Zasoby kosmiczne to najwyższy stopień innowacji gospodarki (ANALIZA)
Świat przestaje postrzegać potencjał zasobów kosmicznych przez pryzmat futurologii i staje przed realną szansą działań zmierzających do zagospodarowania niezmierzonych zasobów oferowanych przez Kosmos – pisze Gordon Wasilewski z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk.
Zwykle myśl o zasobach kosmicznych przywodzi nam obraz górnictwa materiałów, które są rzadkie na naszej planecie (jak na przykład platyna), a które są znacznie powszechniejsze poza Ziemią. O ile jest to w istocie ważna część zasobów kosmicznych, nie należy ograniczać wizji przyszłości wyłącznie do tego segmentu gospodarki kosmicznej. Zasoby kosmiczne to znacznie szersza idea oparta o fundamentalnie ludzkie dążenie do poznania nieznanego oraz dokonania niemożliwego. Wbrew pozorom mamy już za sobą długą historię wykorzystywania zasobów kosmicznych, przede wszystkim dla celów komunikacyjnych i naukowych – nie chcemy jednak na tym poprzestawać. O tym czym są dokładnie zasoby kosmiczne, jak je dzisiaj rozumiemy, jakie cele stawiamy na najbliższe lata oraz o tym, dlaczego Polacy powinni wziąć aktywny udział w rozwoju tego sektora w dalszej części artykułu.
Zacznijmy od zdefiniowania problemu zasobów kosmicznych, aby móc operować jednym wspólnym językiem. Sama idea zasobów kosmicznych jako dziedziny jest niezwykle interdyscyplinarna. Zawierają się w niej nauki planetarne, górnictwo i wiertnictwo, techniki poszukiwawcze, projektowanie statków i urządzeń kosmicznych, inżynieria materiałowa i przetwórcza, procesy produkcyjne, energetyka, logistyka, prawo oraz biznes i ekonomia. Ciężko wyobrazić sobie bardziej skomplikowaną dziedzinę nauki i techniki. Same zaś zasoby kosmiczne to wszelkie zasoby materialne, niematerialne i energetyczne występujące poza Ziemią. Zasoby kosmiczne, tak jak zasoby ziemskie, muszą spełnić trzy podstawowe wymogi, aby móc dyskutować o ich wartości – po pierwsze zasób musi być pozyskiwalny, po drugie musimy posiadać technologię do jego pozyskania, po trzecie musi istnieć odbiorca tego zasobu. Nomenklaturę zasobów kosmicznych możemy podzielić na cztery zasadnicze części:
- zasoby wykorzystywane lokalnie (in situ resource utilization, ISRU)
- zasoby przeznaczenia ziemskiego (pro terrum space resources)
- górnictwo kosmiczne (space mining)
- produkcja kosmiczna (space manufacturing)
Pierwszy termin jest najbardziej rozpowszechniony w świecie naukowym, ponieważ stanowi ważny element niemal wszystkich planów bezzałogowej a przede wszystkim załogowej eksploracji Układu Słonecznego. NASA definiuje ISRU jako „akwizycję, przetwarzanie, magazynowanie i wykorzystywanie wszelkich zasobów na drodze załogowej lub robotycznej eksploracji Kosmosu, które w innym wypadku byłyby dostarczone z Ziemi, w celu zapewnienia krytycznych potrzeb misji oraz redukcji kosztów i ryzyka”. Lokalne wykorzystanie zasobów kosmicznych jest więc podstawą podejścia ‘live off the land’, pozwalającego na przetrwanie w Kosmosie bez ingerencji z Ziemi, znacznie poszerzając możliwości eksploracji i gospodarowania Kosmosu. Klasycznym przykładem takich zasobów są asteroidy bogate w lód wodny, które mogą służyć za naturalnie występujące stacje paliwowe dla statków kosmicznych [koncepcja górnictwa optycznego firmy TransAstra (Rysunek 1.), umożliwiająca przechwytywanie i przetwarzanie pary wodnej wyprodukowanej z asteroidy na paliwo kosmiczne H2/O2]. Dotychczasowym powszechnie wykorzystywanym zasobem kosmicznym in situ jest energia słoneczna zasilająca statki kosmiczne.
RYSUNEK 1. System APIS firmy TransAstra. © TransAstra Corp.
Z kolei zasoby kosmiczne przeznaczone na ziemskie cele dotyczą wszelkich dóbr sprowadzanych na naszą planetę z Kosmosu. W tym sektorze mamy dotychczas największe i rzeczywiste doświadczenie. Jednym z zasobów kosmicznych jest bowiem sama przestrzeń kosmiczna jako lokalizacja a także jako źródło wiedzy. Komunikacja satelitarna czy obserwacja Ziemi i Kosmosu stanowi obecnie integralną część światowej gospodarki i nauki i jest gałęzią sektora kosmicznego, która najszybciej się rozwija. Niemniej jednak, to tylko limitowany wycinek potencjalnych zasobów. Na wstępie wspominano o górnictwie platyny, która niewątpliwie przez wzgląd na swoją wartość będzie elementem kosmicznego przemysłu górniczego. Innymi zasobami branymi pod uwagę są Hel-3 występujący na Księżycu lub energia słoneczna wykorzystywana przez elektrownie zlokalizowaną na ziemskiej orbicie, przesyłającą energię na Ziemie poprzez mikrofale (Rysunek 2.).
RYSUNEK 2. SPS-Alpha jako przykład wykorzystania zasobu pro terrum. © John C. Mankins.
Dwa pozostałe elementy nomenklatury zasobów kosmicznych, czyli górnictwo i produkcja kosmiczna, mogą, ale nie muszą zawierać się w jednym z dwóch powyższych kierunków zastosowań, a także mogą być ze sobą wzajemnie związane. Zależności te ukazują Rysunki 3 oraz 4.
RYSUNEK 3. Zasoby pro terrum w ujęciu schematycznym wraz z przykładami. Opracowanie własne.
RYSUNEK 4. Zasoby lokalne w ujęciu schematycznym wraz z przykładami. Kolorem niebieskim zaznaczono miejsca występowania zasobów wody (lodu wodnego) obecnie branych pod uwagę w planach ISRU – na Księżycu, Marsie i małych obiektach okołoziemskich (bez skali). Opracowanie własne.
Do powyższej nomenklatury, w zależności od sposobu wykorzystania i zapotrzebowania na zasoby, możemy przyporządkować wszelkie zasoby kosmiczne, zarówno te materialne (jak minerały, metale, lód wodny, inne substancje lotne czy sam regolit), niematerialne (lokalizację, próżnię, mikrograwitację) jak i energetyczne (przede wszystkim fotony). W ten sposób ustanowiliśmy wspólny język. Aby przejść dalej potrzeba już tylko czy aż wizji. Wizji, która zdefiniuje nam najistotniejsze problemy związane z zasobami kosmicznymi. Wizja obejmuje bowiem jasno zdefiniowany i ambitny cel oraz powód naszego przedsięwzięcia, ustala technologie wykorzystywane w całokształcie procesów a także proces dojrzewania takich technologii, jeżeli jeszcze nie istnieją, identyfikuje wszelkich interesariuszy związanych z egzekucją wizji, a także tych związanych z odbiorem zasobów (klientów).
Wizja jest kluczowym elementem eksploracji Kosmosu i stąd odróżnia przez wzgląd na szczególne warunki środowiskowe, koszty i ambitne cele zasoby kosmiczne od tych ziemskich. Przykładową wizją, która została z sukcesem zaimplementowana w programach kosmicznych, było słynne przemówienie prezydenta Johna F. Kennedy’ego „We choose to go to the Moon”, które zapoczątkowało program Apollo i skończyło się wielokrotnymi załogowymi lądowaniami na Księżycu. Bez niej wielkie i trudne rzeczy są niemożliwe, ponieważ tylko stabilna wizja gwarantuje stałe źródło finansowania ukierunkowane na osiągnięcie konkretnego celu oraz zmienia preferencję czasową skupiając się na zyskach (tych przewidzianych i nieprzewidzianych) w przyszłości.
Dziś możemy dostrzec przynajmniej dwa duże programy kosmiczne bazujące na ambitnej wizji, których integralną częścią są zasoby kosmiczne. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) pod dyrekcją Jana Wörnera jasno określiła, że dąży do międzynarodowego przedsięwzięcia związanego z koncepcją Moon Village, czyli księżycowej bazy. Jak dotąd ESA konsekwentnie ją realizuje przez wysiłek badawczo-rozwojowy, między innymi skupiony na misji demonstrującej technologię pozyskania lokalnych zasobów wody księżycowej, która jest planowana na lata dwudzieste. Inną najbardziej wyrazistą i ambitną wizją, która przyświeca wszystkim projektom kosmicznym firmy SpaceX kierowanej przez Elona Muska jest kolonizacja Marsa, która nie może być zrealizowana bez wykorzystania zasobów oferowanych przez Czerwoną Planetę (przede wszystkim w formie obfitych zasobów lodu wodnego, materiałów konstrukcyjnych z regolitu, podziemnych struktur, a także i to najważniejsze – inspirującej lokalizacji).
Podmiotów, które chcą realizować się w jednej z wielu dziedzin zawierających się w idei zasobów kosmicznych jest wiele i wiele z nich tworzy rozsądne wizje komercjalizacji. Planetary Resources Inc. chce angażować się w górnictwo kosmiczne od momentu poszukiwania zasobów aż po ich wydobycie, celując szczególnie w asteroidy bliskie Ziemi i tworząc rozwiązania dla wydobycia pierwiastków ziem rzadkich (pro terrum), a także produkcji wody na cele orbitalnej stacji paliw. Dotychczas z sukcesem wystrzeliła dwie nanosatelity (Arkyd 3R oraz Arkyd 6) testujące technologie poszukiwania zasobów kosmicznych w przestrzeni bliskiej Ziemi. Kosmiczna firma poszukiwawczo-wydobywcza potrzebuje jednak odbiorcy wydobywanych zasobów. Jednym z poważniejszych graczy zainteresowanych dziedziną logistyki zasobów pozaziemskiej wody jest United Launch Alliance, spółka joint venture Boeinga oraz Lockheed Martina, która zaproponowała całościową architekturę systemu transportowego dla gospodarki okołoksiężycowej opartą o rakiety ACES oraz lądownik-tankowiec XEUS (Rysunek 5.), które wykorzystywałyby paliwo wyprodukowane z wody wydobytej na Księżycu i asteroidach. To pierwszy system logistyczny, w którym klientem nie jest państwo ani rządowa organizacja a prywatna firma. Zgodnie z dotychczasowymi analizami ULA oraz Colorado School of Mines wydobycie księżycowej wody i wykorzystanie jej do produkcji paliwa wykorzystywanego przez ULA w przeciągu 10 lat operacyjności nawet niewielkiej instalacji przyniosłoby zyski rzędu miliarda dolarów, znacząco zwiększyłoby zdolności eksploracyjne Kosmosu a przede wszystkim stworzyłoby infrastrukturę do rozwoju innych gałęzi zasobów kosmicznych – jak produkcji, którą zainteresowane są między innymi firmy Deep Space Industries i Made in Space.
RYSUNEK 5. Wizja ekonosfery okołoksiężycowej sformułowana przez United Launch Alliance wykorzystującej system transportowy ACES/XEUS. © ULA.
W tytule artykułu postawiono odważną tezę – zasoby kosmiczne są najwyższym stopniem innowacyjnej gospodarki. I przez wzgląd na wyzwania stojące przed nawet najmniej skomplikowanym projektem kosmicznym oraz na potencjał gospodarczy, naukowy, inspiracyjny, technologiczny i społeczny zasobów kosmicznych, ta teza jest inherentnie prawdziwa. Przemysł zasobów kosmicznych wykorzystuje i wykorzystywać będzie najbardziej zaawansowane i innowacyjne technologie ziemskie dostosowane do warunków kosmicznych, nowe specjalistyczne technologie umożliwiające stosowanie procesów produkcyjnych w Kosmosie z olbrzymimi możliwościami transferu tych technologii na Ziemię, gwarantuje poszerzone możliwości rozwoju nauki i techniki, dostęp do rzadkich zasobów, angażuje najbardziej specjalistyczną i interdyscyplinarną kadrę pracowników i daje możliwość pokazania tego, na co stać ludzkość – zredefiniowania tego kim jesteśmy, gdzie chcemy a gdzie nie chcemy się znaleźć oraz tego co dotychczas robiliśmy. Zasoby kosmiczne to tworzenie rzeczy wielkich dzięki zaawansowanej robotyce, elektronice, autonomiczności procesów, nowoczesnym źródłom energii, technologii blockchain i wiele innych, to innowacje z dużym plusem. A te wprost z przemysłu kosmicznego można komercjalizować na Ziemi, bo na przykład robotyka i autonomiczność górnicza, która jest koniecznością w Kosmosie jest świętym Graalem na Ziemi.
Co z Polską? To proste – łatwiej jest zostać ekspertem w całkowicie nowej dziedzinie niż w tej rozwiniętej. A zasoby kosmiczne wciąż dają Polsce i Polakom prime mover advantage, którego nie można przegapić, jeżeli w istocie chcemy budować polskie innowacje. Nie potrzeba olbrzymich inwestycji, by popchnąć polski przemysł oraz naukę na czoło światowego wysiłku badawczo-rozwojowego zasobów kosmicznych. Potrzeba wizji. Spójrzmy więc na jedną z możliwych wizji z perspektywy projektu, w którym Rząd RP lub agencja rządowa jest klientem przemysłu zasobów kosmicznych:
Polskie innowacje dla zasobów kosmicznych
Klient: Rząd RP
Cel: (1) Ekonomiczny – budowa polskiego przemysłu zasobów kosmicznych, tworzenie innowacyjnych i dojrzałych rozwiązań stawiających Polskę na czele rozwoju przemysłu kosmicznego, (2) Inspiracyjny – przyciągnięcie uwagi polskiego społeczeństwa, szerokie zaangażowanie Polaków w eksplorację Kosmosu, (3) Naukowy – rozwiązanie fundamentalnych problemów związanych z eksploracją Kosmosu oraz zasobami kosmicznymi, (4) Współpraca – wspólne międzynarodowe przedsięwzięcia.
Kierunek: Polskie technologie w Kosmosie, specjalistyczne kadry na Ziemi.
Typ podmiotu: Agencje rządowe, jednostki naukowe, firmy sektora publicznego i prywatnego.
Znane rozwiązanie: Inwestycje w rozwój kadr, badania podstawowe oraz rozwój technologii. Wykorzystanie dotychczasowych doświadczeń przemysłu ziemskiego i kosmicznego.
Łańcuch wartości: Badania i rozwój oraz komercjalizacja.
Z naszą wizją lub inną, niewątpliwie trzeba działać. Mamy okazję wykorzystać nasz potencjał, który wbrew pozorom jest potężny. Polscy studenci tworzą wysokiej klasy łaziki i roboty kosmiczne, firmy kosmiczne rozwijają technologie satelitarne, akademia bierze udział w zaawansowanych projektach badawczych w Kosmosie, ponadto mamy narodową skłonność do myślenia o górnictwie i przez to dobre możliwości do przystosowania przemysłowych kadr i ich doświadczeń do nowych realiów gospodarki 4.0. Z osobistego punktu widzenia wiem, że zasoby kosmiczne są atrakcyjnym tematem w Polsce i na świecie. Centrum Badań Kosmicznych PAN mocno wspiera tę ideę. Uczestniczę w pierwszym akademickim programie zasobów kosmicznych tworzonym przez Colorado School of Mines i z całą pewnością mogę stwierdzić, że machina rusza. Wsiadajmy, inaczej odjedzie bez nas!
