Pokojowe korzystanie z zasobów Układu Słonecznego

Wiedza o pochodzeniu i składzie asteroid w naszym Układzie Słonecznym może w najbliższej przyszłości odgrywać kluczową rolę w eksploatacji przestrzeni kosmicznej. Taka eksploatacja stwarza możliwości, ale i dotyka kwestii moralnych – pisze Guy CONSOLMAGNO SJ

Moje badania od wielu lat skupiają się na asteroidach: małych, skalistych ciałach niebieskich krążących wokół Słońca, często na orbitach między Marsem a Jowiszem, w rejonie znanym jako pas planetoid. Uważa się je za fragmenty pierwotnego materiału, z którego powstały planety naszego Układu Słonecznego. Mamy powody sądzić, że meteoryty stanowią odłamki tych asteroid.

Główną motywacją naszej pracy w Obserwatorium Watykańskim jest zrozumienie, jak 4,6 miliarda lat temu powstawały planety. Badanie meteorytów może dać nam wgląd w asteroidy, a tym samym wskazówki do historii samego Układu Słonecznego.

Obecnie istnieje jednak jeszcze jedna motywacja badania fizycznej natury asteroid. Wiemy, że trajektorie niektórych asteroid od czasu do czasu ulegają zaburzeniu, gdy przecinają orbitę Ziemi, a ich pewna część może stanowić zagrożenie dla mieszkańców naszego globu. Zdarzenia te nie ograniczają się do takich jak to, które prawdopodobnie spowodowało wymarcie dinozaurów 65 milionów lat temu. Nasze najlepsze szacunki sugerują obecnie, że tak ogromne uderzenia mają miejsce tylko raz na sto milionów lat. Ale mniejsze, bardziej powszechne zdarzenia również mogą mieć istotny wpływ na życie na Ziemi.

Zaledwie 50 000 lat temu w powierzchnię Ziemi uderzył meteoryt, który pozostawił po sobie Krater Meteorytowy w Arizonie. Jego uderzenie było równoważne wybuchowi jądrowemu o mocy 10 megaton. Siła fali uderzeniowej musiała spowodować zniszczenia w promieniu ok. 40 km od miejsca uderzenia. Zderzenia o takiej skali są stosunkowo rzadkie, ale te mniejsze również mogą mieć poważne skutki.

15 lutego 2013 r. asteroida o średnicy 30 m przeleciała bliżej powierzchni Ziemi, niż wynosi wysokość orbitalna satelitów geostacjonarnych. Tego samego dnia meteoroid o średnicy 18 metrów wszedł w atmosferę ziemską i eksplodował nad rosyjskim miastem Czelabińsk. W wyniku tego zdarzenia ponad 1000 osób zostało rannych, głównie za sprawą odłamków szkła, które powstały, gdy fala uderzeniowa wybiła szyby w oknach w tym liczącym ponad milion mieszkańców mieście. Szacuje się, że obiekty podobne do meteoroidu czelabińskiego prawdopodobnie uderzają w Ziemię co najmniej raz na dziesięć lat.

Istnieje jednak trzecia motywacja badania składu i struktury asteroid. W ciągu kilku następnych dziesięcioleci asteroidy mogą stać się nowymi źródłami zasobów naturalnych. W ostatnich miesiącach 2018 r. dwie oddzielne sondy kosmiczne, jedna japońskiej agencji kosmicznej JAXA, a druga amerykańskiej NASA, dotarły do asteroid, których niewielkie rozmiary i bliskie Ziemi orbity sprawiają, że są one ciałami niebieskimi, które mogą posłużyć jako źródła minerałów w nieodległej przyszłości. Obie misje mają na celu powrót sond na Ziemię po pozyskaniu niewielkich próbek tych ciał do badań naukowych. Istnieje już technologia eksploatacji tych obiektów – na razie na małą skalę. Pozyskanie tych zasobów stwarza zarówno możliwości, jak i zagrożenia, z których społeczeństwo powinno zdawać sobie sprawę.

Związek meteorytowo-asteroidowy

.Jednym z wyjątkowych aspektów nauki o asteroidach jest fakt, że posiadamy tysiące fizycznych próbek asteroid w naszych ziemskich kolekcjach meteorytów, dostępnych do badań chemicznych i fizycznych w naszych laboratoriach. Na podstawie takich badań możemy wysuwać konkretne twierdzenia na temat składu i struktury fizycznej asteroid.

Istnieje wiele różnych dowodów potwierdzających związek między meteorytami a asteroidami. Około dwadzieścia kilka „ognistych kul” zostało sfotografowanych z wielu miejsc z wystarczającą szczegółowością, aby można było prześledzić ich orbity. Materiał pozyskany z tych obiektów jest typowy dla meteorytów.

Najbardziej wymowne dowody pochodzą z próbek pobranych bezpośrednio z samych asteroid. Najczęściej spotykane meteoryty można podzielić na dwie główne grupy: zwykłe (z suchego kamienia) i węglowe (ciemne i czasami bogate w węgiel i wodę).

Japońska sonda wysłana na małą asteroidę Itokawa powróciła na Ziemię w 2010 r. z małymi cząstkami pyłu, których skład chemiczny dokładnie odpowiada próbkom „zwykłej” grupy meteorytów.

Tak jak meteoryty występują w dwóch typach, tak też najczęściej spotykane asteroidy można podzielić na dwie główne grupy: S i C (w zależności od ich koloru i jasności). Założenie jest takie, że jaśniejsze, czerwonawe asteroidy typu S są źródłem zwykłych meteorytów, podczas gdy ciemne asteroidy typu C są źródłem pochodzenia meteorytów węglowych. Itokawa jest asteroidą typu S.

Tymczasem wspomniane powyżej dwie misje mające na celu powrót sond z próbkami asteroid, wokół których obecnie krążą, skupiają się na asteroidach typu C. W pierwszej połowie lat 20. będziemy w posiadaniu solidnych danych, które pozwolą potwierdzić związek tych odmiennych typów asteroid z poszczególnymi klasami meteorytów.

Czym tak naprawdę są asteroidy?

.Klasyfikacja meteorytów według typów chemicznych jest owocem stuletniej, żmudnej pracy nad kolekcjami z całego świata. Jednakże podczas gdy takie prace postępowały szczególnie w latach następujących po misjach księżycowych Apollo, pomiary właściwości fizycznych meteorytów (gęstość, porowatość, podatność magnetyczna, pojemność cieplna, przewodnictwo cieplne i elektryczne) rozpoczęły się na poważnie dopiero 25 lat temu w laboratoriach w Finlandii, Kanadzie, Japonii i w ramach naszej grupy w Watykanie. W Watykanie udało nam się opracować nowe sposoby pomiaru właściwości fizycznych meteorytów z użyciem całych skał bez konieczności uszkadzania próbek (np. cięcia).

Znajomość fizycznego składu meteorytów jest niezbędna do zrozumienia fizycznej ewolucji planet. Ale daje nam to również nowe narzędzie do zupełnie innego rodzaju poszukiwań. Podczas gdy kolor asteroidy charakteryzuje tylko jej powierzchnię, to masowe właściwości fizyczne, takie jak gęstość, pozwalają nam na zbadanie zawartości całego ciała. Kiedy porównamy gęstości zbadanych przez nas meteorytów z gęstościami asteroid, stwierdzimy, że tak jak meteoryty węglowe są bardziej porowate i mniej gęste niż zwykłe meteoryty, tak samo asteroidy typu C są regularnie mniej gęste niż asteroidy typu S. Ale w obu przypadkach asteroidy są ok. 25–50 proc. mniej gęste niż materiał meteorytowy.

Co to oznacza? Nasz wniosek jest taki, że asteroidy nie są ciałami litymi, ale raczej luźno związanym „gruzem”. To z kolei nam podpowiada, że asteroidy, które obserwujemy, prawdopodobnie wielokrotnie w historii Układu Słonecznego ulegały rozbiciu na kawałki.

Na tej podstawie dowiadujemy się, ile danego materiału możemy spodziewać się w asteroidzie danej wielkości i czego możemy oczekiwać, wysyłając na nią robota w celu eksploatacji jej powierzchni.

Kopalnie na asteroidach

.Odkryto już jakieś pół miliona asteroid, większość z nich krąży po orbitach między Marsem a Jowiszem. Większość z nich ma promień nieprzekraczający ok. 10 km. W oparciu o badania rozkładu wielkości asteroid można oszacować ogólną liczbę wszystkich asteroid, w tym tych, które są zbyt małe, aby mogły zostać odkryte, zazwyczaj o średnicy mniejszej niż 10 km. Oczywiste jest, że mniejsze ciała są liczniejsze, a najwięcej jest asteroid zbyt małych, aby mogły być łatwo wykryte z Ziemi.

Wniosek ten jest szczególnie istotny, kiedy badamy niewielki podzbiór tych asteroid, które wyróżniają się tym, że krążą po orbitach od pasa planetoid i przecinają orbitę Ziemi. Kilka tysięcy tych obiektów jest już znanych. Istnieje program badawczy, którego celem jest umożliwienie śledzenia orbit co najmniej 90 proc. tych obiektów. Ponieważ zbliżają się na niewielką odległość od naszej planety, wiele z nich, bliskich Ziemi (NEO – Near Earth Objects), o średnicy zaledwie kilkudziesięciu metrów, zostało zaobserwowanych za pomocą teleskopów, a nawet radarów. Już teraz znajdujemy mniej więcej jeden mały obiekt typu NEO na miesiąc, zbliżający się do Ziemi na odległość Księżyca. Szacujemy, że musi istnieć wiele tysięcy obiektów podobnych wielkością do tego, który eksplodował nad Czelabińskiem, ale które nie zostały jeszcze odkryte.

Jakie surowce warte eksploatacji znajdziemy w tych asteroidach? Możemy zgadywać, że skład asteroid odpowiada składowi meteorytów. Ok. 10 proc. masy zwykłego meteorytu stanowią metale, głównie żelazo i nikiel, ale są tam również znaczne ilości cenniejszych metali, takich jak złoto, platyna, miedź, srebro czy cynk. Jeśli założymy, że w przeciętnej asteroidzie te metale występują w takich proporcjach jak w meteorytach, i sprawdzimy rynkową wartość tych metali, to możemy obliczyć wartość całej asteroidy.

Wyniki są oszałamiające. Nawet w przypadku asteroidy o średnicy zaledwie jednego kilometra samo żelazo stanowi 100 milionów ton materiału. Biorąc pod uwagę wartość tony tego surowca, można zauważyć, że jest ona warta dziesiątki miliardów dolarów. Żelazo stanowi tylko część asteroidy; metalowi temu towarzyszą również znacznie rzadsze metale, takie jak platyna i złoto. Można by oczekiwać, że taka asteroida byłaby dodatkowo źródłem metali o wartości ponad 20 miliardów dolarów.

Jednak rzut oka na tę kalkulację uświadamia, że jest ona dosyć naiwna. Oczywiście nie odzwierciedla ona w najmniejszym stopniu, jak pojawienie się nowego, tak obfitego źródła wpłynęłoby na rynki tych surowców. Trzeba też uwzględnić, jak kosztowne byłyby faktyczne dotarcie do takiej asteroidy, jej eksploatacja i powrót z urobkiem na Ziemię.

Obranie na celownik mniejszych NEO niewątpliwie zmniejszyłoby koszty i pozwoliłoby na ich eksploatację jeszcze w czasie, gdy znajdują się blisko Ziemi. Jaka przy tych samych prostych założeniach byłaby wartość 15-metrowego meteoroidu, podobnego do tego, który eksplodował nad Czelabińskiem? Tak mały obiekt prawdopodobnie miałby większą gęstość, co zwiększałoby ilość cennych metali, które można by z niego pozyskać.

Możemy obliczyć, że miałby on wartość wynoszącą prawdopodobnie tylko ok. 100 000 dolarów – inwestycja w statek kosmiczny, który miałby pozyskać materiał, pochłonęłaby większą sumę. Więcej można by zyskać, gdyby sprzedać fragmenty tego meteoroidu kolekcjonerom po przystępnych cenach!

Spośród wszystkich wątpliwych założeń powyższych wyliczeń, najbardziej błędne jest jednak to, że najcenniejszym zasobem NEO byłyby metale, które miałyby być przetransportowane na Ziemię do produkcji lądowej. Ale w przestrzeni kosmicznej można znaleźć także inne zasoby, takie jak energia słoneczna. Jeśli możemy zbudować roboty do eksploatacji asteroid, to dlaczego nie zbudować innych robotów, wykorzystujących energię słoneczną do przetwarzania i wzbogacania minerałów? Trzecia generacja robotów mogłaby wykorzystać te minerały i energię do produkcji dóbr użytecznych zarówno w przestrzeni kosmicznej, jak i na Ziemi.

Najcenniejszymi zasobami mogą okazać się nie metale, które mogłyby być przetransportowane na Ziemię, ale woda i tlen, które można by wykorzystać w kosmosie do produkcji paliwa rakietowego, a tym samym wspierać eksplorację wszechświata, a nawet ekspansję człowieka w kosmosie. W takim przypadku asteroidy typu C zawierające wodę byłyby szczególnie cenne.

W ciągu ostatnich pięciu lat powstało wiele korporacji zainteresowanych zasobami kosmicznymi, np. Deep Space Industries, Kepler Energy and Space Engineering, Planetary Resources. Na ich stronach internetowych można znaleźć informacje o tym, co i jak mają nadzieję osiągnąć… oraz o trudnościach związanych z finansowaniem takiej działalności. Zarówno Planetary Resources, jak i Kepler Energy stoją w obliczu niepewnej przyszłości.

Amerykańska Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) również aktywnie pracuje nad podstawami inżynierii kosmicznej. Strona internetowa NASA przedstawia takie zagadnienia, jak mocowanie sprzętu do powierzchni asteroidy przy bardzo małej grawitacji i możliwe sposoby wydobywania metali.

Luksemburg i inne małe kraje, w tym Zjednoczone Emiraty Arabskie i Wyspa Man, pozycjonują się jako gospodarze dla podmiotów zajmujących się zasobami kosmicznymi. Na przykład Luksemburg utworzył „klaster kosmiczny”, aby promować biznes kosmiczny. We wrześniu 2016 r. na Uniwersytecie Luksemburskim odbyło się spotkanie poświęcone górnictwu kosmicznemu pod nazwą „Asteroid Science Intersections with In-Space Mine Engineering”, przyciągające naukowców zajmujących się kosmosem.

Philip Metzger, ekspert w dziedzinie zasobów kosmicznych na Uniwersytecie Centralnej Florydy, ma jeszcze bardziej prowokujące spojrzenie na ten temat. Przyznając, że prawdziwą wartością wydobycia minerałów w przestrzeni kosmicznej będzie stworzenie przemysłu kosmicznego, który przyniesie korzyści nam wszystkim, w jednym z ostatnich artykułów na temat zasobów kosmicznych stwierdził, że podstawowym importem z kosmosu będą pozbawione masy fotony niosące dane i energię.

W rzeczywistości tak już jest. Dziewięćdziesiąt państw ma już zarejestrowane w ONZ agencje badań kosmicznych podlegające władzy centralnej. Spośród nich tylko kilkanaście (oraz międzynarodowe podmioty takie jak ESA) umieściło satelity na orbicie, choć satelity wystrzeliwuje również coraz więcej międzynarodowych korporacji prywatnych. Niemniej większość pracy wykonywanej przez agencje kosmiczne małych państw polega na wykorzystywaniu danych z przestrzeni kosmicznej, takich jak obrazy orbitalne. Obrazy z satelitów mogą dostarczać szczegółowych map gruntów i dostępności zasobów dla krajów, które nie mają środków na ciągłe badania w terenie, zwłaszcza niedostępnych obszarów. Obecnie dostępnych jest tak wiele danych, że każdy, kto dysponuje przyzwoitym sprzętem komputerowym, może wykonać określoną pracę, analizując i wykorzystując te dane.

Do kogo należy kosmos?

.Eksploatacja bogatych w wodę asteroid w celu produkcji paliwa rakietowego ułatwi podróżowanie w kosmosie. Jednak długoterminowym celem takich podróży kosmicznych jest zdobywanie przestrzeni kosmicznej na rzecz ludzkości.

Górnictwo i przemysł wywierają ogromny wpływ na środowisko Ziemi. Przeniesienie górnictwa i przemysłu poza Ziemię pozwoliłoby zachować środowisko naturalne i piękno naszej niezastąpionej planety. Dane o Ziemi mogłyby być pozyskiwane i przekazywane przez satelity szybciej i taniej niż przy użyciu tradycyjnych metod. Wszystkie te korzyści sprawiają, że ewentualna eksploatacja zasobów kosmicznych jest bardzo atrakcyjna i pod pewnymi względami konieczna, aby móc utrzymać nasze życie na poziomie zaawansowania przemysłowego, który obecnie wiąże się z ogromnymi kosztami środowiskowymi.

Należy pamiętać, że zasoby przestrzeni kosmicznej są dostępne dla każdego, kto może się do nich dostać. Przestrzeń kosmiczna jest niezamieszkana, co oznacza, że zasoby te nie są pod niczyją kontrolą. Ale właśnie z tego powodu prawdopodobnie znajdą się one w rękach wyłącznie państw zajmujących się przestrzenią kosmiczną i międzynarodowych korporacji.

Co więcej, choć przestrzeń kosmiczna wydaje się nieograniczona, w rzeczywistości obszary, w których znajdują się satelity, już teraz są zatłoczone. Szczątki uszkodzonych satelitów mogą uszkadzać inne satelity. Nawet doskonale funkcjonujące satelity mogą się wzajemnie zakłócać. I choć prywatny przemysł jest dobrodziejstwem pod względem finansowania wykorzystania przestrzeni kosmicznej, inwestorzy chcą mieć pewność, że ich zyski – czy to dane, czy minerały kosmiczne – będą chronione przed piractwem.

Rywalizacja o najłatwiej eksploatowalne obiekty NEO będzie wymagała nowych sposobów decydowania o tym, co stanowi uzasadnione roszczenia, oraz nowych sposobów arbitrażu takich roszczeń. Podobne kwestie istnieją już w odniesieniu do własności meteorytów – każdy kraj ma inny zestaw praw i standardów. Najlepszym precedensem jest tu już istniejące prawo morskie.

Jednym ze sposobów zachęcenia do współpracy jest zaangażowanie w przedsięwzięcie jak największej liczby ludzi. Im więcej ludzi będzie miało udział w korzystaniu z przestrzeni kosmicznej, tym bardziej będą chcieli się nią zajmować.

W swojej encyklice Laudato si’ papież Franciszek rzucił światło na istotne kwestie społeczne i moralne, które towarzyszą zmianom technologicznym, a nawet zmianom, które stanowią wielką obietnicę poprawy warunków życia ludzkiego. Jeśli zasoby kosmiczne zastąpią zasoby wydobywane na Ziemi, to jaki wpływ będzie ta zmiana miała na gospodarkę państw najbiedniejszych, które opierają gospodarkę na eksporcie surowców? Jeśli zasoby będą pozyskiwane w przestrzeni kosmicznej, bez wątpienia większość pracy będzie wykonywana przez roboty, zaprogramowane i monitorowane zdalnie. Oznacza to, że szanse na zatrudnienie niewykwalifikowanej siły roboczej będą niewielkie. Co stanie się z robotnikami, którzy często należą do najbiedniejszych warstw społeczeństwa?

Likwidacja miejsc pracy związanych z wydobywaniem zasobów na Ziemi wywróci struktury społeczne, które nadają tym społecznościom tożsamość kulturową i poczucie sensu życia. Co się z nimi stanie? Jak wpłynie to na kulturę? Jakie działania możemy zaplanować, aby przygotować się na przyszłość, w której te gwałtowne zmiany prawdopodobnie nastąpią?

Badania nad fizycznymi właściwościami meteorytów w Obserwatorium Watykańskim podjęto w prostym celu: aby pomóc lepiej scharakteryzować zasoby Układu Słonecznego i być może dostarczyć danych przydatnych innym, którzy chcą zrozumieć pochodzenie i ewolucję asteroid. Jednakże okazało się, że nasze dane mają znacznie większą użyteczność, niż mogliśmy sobie wyobrazić. W szczególności odgrywają one kluczową rolę w charakteryzowaniu asteroid, które są potencjalnymi miejscami eksploatacji zasobów.

Najważniejszymi zasobami asteroid zapewne są woda i tlen, których użyteczność jest oczywista nie tylko ze względu na możliwość podtrzymywania życia człowieka w przestrzeni kosmicznej, ale także ze względu na możliwość produkcji paliw rakietowych, co pozwoli na eksplorację kosmosu na większą skalę. Paliw, które w przeciwnym razie musiałyby być transportowane z powierzchni Ziemi przy ogromnych kosztach i niskiej efektywności takiego rozwiązania.

Jest mało prawdopodobne, aby te sposoby wykorzystania zasobów kosmicznych wywołały jakiekolwiek szczególne niepokoje społeczne. Należy jednak sądzić, że warunkiem ułatwienia życia i podróżowania w przestrzeni kosmicznej będzie wykorzystanie opisanych tu zasobów. Na razie trudno ocenić, co będzie konsekwencją naszej działalności w przestrzeni kosmicznej – podobnie nie mogliśmy przewidzieć, do czego doprowadzą nasze dane dotyczące meteorytów.

Przywołując ponownie Laudato si’, musimy skorygować obecną dysproporcję między nadmiernymi inwestycjami technologicznymi w konsumpcję a niewystarczającymi inwestycjami w człowieka. Naszym celem musi być uniknięcie niepotrzebnych zakłóceń w tkance społecznej, które nieuchronnie towarzyszą zmianom technologicznym. Z pewnością nie miałyby one miejsca, gdybyśmy wykorzystywali technologię do reagowania na zmieniające się potrzeby społeczeństwa.

.Kryterium oceny naszych działań jest dobro wspólne, inspirowane miłością. Miłość – w sferze politycznej, gospodarczej i kulturowej – musi stać się najwyższą zasadą naszego postępowania.

Guy Consolmagno