Dlaczego wszyscy lecą na Księżyc?

Choć w trzeciej dekadzie XXI w. hasło „podbój kosmosu” kojarzy się raczej z odległym Marsem albo pasem asteroid, gdzie czekają na nas wszelkie minerały, coraz trudniej dostępne na Ziemi, to jednak obecnie mali i duzi kosmiczni gracze zachłannie wyciągają ręce przede wszystkim w kierunku Księżyca. Wzmożony ruch na jego powierzchni, po której człowiek po raz ostatni stąpał sześć dekad temu, to nie jest przypadkowa ani chwilowa moda.

Ziemianie na Księżycu

Wystarczy spojrzeć w statystyki misji, żeby przekonać się, że eksploracja naszego naturalnego satelity to już nie tylko zabawa dla NASA (Amerykańska Agencja Kosmiczna) – własne łaziki wysyłają instytuty badawcze, prywatne firmy, a rok temu na Księżycu wylądował pierwszy łazik zbudowany przez studentów. 

Już w 2027 r. ludzie mają powrócić na Księżyc w ramach programu Artemis. Tym razem jednak cel jest znacznie ambitniejszy niż tylko zatknięcie flagi. Plan NASA, realizowany we współpracy międzynarodowej, zakłada budowę bazy na powierzchni Księżyca w perspektywie zaledwie dekady. Człowiek ma zatem nie tylko odwiedzić Księżyc, ale zostać tam na dłużej, wydobywać surowce i użyć satelity jako bazy wypadowej do przyszłych lotów na Marsa. Wtóruje temu Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), która również rozwija swój program księżycowy, planując zarówno udział w misjach załogowych Artemis, jak i wysłanie własnych robotycznych eksploratorów.

To, co kiedyś było domeną wyłącznie państwowych agencji kosmicznych, staje się dostępne dla szerszego grona. Kluczową rolę odgrywa tu zapowiadane przez Elona Muska, właściciela kosmicznego giganta SpaceX, obniżenie kosztów transportu ładunku na Księżyc, który ma spaść nawet tysiąckrotnie. 

Skalę tej zmiany można sobie wyobrazić, patrząc na dynamiczny rozwój rynku satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej. Po wprowadzeniu tańszych startów rakietą Falcon 9, stworzoną przez SpaceX, liczba wystrzeliwanych rocznie satelitów wzrosła przeszło 20-krotnie między 2016 a 2023 rokiem – ze 126 do ponad 2800. Podobny scenariusz może czekać rynek księżycowy, który już dynamicznie rośnie.

Przykładem zwiększającej się dostępności misji księżycowych jest fakt, że w 2024 r. na pokładzie jednej z misji znalazł się nawet zbudowany przez studentów z Carnegie Mellon University w Pittsburghu łazik IRIS. Księżycowymi przedsięwzięciami coraz częściej interesują się także fundusze inwestycyjne. To wszystko rodzi jednak pytanie: po co nam właściwie ten Księżyc i jakim sposobem można na nim zarobić?

Księżycowe skarby: co jest pod regolitem?

Zacznijmy od pierwszego pytania: co, oprócz czystej ciekawości naukowej i fascynacji nieznanym, ciągnie nas na Księżyc? Głównym celem wzmożonej eksploracji Księżyca jest obecnie poszukiwanie zasobów, a przede wszystkim wody. Opracowanie metod wydobycia dostępnych złóż lodu wodnego, ukrytego w wiecznie zacienionych kraterach na biegunach, byłoby prawdziwym przełomem. 

Woda to nie tylko podstawa życia dla przyszłych astronautów, ale po jej chemicznym rozłożeniu źródło tlenu do oddychania oraz wodorowego paliwa rakietowego. Księżycowe „stacje benzynowe”, tankujące statki kosmiczne, mogłyby radykalnie obniżyć koszty dalszych podróży – na przykład na Marsa.

Dlatego przewiduje się, że wiele nadchodzących misji robotycznych będzie miało na celu właśnie potwierdzenie dostępności i możliwości wydobycia tego cennego zasobu. Taka była idea planowanej przez NASA na wrzesień tego roku, ale ostatecznie anulowanej, misji łazika VIPER – władze agencji uznały, że ok. dwumetrowego VIPER-a zastąpią inne pojazdy.

Woda to jednak nie wszystko. Na Księżyc wybieramy się też po rozmaite pierwiastki i minerały, m.in. ilmenit, zawierający tytan, czy hel-3, rzadki na Ziemi izotop, który w przyszłości mógłby stać się paliwem dla reaktorów termojądrowych – a więc nowym, wydajnym i wyjątkowo ekologicznym źródłem energii. Mówi się także o ekstrakcji metali czy pierwiastków ziem rzadkich.

Jak powstanie baza na Księżycu

Ten nowy pęd ku Księżycowi różni się od kosmicznego wyścigu z czasów zimnej wojny. Owszem, czynniki geopolityczne wciąż są istotne, co widać choćby na przykładzie konkurujących programów księżycowych USA, którym udało się zrzeszyć już 54 kraje w ramach misji Artemis, oraz Chin, które wspólnie z Rosją planują budowę Międzynarodowej Stacji Badań Księżycowych (ILRS) po niewidocznej z Ziemi stronie Księżyca.

Jednak dzisiaj równie głośno mówi się o celach komercyjnych i tworzeniu podstaw „gospodarki księżycowej”. Jej celem jest stworzenie na Księżycu podstaw do długotrwałej obecności człowieka, obniżenia kosztów dalszej eksploracji kosmosu i tworzenia rynku komercyjnych usług księżycowych. Kluczowa w tym kontekście staje się koncepcja ISRU (ang. In-Situ Resource Utilization), która opiera się na prostym założeniu: po co płacić za kosztowny transport materiałów i surowców z Ziemi, skoro można wydobywać je na miejscu. 

Plany obejmują nie tylko wydobywanie wody czy minerałów, ale także użycie wszechobecnego regolitu – księżycowego gruzu – jako materiału budowlanego do tworzenia dróg, lądowisk czy nawet całych baz. I nie jest to wcale wizja w fazie wczesnego planowania. NASA już teraz podpisuje kontrakty z firmami rozwijającymi drukarki 3D, które mają służyć do „drukowania” baz z księżycowego regolitu, a firmy takie jak SpaceFactory pracują nad technologiami szybkiego tworzenia dróg z tego typu materiału.

Ta przyszła gospodarka księżycowa nie ma być tylko domeną państwowych gigantów. Zmienił się model działania – agencje kosmiczne, jak NASA, coraz częściej zlecają zadania firmom prywatnym, kupując konkretne usługi. Prywatni podwykonawcy oznaczają większe ryzyko, ale też znaczne obniżenie kosztów i podniesienie tempa rozwoju technologii. Właśnie takim kontraktom zawdzięczają szybki wzrost giganty takie jak SpaceX, Blue Origin, a w Europie – The Exploration Company czy ispace-EUROPE. 

Sukcesy tych firm rozbudzają apetyt inwestorów, którzy w sektorze kosmicznym zaczynają dostrzegać szansę zysku – obecnie głównie z kontraktów publicznych, ale w przyszłości z rynku prywatnego, chętnego płacić za księżycowe surowce, środki transportu czy technologie tworzenia na miejscu infrastruktury. Najbardziej dalekowzrocznym inwestorom nie zależy wyłącznie na milionowych zyskach z obecnych inwestycji – chcą być pierwszymi funduszami z renomą i doświadczeniem na rynku księżycowym, tak by za kilka lat łatwo przyciągać kolejne firmy rozwijające przełomowe kosmiczne technologie.

Księżycowy pył i ekstremalne temperatury

Wizje udziału w bilionowym rynku mogą brzmieć bardzo obiecująco, ale nie bez powodu na inwestycje w rynek kosmiczny decydują się obecnie tylko nieliczne fundusze. Warunki na Księżycu stawiają liczne wyzwania i sprawiają, że misja warta kilkadziesiąt, a nawet kilkaset milionów dolarów może łatwo zakończyć się porażką. Pierwsza spośród tych przeszkód to wspomniany już wszechobecny regolit. 

Jeśli macie dość tego, że każde wasze beztroskie wakacje na plaży niszczy dostający się wszędzie piasek, to spróbujcie wyobrazić sobie, co przeżyli astronauci misji Apollo, kiedy pierwszy raz zmierzyli się z księżycowym pyłem. Najmniejsze cząstki regolitu mają rozmiary zaledwie mikrometrów i potrafią dostać się niemal wszędzie, a do tego jego krawędzie są ostre i nieregularne, przez co przypomina mikroskopijne drobinki szkła. 

W niskiej grawitacji łatwo wzbija się nad powierzchnię, a bombardowanie promieniowaniem, które dociera do Księżyca w dużych dawkach (nie posiada on grubej, chroniącej atmosfery), nadaje mu ładunek elektrostatyczny. Naelektryzowany regolit uporczywie przylega do wszystkiego, powodując rysowanie powierzchni skafandrów czy wizjerów, uszkadzając mechanizmy i dostając się z łatwością wraz z astronautami do baz i lądowników, gdzie w wyniku wdychania powoduje „księżycowy katar sienny”, objawiający się podobnie do ostrej alergii.

Kolejnym poważnym wyzwaniem są ekstremalne wahania temperatur. W pełnym słońcu powierzchnia Księżyca nagrzewa się do ponad 120 stopni Celsjusza, by podczas trwającej 14 ziemskich dni nocy spaść do minus 170 stopni, a w niektórych zacienionych kraterach polarnych nawet poniżej  minus 200 stopni.

Takie wahania to ogromne obciążenie dla materiałów i elektroniki. Długa, mroźna noc oznacza też brak możliwości ładowania baterii z paneli słonecznych. Dlatego większość planowanych na najbliższe lata misji robotycznych ma trwać tylko jeden dzień księżycowy – przetrwanie nocy wymaga bowiem zaawansowanych (i ciężkich) systemów ogrzewania lub zasilania jądrowego.

Nieustanne bombardowanie promieniowaniem kosmicznym, ekstremalne wahania temperatur – jedne z największych w Układzie Słonecznym – czy niska grawitacja utrudniająca poruszanie się to tylko część problemów. Wiele misji napotyka trudności już na etapie lotu i lądowania. Wystarczy wspomnieć kilka wypraw z ostatnich lat, takich jak izraelski Beresheet, japoński Hakuto-R czy amerykański Peregrine firmy Astrobotic, finansowany kontraktem NASA na ponad 100 mln dolarów – wszystkie zakończyły się niepowodzeniem, rozbijały o powierzchnię lub ulegały awarii w drodze.

Na koniec pozostaje jeszcze problem każdego przedsięwzięcia – czynnik ludzki. Jeśli próbowaliście kiedyś dojść do głosu podczas rodzinnej kłótni w pełnym gronie, to możecie mieć niezłe wyobrażenie, jak wygląda stacja kontroli misji księżycowej. W samym zarządzaniu misją robota mobilnego może brać udział kilkudziesięciu specjalistów – inżynierów, naukowców, operatorów, nawigatorów.

Cały ten zespół musi podjąć decyzję, w którą stronę ma ruszyć łazik, aby nie utknąć w żadnym kraterze, które interesujące skały ma zbadać, skąd pobrać próbki i jak daleko może odjechać, żeby wrócić do lądownika przed upływem księżycowego dnia – wszystko to pod ogromną presją czasu i przy ograniczonym dostępie do danych. Nic więc dziwnego, że obecnie roboty na Księżycu czy Marsie dużo czasu spędzają w bezruchu, czekając na kolejne komendy z Ziemi, co znacząco ogranicza efektywność eksploracji. 

Krótko mówiąc, droga do zbudowania działającej gospodarki księżycowej jest możliwa, ale wyboista i pełna pułapek. Problemów do rozwiązania jest wiele, ale też nie brakuje podmiotów pracujących nad ich rozwiązaniem. Są wśród nich także polskie przedsiębiorstwa i instytuty badawcze.

Księżyc a sprawa polska

Od 2012 r., kiedy Polska stała się krajem członkowskim Europejskiej Agencji Kosmicznej, polski sektor kosmiczny zyskał możliwości udziału w europejskich i ogólnoświatowych programach kosmicznych oraz poszerzone możliwości rozwoju. 

Składka Polski do budżetu ESA, systematycznie podnoszona aż do rekordowego jak dotąd wkładu prawie pół miliarda euro na lata 2023-2025, dzięki zasadzie zwrotu geograficznego wraca w dużej mierze do polskich przedsiębiorstw i instytutów. Polacy wykorzystują ten mechanizm bardzo efektywnie – przez ostatnie 10 lat kontrakty z ESA uzyskało ponad 600 polskich podmiotów, a w samym 2022 r. wartość kontraktów wyniosła 69 mln EUR. 

Co więcej, niektóre polskie technologie kosmiczne na orbicie będzie mógł testować Sławosz Uznański-Wiśniewski w ramach pobytu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Członkostwo w ESA pozwala polskim firmom nie tylko na rozwijanie technologii satelitarnych czy związanych z obserwacją Ziemi, ale też na udział w największych programach księżycowych.

Polska uczestniczy m.in. w realizacji amerykańskiego programu Artemis, na rzecz którego firma VIGO Photonics i Instytut Fizyki Jądrowej PAN dostarczają odpowiednio detektory podczerwieni i promieniowania jonizującego, kluczowe dla bezpieczeństwa załogi. Z kolei polska firma PIAP Space rozwija ramię robotyczne, które posłuży do wsparcia misji europejskiego lądownika księżycowego Argonaut. 

Nie brakuje też innych przykładów zaangażowania – firma Scanway pracuje nad systemami obserwacyjnymi Mani (mikrokamerą) i LUMI (mikroobrazującym system księżycowy) dla misji księżycowych, a Creotech Instruments wraz z partnerami – Centrum Badań Kosmicznych PAN i Instytutem Nauk Geologicznych PAN – nad studium wykonalności orbitera księżycowego „Twardowski”, którego celem ma być mapowanie zasobów na powierzchni Księżyca pod koniec obecnej dekady.

Poza inicjatywami publicznymi realizowanymi we współpracy z ESA, polskie firmy walczą też o kontrakty na rynku komercyjnym, czego przykładem jest współpraca Scanway z amerykańską firmą Intuitive Machines. W ramach kontraktu polska firma ma dostarczyć instrument optyczny do mapowania powierzchni Księżyca, który znajdzie się na pokładzie księżycowego orbitera w najbliższych latach.

Coraz odważniej w kierunku Księżyca spoglądają też polskie uczelnie – dowodem na to jest chociażby utworzenie Centrum Technologii Kosmicznych na Akademii Górniczo-Hutniczej w 2020 r. czy niedawny sukces konsorcjum złożonego z tej uczelni, dwóch polskich firm oraz Centrum Badań Kosmicznych PAN, które zakwalifikowało się do finału prestiżowego wyzwania ESA „Space Resources Challenge”. W ramach finału, który odbędzie się w specjalistycznym ośrodku LUNA w Niemczech, polskie konsorcjum zademonstruje prototyp robota wydobywającego księżycowy regolit oraz przeprowadzi symulację misji.

Potrzebujemy kosmicznej strategii

Jak widać, Polsce nie jest więc tak daleko do Księżyca, a decyzja o sfinansowaniu misji polskiego astronauty i pokaźna składka na lata 2023-2025 – plasująca Polskę na 7. miejscu wśród krajów członkowskich ESA – świadczy o postrzeganiu rozwoju technologii kosmicznych jako strategicznego obszaru na najbliższe lata. W tej całej układance brakuje jednego elementu – Krajowego Programu Kosmicznego.

Mimo prac trwających już od ponad dekady, Polska nadal nie posiada oficjalnego dokumentu wyznaczającego priorytety rozwoju w obszarze kosmicznym, co oczywiście niesie ze sobą istotne konsekwencje. Z jednej strony sprawia to, że decydenci mogą nie dostrzegać znaczenia sektora kosmicznego dla realizacji ogólnych interesów państwa i przywiązywać mniejszą wagę do inwestycji w ten obszar.

Z drugiej strony rodzi się ryzyko, że rozwój polskiego sektora kosmicznego będzie w nadmiernym stopniu uzależniony od priorytetów programowych ESA, zamiast podążać przede wszystkim za długoterminową strategią narodową. Kończymy więc z sytuacją typową – zaangażowanie Polski jest duże, polscy przedsiębiorcy zdobywają kontrakty, każdy realizuje swoje interesy, a jaki jest tego nadrzędny cel – nie do końca wiadomo.

Aby w pełni wykorzystać potencjał naszych firm i instytucji, które dowodzą, że potrafią skutecznie rywalizować na kosmicznym rynku, potrzebujemy klarownej strategii, która ukierunkuje ten zapał. Bez niej ryzykujemy, że pozostaniemy jedynie zdolnym podwykonawcą, a nie współtwórcą nowej ery eksploracji.

Autorka jest informatyczką i kognitywistką, założycielką start-upu CleverHive Space, rozwijającego oprogramowanie do zarządzania misjami robotów na Księżycu.