• Analýzy
  • Dlouhé čtení
  • 16. července 2020

Blíží se doba těžby ve vesmíru. Může pomoci vyřešit i problémy na naší planetě.

Petr Boháček / Úvodní obrázek: spacefactor.com
Těžba vesmírných zdrojů by mohla významně přispět k udržitelnému rozvoji a možná i samotnému přežití lidstva. Začít by mohla na Měsíci, v cestě jí ale dosud stojí řada nejen technologických překážek.

Pokud bychom si představili těžbu ve vesmíru jako na úvodním obrázku, tak bychom konečně mohli zavřít nesmyslný lom Bílina a vyslat těžaře na Měsíc. Havíři by se rekvalifikovali na kosmonauty a vyřešila by se spousta problémů. A po vzoru coloradské Školy těžby, která si po 150 letech od založení ve městě Golden coby centru zlaté horečky otevřela první studijní obor těžby ve vesmíru, by se mohla Vysoká škola báňská v Ostravě stát druhou univerzitou se zaměřením na vesmírné těžařství.

Přestože jde o nadsázku, Česká republika má ve skutečnosti pro těžbu ve vesmíru řadu kapacit a předpokladů. Tématu se věnují například vědci na Akademii věd, Univerzitě Karlově a Geologický ústav AV ČR se spolu s firmou Space Systems Czech podílí na vývoji sondy pro mapování složení asteroidu. Rozhodně to ale nebude vypadat jako na obrázku. 

Těžba ve vesmíru ostatně není úplně vhodný termín. Mnohem věrnějším popisem je využívání kosmických zdrojů na místě, což vychází i z mezinárodně používané terminologie in-situ space resource utilization. Realita je bohužel o něco nudnější, než donedávna rozšířená představa těžby obřích zlatých či platinových asteroidů a jejich dovozu na pozemský trh. Rychlý bankrot prvních firem zaměřených na vesmírnou těžbu ukázal, že je před námi ještě dlouhá cesta.

Jaké jsou tedy možná omezení, abychom ve vesmíru začali těžit? A proč bychom o to vůbec měli usilovat?

Co můžeme získat

Využití zdrojů ve vesmíru je základním předpokladem pro efektivní rozvoj lidských aktivit v kosmu. Nejsložitější, nejnákladnější i environmentálně nejnáročnější částí kosmického segmentu je takzvaný upstream, tedy vysílání čehokoliv „tam nahoru“. Pokud stále budeme záviset na dovozu veškerých potřebných nástrojů, zásob a surovin, tak naše přítomnost mimo zemskou atmosféru bude dlouhodobě neudržitelná. Podmínky kdekoli mimo Zemi jsou navíc nehostinné i v porovnání s těmi nejnepříjemnějšími místy na naší planetě. Lidská přítomnost v tomto životu nepřátelském prostředí vyžaduje inovativní, efektivní a zejména dlouhodobě udržitelné využití skromného množství vesmírných zdrojů.

Už nyní jsme museli kvůli průzkumu vesmíru několikanásobně zvýšit efektivitu a funkčnost solárních panelů nebo se naučit stoprocentní recyklaci vody. Mnohem náročnější dlouhodobá lidská přítomnost na nebeských objektech bude vyžadovat vývoj dalších revolučních technologií, které nám pomohou udržitelněji spravovat i naši vlastní planetu. Patří sem řada metod od elektrolýzy pro výrobu vodíku a kyslíku z vody, který na Zemi pomůže s přechodem od fosilních paliv a ve vesmíru bude sloužit jako pohon, až po odsávání oxidu uhličitého z atmosféry, které nám umožní napájet návratové rakety na Marsu či zmírnit globální oteplování na Zemi.

Mapa Měsíce od Geologické služby Spojených států. Celý obrázek ve velkém rozlišení najdete zde.  Zdroj: astropedia.astrogeology.usgs.gov

Co bychom mohli těžit

Kosmické suroviny mají široké spektrum možného využití. Patří sem například stavba základen či startovacích plošin pomocí spékání měsíční půdy regolitu do stavebních kusů, které naplní roli konstrukce, ale také ochrany před dopady nebezpečné radiace či mikrometeoritů. Pro rozvoj kolonií na Marsu se počítá s využitím zdrojů z blízkého pásu asteroidů. Ty jsou však stále mimo dosah našich kapacit a jejich drtivá většina nabízí jen shluk bezcenných kamenů.

Tím nejaktuálnějším a v současnosti nejrealističtějším zájmem těžby ve vesmíru je Měsíc a jeho ložiska vody či kyslík v různých oxidech měsíční půdy (tedy výše zmíněný regolit). Měsíc je jednoduše nejblíže a poslouží jako první krůček k poznání, jak lidstvo může existovat na jiném vesmírném tělese, než se případně odváží pokračovat na Mars.

Těžba vody není důležitá pro spotřebu astronauty, k tomu bezpečně slouží stoprocentní recyklace vody fungující třeba na Mezinárodní vesmírné stanici. Vodu lze ale jednoduchou elektrolýzou rozdělit na vodík a kyslík. Elektrolýza mimo jiné hraje klíčovou roli v transformaci pozemské dopravy a energetiky z fosilních paliv na vodík. Ve vesmíru je vzniklý tekutý vodík a tekutý kyslík důležitým palivem pro rakety. Nejrozšířenější kryogenické pohony, které bychom našli na amerických raketoplánech, našich evropských raketách Ariane či na největší čínské raketě Long March 5, využívají právě kombinaci tekutého kyslíku a vodíku.

Tři přistávací moduly, které vybrala NASA. Zdroj: NASA.

Podobně jsou na tom dvě ze tří společností, které NASA vybrala k vývoji přistávacího modulu v rámci programu návratu na Měsíc Artemis. Naopak třetí kontraktor, kosmická firma Elona Muska SpaceX, létá na kombinaci metanu a tekutého kyslíku. Díky poměru 1 ku 4 mezi metanem a kyslíkem by byla i tak těžba kyslíku stále velmi přínosná. Samotná váha paliva obou stupňů budované Muskovy superrakety směřující ze Země na oběžnou dráhu (Starship a Super Heavy) má být 4800 tun, ze kterých bude kolem 3744 tun pouze tekutý kyslík. Studie NASA pak počítají se spotřebou pro samotné vynesení z povrchu Měsíce pomocí metanovo-kyslíkových pohonů s 8 tunami tekutého kyslíku.

Deep Space Gateway je vesmírná stanice obíhající kolem Měsíce, ze které chce NASA spolu se svými zahraničními partnery rozvíjet aktivity na měsíčním povrchu.

Možné způsoby těžby
Voda ani samotný kyslík se na Měsíci nevyskytují v jednoduše těžitelné formě. Voda je koncentrovaná v permanentně zastíněných oblastech obou pólů, zejména na tom jižním. Jedná se o krátery, do kterých slunce nikdy nepadá a v měsíčním regolitu je led pravděpodobně původem z meteorů či komet. Nejdiskutovanější metodou je vystavění dómu nad územím s koncentrací ledu a zahřátí půdy, díky kterému led roztaje, přemění se v páru a začne stoupat ke střeše dómu. Tam páru sesbírá takzvaný studený prst, na kterém se pára přemění opět na led. Led se převeze do nádrží pro zkapalnění a purifikaci a poté ke zmiňované elektrolýze. 

Jedním ze způsobů zahřátí regolitu je zavrtání tepelných tyčí, díky kterým se podpovrchový led vypaří do dómu. Druhou metodou je využití zrcadel k nasměrování sluneční energie do dómu a jeho zahřátí. Oblasti na obou pólech navíc nabízí permanentně zastíněné krátery, jejichž vrcholky jsou naopak neustále osvětleny. Nedávné experimenty poukázaly, že spousta páry znovu zamrzne v půdě dříve, než vystoupá na povrch a zahřátí 10 000 kW na m2 vyprodukovalo pouze 1kg vody. Druhá metoda celkového atmosférického zahřívání při výdeji 10 000 kW na m2 vyprodukovala 100kg vody.

Vizualizace těžby vody v dómech pro výzkumný projekt TAČR Multidisciplinární analýza obrany planety před asteroidy jako klíčové národní politiky zajišťující mírový rozvoj a prosperitu lidstva na Zemi i ve vesmíru. Autor: Studio AD13 Martin Vaněk.

Nejrozpracovanější koncepty prezentované na konferenci pro využití vesmírných surovin v Lucembursku představily systém, který za délku jedné lunární noci (13 a půl dne) vyrobí 8 tun vody a tunu vodíku s využitím 150kW. Energie musí být nicméně dodána z dostatečně velkých baterií, které se sice mohou nabít během lunárního dne, ale jelikož teploty na povrchu během dne dosahují až 127 stupňů Celsia, proces elektrolýzy se plánuje do mrazivé noci dosahující až mínus 173 stupňů. 

Všechny podpůrné systémy včetně vytváření, skladování a využívání elektrické energie jsou v měsíčních podmínkách extrémně náročné. K tomu je třeba přičíst také problém staticky nabitých částic prachu, kterých se například astronauti Apolla téměř nemohli zbavit a mohou jednoduše narušit citlivé technologie. I kdybychom vodu opravdu byli schopni z regolitu jakkoliv extrahovat, následuje několik dalších kroků – oddělení jednotlivých elementů a jejich následná purifikace. Což samozřejmě znamená více energie, více citlivé kosmické infrastruktury, a tedy více nákladných letů.

Výsledek experimentu procesu deoxidace simulantu regolitu Evropské kosmické agentury. Po vytažení kyslíku ze simulantu vlevo zbyla pouze směs kovu vpravo. Zdroj: Evropská kosmická agentura.

Zatímco u vody je nástrojem pro separaci elektrolýza, získávání kyslíku z různých oxidů je složitější. V měsíčním regolitu je vysoká koncentrace kyslíku vázaného zejména na kovy, jako je oxid hlinitý (Al2O3), oxid titaničitý (TiO2) či oxid železnatý (FeO2), anebo ve formě oxidu křemičitého (SiO2). Jejich separace je navíc technicky náročnější proces, který lze řešit řadou způsobů – používáním reaktivních plynů (fluor), redukcí vodíkem, metanem či elektrolýzou roztaveného tekutého regolitu nebo také kompletním zplynováním těženého regolitu a jeho pyrolýzou. Většina těchto metod je zatím spíše ve fázi experimentálního výzkumu s řadou praktických bariér.

Limity poznání Měsíce
Oblasti se zvýšeným množstvím ledu jsou poměrně dobře zmapované, přesné množství, kvalita a forma ledu už ale nikoli. Různé senzory americké družice Lunar Reconnaissance Orbiter, která obíhá Měsíc, ukazují různé hodnoty při měření výskytu vody. Výskyt vody na jižním pólu potvrdila nejdříve indická mise Chandrayaan-1 v roce 2008 a následně i americká mise LCROSS o rok později. Mise LCROSS konkrétně naměřila mezi 5,6 a 2,9 procent vody v regolitu kráteru Cabeus. Takové poznání je však nedostatečné a vědci se shodují, že je nutné podpovrchově prozkoumat ložiska přímo na místě. To platí i pro výskyt vázaného kyslíku v regolitu po celém Měsíci.

Mapa vody na jižním pólu Měsíce. Zdroj: viz obrázek.

Neznalost celkové morfologie je tak další z mnoha bariér pro těžbu ve vesmíru. Od 70. let už jako lidstvo na Měsíc pravidelně nelétáme a nemůžeme provádět výzkum přímo na místě. Veškeré poznání je kvůli tomu jen vzdálenou extrapolaci experimentů s náhražkou měsíčního prachu. Nejde navíc ani o přesnou náhražku – takzvané simulanty regolitu jsou vytvářeny tak, aby simulovaly vždy jen jednu vlastnost měsíční půdy. Nikdy proto nemohou nabídnout kompletní obrázek. 

Jedním z řešení by mohla být dálková analýza chemických a fyzických vlastností regolitu metodou spektrografie laserem buzeného plazmatu. Při této metodě pulzní laser na dálku vytvoří krátkými záblesky plazma a vyhodnotí jeho chemické složení dle spekter světla, které plazma emituje. Jaké by takový laser měl mít parametry, v tuto chvíli zkoumají vědci z Akademie věd ČR.

Časový horizont těžby
Jak už bylo naznačeno, hlavní praktickou překážkou je nedostatek experimentů přímo na Měsíci. Průzkum vesmíru se dnes více zaměřuje na využití robotických sond, ale pro větší poznání je potřeba přítomnost lidí, kteří na Měsíc naposledy vstoupili v roce 1972. Nejnáročnější a nejnákladnější částí je přitom samotný let, který nás stále omezuje ve větším rozvoji kosmických aktivit na jiných tělesech. Rakety, které budou rozvoj na Měsíci zajišťovat, jsou zatím stále ve vývoji.

Například nová evropská raketa Ariane 6, do jejíhož vývoje je zapojena klatovská firma Aerotech Czech, plánuje do roku 2023 na Měsíc donést až 8,5 tun materiálu. Space Launch System vyvíjený americkou NASA slibuje dovést do roku 2024 nejdříve 26 tun a v budoucnu až pětačtyřicet. Muskova Starship by díky tankování na oběžné dráze Země měla na přírodní družici Země donést dokonce až 100 tun. Časové odhady vývoje znovupoužitelné a nejrevolučnější rakety v historii lidstva od Saturnu V sice provází řada spekulací a zpoždění, ale v současnosti je nejčastěji opakovaný termín prvních testů na oběžnou dráhu v roce 2022 nebo 2023. Můžeme tedy konstatovat, že technologicky je nám těžba ve vesmíru vzdálena v jednotkách let. 

Složitější otázkou zůstává, jak daleko může být z hlediska mezinárodně politického a právního. Těžba ve vesmíru nám již nyní nabízí rozvoj technologií pro zodpovědné a udržitelné fungování na naší vlastní planetě. Rozvoj udržitelnosti však není jen na rovině technické, ale i společenské. V době měnícího se geopolitického uspořádání to může být vznik nových mezinárodních norem a režimů, jelikož fyzikální okolnosti vesmírné těžby, jako je extrémní prašnost regolitu, citlivost instrumentů a celková nehostinnost kosmu, vyžadují mezi všemi aktéry vytvoření nových bezpečnostních zásad a pravidel, ve kterých si nebudou různé aktivity na Měsíci vzájemně hrozbou.

Omezené množství surovin ve vesmíru, jako je led v permanentně zastíněných regionech měsíčních pólů, vyžadují, aby se nerostné zdroje přestaly vnímat jako příležitost pro finanční zisk a místo toho se staly příležitostí pro zajištění udržitelného rozvoje lidstva. Na první pohled těžba ve vesmíru vypadá jako dilema, zdali vodu na Měsíci využijí korporace pro své finanční zisky nebo národní státy pro zisky geopolitické. Množství hrozeb ale naštěstí kopíruje množství příležitostí. 

Využití vody pro palivo přitom může být klíčovým nástrojem pro naše vlastní přežití, a to jak díky zabezpečení satelitů na zahuštěné oběžné dráze Země pro boj s klimatickou změnou, tak i díky vybudování kosmické infrastruktury na obranu před nebezpečnými asteroidy a kometami nebo pro umožnění rozvoje lidstva v odolnou víceplanetární civilizaci.

O mezinárodně-právních překážkách a příležitostech těžby ve vesmíru bude příští díl seriálu Vesmír Petra Boháčka.

Petr Boháček je výzkumným pracovníkem Univerzity Karlovy v projektu TAČR zaměřující se na těžbu ve vesmíru.

Bude mít i těžba ve vesmíru své odpůrce? To nevíme, ale podívejte se na reportáž o odpůrcích těžby na Zemi: