regolitu. Potrzebne byłyby też roboty do rozmieszczania paneli na podłożu, montowania, tworzenia złączek itd. Przy znanych nam metodach proces ten wymagałby jednak importu fluorku potasu z Ziemi, potrzebnego do oczyszczenia niezbędnych materiałów z regolitu.
Ilość energii generowanej ze Słońca może okazać się jednak niewystarczająca dla potrzeb księżycowej gospodarki. Poza tym energia będzie potrzebna, zanim uda się zbudować tam farmy słoneczne. Mogłaby przyjść w sukurs energia jądrowa, którą produkowałyby niewielkie reaktory takie jak budowany od lat w NASA Kilopower. Optymalnie byłoby używać doń paliwa z Księżyca, z wydobytego tam uranu lub toru, o których była już mowa. Jednak, ponieważ minerały na paliwa jądrowe muszą być wzbogacone, może okazać się, że bardziej opłacalne jest importowanie ich z Ziemi niż wytwarzanie na miejscu. Lokalizacja księżycowa mogłaby być za to ciekawą alternatywą jako miejsce przetwarzania zużytego paliwa jądrowego i wytwarzania nowych paliw np. dla radioizotopowych generatorów termoelektrycznych (RTG) przydatnych w misjach kosmicznych. Izotopy takie jak pluton-238 lub stront-90 mogą być produkowane na Księżycu, jeśli obecne są surowce, takie jak zużyte paliwo jądrowe (dostarczone z Ziemi do przetworzenia lub wyprodukowane przez lokalne reaktory rozszczepienia). Izotopy stosowane w RTG uznawane są niebezpieczne i uciążliwe dla środowiska, zatem Księżyc może okazać się pożądanym miejscem ich produkcji i składowania.
Wspomniany izotop hel-3, choć często wymieniany w publikacjach, w rzeczywistości jest bardziej teoretycznym niż rzeczywistym zasobem księżycowym. Nie dlatego, że go nie ma, lecz ze względu na to, że technika syntezy termojądrowej, w której miałby zostać wykorzystany do produkcji energii, jeszcze nie istnieje jako praktyczne i komercyjne rozwiązanie. Według jednego z szacunków, wiatr słoneczny zdeponował ponad milion ton helu-3 (³He) na powierzchni Księżyca. Materiały na powierzchni Księżyca zawierają hel-3 w stężeniach szacowanych na 1,4 do 15 części na miliard (ppb) w obszarach oświetlonych słońcem i mogą zawierać stężenia nawet do 50 ppb w regionach stale zacienionych. Dla porównania, hel-3 na Ziemi występuje w stężeniu 7,2 części na bilion.
Eksploatację księżycowego regolitu i wykorzystanie helu-3 do syntezy jądrowej zaproponowano już w latach 80. XX wieku. Pomijając już problem braku techniki produkcji energii z wykorzystaniem tego izotopu, samo jego wydobycie byłoby nie lada wyzwaniem. Ze względu na niskie stężenia helu-3 sprzęt górniczy musiałby wydobywać bardzo duże ilości regolitu. Według jednego z szacunków, aby uzyskać 1 gram helu-3, należy przetworzyć ponad 150 ton regolitu.
Czego jest obfitość a czego ilości śladowe
Tlen na Księżycu często występuje w bogatych w żelazo minerałach księżycowych i szkłach jako tlenek żelaza. To głównie ilmenit, oliwin, piroksen, szkło uderzeniowe i szkło wulkaniczne. Opisano co najmniej dwadzieścia różnych możliwych procesów ekstrakcji tlenu z regolitu księżycowego. Wszystkie wymagają dużego nakładu energii, od 6 do 12×1013 J do wyprodukowania tysiąca ton tlenu. Przykładem metody produkcji tlenu z gleby księżycowej jest dwuetapowy proces obejmujący redukcję tlenku żelaza za pomocą wodoru (H2), co tworzy żelazo pierwiastkowe (Fe) i wodę (H2O) a następnie poddanie wody elektrolizie w celu wytworzenia tlenu, który może być skroplony w niskich temperaturach i przechowywany. Ilość uwalnianego tlenu zależy od zawartości tlenku żelaza w księżycowych minerałach i szkle.
Zbocza na powierzchni Księżyca zwrócone w stronę jego biegunów wykazują wyższe stężenie wodoru. Dzieje się tak, ponieważ stoki zwrócone w stronę biegunów mają mniejszą ekspozycję na światło słoneczne, które spowoduje odparowanie wodoru. Dodatkowo, zbocza znajdujące się bliżej biegunów Księżyca wykazują wyższe stężenie wodoru wynoszące około 45 milionowych części w ujęciu wagowym (ppmw). Wodór byłby potrzebny do produkcji materiałów pędnych i ma wiele zastosowań przemysłowych. Na przykład, może być wykorzystywany do produkcji tlenu poprzez redukcję ilmenitu wodorem.
Badania z Apollo 17 Lunar Atmospheric Composition Experiment (LACE) pokazują, że księżycowa egzosfera zawiera śladowe ilości wodoru (H2), helu (He), argonu (Ar) i prawdopodobnie amoniaku (NH3), dwutlenku węgla (CO2) i metanu (CH4). Obecność tych gazów w śladowych ilościach na Księżycu może wynikać z wysokoenergetycznych fotonów lub wiatrów słonecznych reagujących z materiałami na powierzchni Księżyca, parowania regolitu księżycowego, osadów materiału z komet i meteoroidów oraz odgazowywania z wnętrza Księżyca. Są to jednak gazy śladowe o bardzo niskim stężeniu. Całkowita masa egzosfery Księżyca wynosi około 25 000 kilogramów przy ciśnieniu powierzchniowym 3×10–15 bara. Jest mało prawdopodobne, aby śladowe ilości gazu były przydatne do wykorzystania.
Żelazo (Fe) występuje obficie we wszystkich bazaltach mórz księżycowych (~14…17 proc. wagowo), ale jest związane głównie w minerałach krzemianowych (tj. piroksen i oliwin) oraz w minerale tlenkowym ilmenicie. Wydobycie tych minerałów byłoby dość energochłonne. Alternatywnym źródłem tego metalu mogłyby być przetrwałe szczątki meteorytowe bogate w żelazo. Podejrzewa się, że niektóre księżycowe anomalie magnetyczne są spowodowane obecnością materiału żelaznego z meteorytów. Trzeba to jednak niestety zbadać na miejscu. Na Księżycu znaleziono m.in. hematyt, minerał składający się z tlenku żelaza (Fe2O3). Minerał ten jest produktem reakcji żelaza, tlenu i ciekłej wody. Jak się podejrzewa, powstał on z udziałem tlenu pochodzącego z ziemskiej atmosfery. Wolne żelazo występuje również w regolicie (0,5 proc. wagowo). W postaci naturalnie stopionej z niklem i kobaltem może być łatwo wydobyte ze zmielonego regolitu za pomocą prostych magnesów. Pył żelazny może służyć do produkcji części przy użyciu technik metalurgii proszków, także addytywnych, druku 3D, selektywnego spiekania i topienia laserowego (SLS, SLM) i topienia wiązką elektronów (EBM).
Cenny na ziemi metal tytan (Ti), na Księżycu występuje prawie w całości w minerale zwanym ilmenitem (FeTiO3). Minerał ilmenit (7) wychwytuje również wodór (protony) z wiatru słonecznego, dzięki czemu przetwarzanie ilmenitu mogłoby posłużyć też do wytwarzania wodoru. Stwierdzono m.in. że rozległe bazalty Morza Spokoju mają jedne z najwyższych zawartości tytanu na Księżycu, zawierając dziesięć razy więcej tytanu niż skały na Ziemi.
Użyteczny w rozlicznych zastosowaniach metal aluminium (Al) występuje na Księżycu w minerale zwanym anortytem (CaAl2Si2O8), w stężeniu 10…18 proc. wagowych. Aluminium jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, a rozpylony proszek aluminiowy może być stałym paliwem rakietowym spalanym z tlenem. Ekstrakcja aluminium wymagałaby rozbicia skał magmowych (plagioklazu).
Wapń (Ca) jest czwartym najobficiej występującym pierwiastkiem na księżycowych wyżynach, obecnym we wspominanym już anortycie. Minerał ten jest rzadki na Ziemi, ale obficie występuje na Księżycu. Tlenki wapnia i krzemiany wapnia mogą posłużyć w ceramice budowlanej i nie tylko. Ciekawą perspektywą właśnie na Księżycu jest wapń metaliczny. To elastyczny materiał i doskonały przewodnik elektryczny w warunkach beztlenowych. Wapń może być również wykorzystywany do produkcji ogniw słonecznych opartych na krzemie, razem z księżycowym żelazem, tlenkiem tytanu i aluminium.
Magnez (Mg) jest obecny w magmach oraz w księżycowych minerałach piroksenie i oliwinie. Podejrzewa się, że w większej obfitości występuje w dolnej części skorupy księżycowej. Magnez ma wiele zastosowań w stopach, np. w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i elektronicznym.
Obficie na Księżycu występuje, co nie jest chyba niespodzianką, krzem (Si), w stężeniu około 20 proc. wagi. Mógłby, jak wspomniano, posłużyć do produkcji paneli słonecznych a także szkła, włókna szklanego i różnych przydatnych materiałów ceramicznych. Jeśli chodzi o produkcję na miejscu materiałów półprzewodnikowych, to osiągnięcie wymaganej wysokiej czystości byłoby wyzwaniem, zwłaszcza w środowisku księżycowym.
Węgiel i azot byłyby wymagane do działalności rolniczej w zamkniętej biosferze. Niestety nie są na Księżycu zbyt obfite. Węgiel (C) byłby wymagany do produkcji księżycowej stali, ale jest on obecny w księżycowym regolicie w śladowych ilościach (82 części na milion). Do jego niskiej zawartości przyczynia się wiatr słoneczny i uderzenia mikrometeorytów. Stale zacienione regiony biegunów Księżyca mają zimne pułapki, które prawdopodobnie zawierają dwutlenek węgla w postaci lodowej. Jednak większość lodu zawierającego węgiel ma stężenie węgla na poziomie wagowym do 3 proc. Również azot (N), jak wynika z pomiarów w próbkach gleby przywiezionych na Ziemię, występuje w śladowych ilościach poniżej 5 ppm.
Ambitne górnicze plany i problemy, których ziemskie kopalnictwo nie zna
Rozwój gospodarki księżycowej będzie wymagał znacznej ilości infrastruktury na powierzchni Księżyca, której rozwój będzie w dużej mierze zależał od technologii wykorzystania zasobów na miejscu. Jednym z podstawowych wymagań będzie zapewnienie materiałów budowlanych do budowy siedlisk, zasobników, lądowisk, dróg i innej infrastruktury. Nieprzetworzona gleba księżycowa może zostać przekształcona w użyteczne elementy konstrukcyjne za pomocą wspominanych już technik. Według badań, wytrzymałość materiału regolitowego może zostać drastycznie zwiększona dzięki zastosowaniu włókna szklanego pozyskanego m.in. z bazaltów księżycowych. Na Ziemi przeprowadzono udane testy z wykorzystaniem niektórych symulantów regolitu księżycowego, w tym MLS-1 i MLS-2. Gleba księżycowa może być też mieszana z nanorurkami węglowymi i żywicami epoksydowymi w konstrukcji zwierciadeł teleskopów o średnicy do 50 metrów.
Niektóre propozycje sugerują zbudowanie księżycowej bazy na powierzchni przy użyciu modułów przywiezionych z Ziemi i pokrycie ich księżycową glebą. Gleba księżycowa składa się z mieszanki krzemionki i związków zawierających żelazo, które można stopić w ciało stałe podobne do szkła za pomocą promieniowania mikrofalowego.
Rozległe księżycowe morza składają się z bazaltowych strumieni lawy. Ich mineralogia jest zdominowana przez kombinację pięciu minerałów: wspominanych anortytów i ilmenitu, a także ortopiroksenów ((Mg,Fe)SiO3), klinopiroksenów (Ca(Fe,Mg) Si2O6), oliwinów ((Mg,Fe)2SiO4). Pojawiła się propozycja, żeby zbudować na Księżycu huty przetwarzające skałę bazaltową w celu rozbicia jej na czysty wapń, aluminium, tlen, żelazo, tytan, magnez i szkło krzemionkowe. Europejska Agencja Kosmiczna przyznała firmie Metalysis fundusze w 2020 r. na dalszy rozwój procesu FFC Cambridge w celu ekstrakcji tytanu z regolitu przy jednoczesnym wytwarzaniu tlenu jako produktu ubocznego. Surowy księżycowy anortyt mógłby być również wykorzystywany do produkcji włókna szklanego i innych produktów ceramicznych.
Europejska Agencja Kosmiczna, współpracując od 2013 roku z niezależną firmą architektoniczną, przetestowała wydrukowaną w 3D strukturę, która mogłaby zostać zbudowana z regolitu księżycowego do wykorzystania jako baza księżycowa. Wydrukowana w 3D gleba księżycowa zapewniłaby izolację przed promieniowaniem, jak i temperaturą. Wewnątrz lekki habitat nadmuchiwany pod ciśnieniem w kształcie kopuły byłby środowiskiem życia dla ludzi na Księżycu. NASA sfinansowała z kolei badanie techniki druku 3D Contour Crafting. Potencjalne jej zastosowania to konstruowanie struktur księżycowych z materiału, który mógłby składać się w 90 procentach z materiału księżycowego. NASA przygląda się również innej technice, która przewiduje spiekanie pyłu księżycowego przy użyciu promieniowania mikrofalowego o niskiej mocy (1500 watów). Materiał księżycowy zostałby związany poprzez podgrzanie do temperatury od 1200 do 1500°C, w celu stopienia pyłu w stały blok przypominający ceramikę. Do tego potrzeba jednak energii.
W grupie firm, którym NASA przyznała granty na badania, jest Pioneer Astronautics, która zapowiadała wydobycie księżycowego regolitu i przetwarzanie go w użyteczny tlen. Naukowcy szacują, że grubość warstwy księżycowego regolitu sięga w niektórych miejscach 4…5 metrów pod powierzchnię, a w starszych obszarach górskich nawet do 15 metrów.
Wydobywanie regolitu i pozyskiwanie zeń tlenu to dwa odrębne zadania. O ile przetwarzanie np. wody, o której wiemy, że jest jej pod postacią lodu sporo w glebie księżycowej, to problem głównie energetyczny i wspomniane reaktory przewiezione z Ziemi mogą tu bardzo się przydać, o tyle wykopywanie i transportowanie mas urobku to górnictwo, które oczywiście wymaga energii, ale w warunkach, w których nie ma takiego ciążenia i atmosfery jak na Ziemi, napotyka nieznane na naszej planecie problemy; np. wiemy, że różnego rodzaju świdry czy inne narzędzia robocze nagrzewają się podczas pracy. W warunkach ziemskiej atmosfery chłodzi je do pewnego stopnia powietrze, choć można też użyć różnego rodzaju chłodziw. Bez atmosfery rozgrzane części metalowe nie mają do czego oddać ciepła. Można to rozwiązać częściowo zamkniętymi układami chłodzenia, ale muszą one być bardziej skomplikowane. I w końcu tak czy inaczej ostrza i nabieraki muszą mieć zewnętrzny kontakt z materiałem wydobywanym. Innym problemem, dość oczywistym przy pracach wydobywczych przy zastosowaniu dużej mocy i nakładu energii, jest wyrzucanie kopanego materiału w warunkach braku lub słabej grawitacji. Chmury gruzu i pyłu nie opadają tak łatwo i szybko na Księżycu, na asteroidach zaś właściwie wcale. Oznacza to, że wszelka kosmiczna górnicza działalność będzie musiała stosować dodatkowe systemy zabezpieczania terenów wydobycia, znaleźć sposób na chłodzenie i konserwację sprzętu, w warunkach, które z górnictwem ziemskim nie mają wiele wspólnego.
Wyścig po księżycowe skarby
Skład powierzchni Księżyca był analizowany przez liczne sondy i aparaty badawcze, orbitalne i lądujące na powierzchni. Najbardziej znane misje to Clementine, Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS), orbiter Artemis, SELENE, Lunar Prospector, Chandrayaan i Chang’e. Już ponad pół wieku temu sowiecka Luna i amerykański program Apollo dały nam fizyczne próbki księżycowe w celu przeprowadzenia obszernych analiz.
Ostatnia dekada to spory wzrost księżycowej aktywności Chin. Ten program to stopniowy rozwój technik i poszukiwanie zasobów dla misji załogowej, przewidywanej na lata 30. Osiągnięcia Chińczyków z ostatnich lat to udane lądowanie i eksploracja przez sondę Chang’e 4 niewidocznej z Ziemi strony Księżyca oraz przetransportowanie próbek regolitu na Ziemię w misji Chang’e 5.
Stany Zjednoczone badają Księżyc od dziesięcioleci. Jednak od 2019 r. prawdopodobnie pod wpływem sukcesów chińskich zdają się przyspieszać. Rozpoczęły np. wdrażanie komercyjnych usług Lunar Payload Services w celu wsparcia załogowego programu Artemis, którego celem jest zwiad i eksploatacja zasobów księżycowych w celu ułatwienia długoterminowej bazy załogowej na Księżycu, a następnie, w zależności od wy-ciągniętych wniosków, przejście do załogowej misji na Marsa. Instrumenty, które miały polecieć na Księżyc w misji łazika Resource Prospector, który miał zostać wystrzelony w 2022 roku, ale został odwołany, polecą w ramach misji Commercial Lunar Payload Services, który ma na celu skupienie się na testowaniu różnych procesów do przeprowadzenia na miejscu na Księżycu poprzez lądowanie kilku ładunków na wielu komercyjnych robotycznych lądownikach i łazikach.
Udane lądowanie w sierpniu 2023 roku sondy Chandrayaan-3 w pobliżu południowego, szczególnie interesującego, bieguna Księżyca i dalsza eksploracja terenu przez łazik sprawiły, że do gry o obecność na satelicie i dostęp do zasobów weszły też Indie. Kraj ten mówi o założeniu stałej bazy w 2047 roku.
Nie można, mówiąc o planach eksploatacji skarbów Księżyca, nie wspomnieć o fali start-upów księżycowych, które pojawiają się od początku ubiegłej dekady. To m.in. Shackleton Energy Company, Deep Space Industries, Planetoid Mines, Golden Spike Company, Planetary Resources, Astrobotic Technology i Moon Express, które planowały prywatne komercyjne przedsięwzięcia zwiadowcze i wydobywcze na Księżycu. Losy tych projektów są zróżnicowane. Nie wszystkie zostały porzucone.
Wydobywać chyba wolno - zawłaszczać już nie, czyli mętlik prawny
Plany planami, jednak co do zasady status prawny wydobycia zasobów kosmicznych w świetle przepisów jest niejasny i kontrowersyjny. Roszczenia dotyczące wydobycia na Księżycu należą do szarej strefy prawa międzynarodowego. Pięć traktatów i porozumień międzynarodowego prawa kosmicznego przewiduje, ujmując to zbiorczo: niezawłaszczanie przestrzeni kosmicznej przez żaden kraj, kontrolę zbrojeń, wolność eksploracji, odpowiedzialność za szkody wyrządzone przez obiekty kosmiczne, bezpieczeństwo i ratowanie statków kosmicznych i astronautów, zapobieganie szkodliwym ingerencjom w działalność kosmiczną i środowisko, powiadamianie i rejestrację działalności kosmicznej, badania naukowe i eksploatację zasobów naturalnych w przestrzeni kosmicznej zgodnie z normami prawa oraz rozstrzyganie sporów w sposób pokojowy.
Zawarte jest to przede wszystkim w Traktacie o przestrzeni kosmicznej (OST) z 1967 r., który został ratyfikowany przez Rosję, Chiny i Stany Zjednoczone i wiele innych krajów. W OST nie ma precyzyjnych wytycznych dla nowszych projektów kosmicznych, takich jak wydobycie bogactw z Księżyca i asteroid. Pozostaje kwestią sporną, czy wydobycie zasobów mieści się w pojęciu zakazu zawłaszczania, czy przepisy coś mówią o komercyjnym wykorzystaniu i eksploatacji. W stanowisku Międzynarodowego Instytutu Prawa Kosmicznego (ISSL), wydanym w 2015 r. czytamy, że „w świetle braku wyraźnego zakazu pobierania zasobów w Traktacie o przestrzeni kosmicznej można stwierdzić, że korzystanie z zasobów kosmicznych jest dozwolone”.
W aktach prawnych dotyczących przestrzeni kosmicznej, których jest jeszcze kilka, znajdujemy m.in. takie stwierdzenia, że przestrzeń kosmiczna, łącznie z Księżycem i innymi ciałami niebieskimi, nie podlega zawłaszczeniu przez państwa ani poprzez ogłoszenie suwerenności, ani w drodze użytkowania lub okupacji, ani w jakikolwiek inny sposób. W odniesieniu do górnictwa kosmicznego szczególne znaczenie ma art. 11 „porozumienia księżycowego” z 1979 r., zgodnie z którym Księżyc i jego zasoby są wspólnym dziedzictwem ludzkości. Na mocy tego traktatu ustanowiono zakaz pozyskiwania zasobów mineralnych znajdujących się na Księżycu i innych ciałach niebieskich, przy czym zakaz ten powinien obowiązywać do czasu stworzenia przez wspólnotę międzynarodową reguł eksploatacji i wykorzystania tych zasobów. Jednak układu tego nie ratyfikowały ani USA, ani żadne inne znaczące w eksploracji kosmosu państwa. Zatem w praktyce ma on niewielkie lub żadne znaczenie w prawie międzynarodowym
Międzynarodowe konwencje są jednak dość bezceremonialnie traktowane przez państwa, które widzą w górnictwie kosmicznym szansę na realne zyski. Dobitnie o tym świadczą uchwalone w ostatnich latach aktyw prawne w USA i w Luksemburgu. W 2015 r. prezydent USA, Barack Obama, podpisał ustawę o zapewnieniu konkurencji w obszarze usług wynoszenia obiektów w przestrzeń kosmiczną - „Commercial Space Launch Competitiveness Act”. Na mocy tych przepisów polowanie na zasoby jest legalne dla obywateli USA, niektórzy eksperci twierdzą, że może to naruszać Traktat o przestrzeni kosmicznej. Przepisy powstałe w Luksemburgu mają podobny charakter. Ustawa amerykańska, a następnie luksemburska są oczywiście szeroko krytykowane, zwłaszcza przez Rosje i Chiny (które same mają plany eksploatacji tych bogactw). W końcu podobne krajowe przepisy legalizujące pozaziemskie korzystanie z zasobów zostały wprowadzone przez szereg kolejnych krajów, m.in. Japonię, Chiny, Indie i Rosję. Wywołało to kolejne międzynarodowe kontrowersje prawne dotyczące praw do wydobycia w celach zarobkowych. W kwietniu 2020 r. prezydent USA Donald Trump podpisał dekret wykonawczy wspierający wydobycie na Księżycu.
Głównym powodem kontrowersji stało się prawo własności do surowców mineralnych wydobytych na Księżycu i innych ciałach niebieskich. Sama dopuszczalność prowadzenia działalności wydobywczej nie budzi bowiem kontrowersji. Podstawową zasadą w układach kosmicznych jest zasada wolności badania i użytkowania przestrzeni kosmicznej, łącznie z Księżycem i innymi ciałami niebieskimi, przez wszystkie państwa bez jakiejkolwiek dyskryminacji, na zasadzie równości i zgodnie z prawem międzynarodowym. Dostęp do wszystkich obszarów ciał niebieskich jest zatem wolny, pod warunkiem że badanie i użytkowanie przestrzeni kosmicznej jest prowadzone lub wykonywane dla dobra i w interesie wszystkich państw, niezależnie od stopnia ich rozwoju gospodarczego czy naukowego. To oczywiście teoria.
Ostatnia próba zdefiniowania akceptowalnych szczegółowych zasad eksploatacji zakończyła się w 2018 r., po tym jak S. Neil Hosenball, który jest głównym radcą prawnym NASA i głównym amerykańskim negocjatorem regulacji dotyczących Księżyca, orzekł, że negocjacje w sprawie zasad wydobycia na Księżycu powinny zostać wstrzymane do czasu ustalenia wykonalności eksploatacji tamtejszych zasobów.
Traktat o przestrzeni kosmicznej mówi, że przestrzeń kosmiczna i ciała niebieskie nie mogą być przedmiotem roszczeń państw, ale nie jest jasne, jak te przepisy miałyby się do prywatnych firm. Amerykańska ustawa z 2015 r. nie pozwala na roszczenia terytorialne. Ale skoro państwa mówią o lądowaniu na takich miejscach jak Księżyc i Mars, nie jest jasne, jakie prawa do eksploatacji i prawa własności miałyby zastosowanie. Niektórzy sugerują, że wzorem do naśladowania mogłaby być Antarktyda, terytorium nienależące do żadnego narodu i wykorzystywane głównie do celów naukowych, ale nie wszyscy się z tym zgadzają.
Zostańmy tam na stałe, to i wydobycie się opłaci
Dlaczego nikt jeszcze nie wydobywa skarbów Księżyca (10)? Odpowiedź jest prosta - jest to niesamowicie drogie. Próbki pobrane z Księżyca w wyniku misji Apollo są wyceniane na 300 000 000 dolarów za kilogram. Nie brakuje opinii sceptycznych wobec planów górnictwa na Księżycu w ogóle. Według międzynarodowego zespołu naukowców kierowanego przez Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), na Księżycu może nie być wystarczającej ilości zasobów.
Na Księżycu nie ma niczego, czego nie mielibyśmy już na Ziemi, więc wydobywanie na Księżycu, zwłaszcza tego, co występuje relatywnie obficie na Ziemi, po to, by sprowadzać to na naszą planetę, ma niewielki sens ekonomiczny. Ekonomia ta się zmienia, gdy mówimy o oszczędzaniu na kosztach transportu surowców i materiałów z Ziemi, gdy na Księżycu są potrzebne. Na razie jednak, po wliczeniu wszystkich kosztów, czyli budowy infrastruktury, misji serwisowych, utrzymania infrastruktury, wciąż tańsze (choć przecież nad wyraz drogie) jest sprowadzanie tego wszystkiego na Księżyc lotami kosmicznymi.
Entuzjaści wierzą, że to się zmieni, gdy wreszcie pobudujemy się na Księżycu, zaczniemy tam przebywać na stałe, obejmując go zasięgiem ludzkiej cywilizacji. Wtedy po tamtejsze zasoby warto będzie sięgnąć.
Mirosław Usidus
