Kosmosas ir jo gėrybės

Kai po poros metų žmonės sugrįš į Mėnulį, jie ten turėtų pasilikti. NASA ketina įkurti ilgalaikę tyrimų stotį, kurioje nuolat keistųsi įgula, panašiai kaip dabar Tarptautinėje kosminėje stotyje ar bazėse Antarktidoje. Nepriklausomai nuo to, kaip pavyks šis konkretus planas, tokia kosmoso tyrimų vystymosi perspektyva atrodo labai reali. Ir tai greičiausiai bus vienintelė žmonių ilgalaikio buvimo kosmose forma bent jau kokį pusšimtį metų. Prieš keletą mėnesių rašiau apie tai, kaip galėtų atrodyti pirmųjų tyrinėtojų-kolonistų gyvenimas Marse, pernai – apie Mėnulio kolonizavimą. Tuose straipsniuose tik probėgšmiais užsiminiau apie vieną labai svarbų tokių misijų – ar į Marsą, ar į Mėnulį, ar bet kur kitur kosmosan – aspektą: resursų išgavimą, perdirbimą ir panaudojimą vietoje. Šiam tikslui, dažnai įvardinamam santrumpa ISRU (In-Situ Resource Utilization), pasiekti vystoma daugybė technologijų, o kai kurios jau buvo išbandytos ir praktiškai. Kaip ir dažnai būna su kosmoso technologijomis, jos turi potencialo pakeisti ir kasdienį mūsų gyvenimą Žemėje.

Vandens ledas Mėnulio pietų ašigalio regione. NASA Mėnulio apžvalgos zondo išmatuoti neutronų sugerties duomenys. Kuo mėlynesnis regionas, tuo daugiau neutronų srauto jis sugeria; tą efektyviausiai daro vandens molekulės, taigi ten vandens santykinai daugiau. Bet ir krateriuose jo greičiausiai nėra daug – keli procentai pagal masę. Šaltinis: NASA

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno-kito euro per mėnesį, prisidėti prie rėmėjų galite ir jūs.

Apskritai resursų kosmose yra labai daug – visi cheminiai elementai, kurių randame Žemėje, egzistuoja ir kitose planetose, net jei koncentracijos skiriasi. Žinoma, mums svarbūs ne tik pavieniai elementai, bet ir jų junginiai. Kai kuriuos iš jų mokame pasigaminti, kitų galime rasti tiesiogiai. Taigi didžiąja dalimi resursų išgavimo klausimas susijęs ne su jų kiekiu, bet su procesų sudėtingumu. Trumpai tariant – ar pigiau yra atsigabenti jau paruoštas medžiagas iš Žemės, ar gabenti į paskirties vietą įrangą, reikalingą išgavimui. Kol kas pakalbėkime apie keturias resursų grupes: vandenį, metaną, statybines medžiagas ir sudėtingesnius gaminius.

Vanduo, aišku, būtinas žmonėms. Bet ne tik tam, kad turėtume ko atsigerti ar maisto gamyboje. Daugybei pramoninių procesų irgi reikia nemažai vandens. Suskaidę jį gauname vandenilį ir deguonį, taigi turėdami vandens galime pasigaminti ir oro kvėpavimui. Vandenilis su deguonimi, tinkamai sumaišyti, sudaro sprogstamą mišinį, taigi juos galima naudoti kaip raketinį kurą. Gabentis didelį kiekį vandens iš Žemės gali būti šiek tiek naudinga – užpildę juo tarpus tarp išorinio ir vidinio erdvėlaivio korpusų, gautume neblogą apsaugą nuo žalingos spinduliuotės – tačiau kartu ir labai nepraktiška. Laimei, vandens Saulės sistemoje yra daug; tiesa, didžioji jo dalis yra ledo pavidalu. Ledą paversti vandeniu nesunku – užtenka pašildyti. Tirpinimas arba garinimas ir, vėliau, filtravimas taip pat padeda atskirti vandenį nuo daugumos priemaišų, taigi iš principo gryno vandens išgauti nesunku. Aišku, pasakyti lengviau, nei padaryti. Amžinasis įšalas – o ledas, pavyzdžiui, Mėnulio krateriuose, būtent toks ir yra – gali būti kietesnis už akmenį. Be to, ledo apdirbimui reikia daug energijos, o jis, kaip taisyklė, randamas ten, kur tvyro amžina tamsa. Arti Mėnulio ašigalių šią problemą tikimasi išspręsti pastatant Saulės elektrines aukštumose, kurias Saulė apšviečia praktiškai visą laiką, ir nuvedant kabelius į tamsoje skendinčius kraterius. Taip pat galima bandyti išgauti vandenį tiesiai iš regolito – paviršių dengiančiose dulkėse irgi yra vandens molekulių. Neseniai pasiūlyta ir išbandyta idėja, kad regolite esantį vandenį išgauti galima tiesiog šildant nedidelės galios mikrobangų krosnelėje. Taigi nors gali pasirodyti keista, vandens išgavimas nereikalauja didelių technologinių naujovių. Marse vandenį išgauti būtų galima ne tik iš ledo ar regolito, bet ir iš atmosferos. Tam vėlgi nereikėtų ypatingų technologijų – gali tikti net ir tokios, kokias Žemėje naudojame rinkti rūko drėgmei sausuose regionuose.

Atvirkštinio vandens-dujų apykaitos proceso įrenginys, skirtas išgauti vandenį iš anglies dvideginio Marso sąlygomis. Šaltinis: NASA

Sudėtingiau būtų vandens prasimanyti kosmose, toli nuo planetų ir palydovų. Maži asteroidai Žemės aplinkoje ir netgi Asteroidų žiede daugiausiai sausi, juose vandens ledo praktiškai nerasime – visas seniai išgaravęs. Taigi vandenį tektų gabenti iš didesnių kūnų. Iš Mėnulio jo atsivežti iš principo lengviau, nei iš Žemės, nes silpnesnė Mėnulio gravitacija reikalautų mažiau kuro kroviniui pakelti. Taigi kitos planetos gali tapti ir išteklių šaltiniu kosmoso infrastruktūrai.

Šiandieninės žemiškos technologijos gali pasitarnauti ir metano išgavimui. Sabatier procesas, naudojamas metano gavybai Žemėje, iš esmės veiktų ir Marse. Šiam procesui, arba reakcijai, reikalingas anglies dvideginis, kurio apstu Marso atmosferoje, ir vandenilis, kurio būtų galima gauti elektrolizuojant vandenį. Aukštame slėgyje pakaitinus reagentus iki 400 laipsnių, jie virsta metanu ir vandeniu. O metanas – puikus kuras (tiek buitinis, tiek raketinis) bei įvairių sudėtingesnių cheminių reakcijų pagrindas. Vandenį galima panaudoti tolesnei elektrolizei ir reakcijoms arba bet kam kitam. Dar vienas šio proceso produktas – deguonis, kurio svarbos minėti nereikia.

Taigi, vandens ir dujų pasigaminti kitose planetose tikrai būtų kaip, technologija iš principo egzistuoja. Jau atliekami ir bandymai – Perseverance marsaeigio instrumentas Moxie sėkmingai pagamino deguonies, elektrolizuodamas anglies dvideginį iš Marso atmosferos. Kiti bandymai kol kas apsiriboja Žeme, bet Artemis misijos gabens įvairius eksperimentus į Mėnulį.

Moxie prietaiso, gaminusio deguonį Marse, schema. Kaip matyti dešinėje, visas prietaisas yra vos sprindžio dydžio kubas. Šaltinis: NASA, Mars Society of Canada

Statybinės medžiagos atrodo konceptualiai paprasčiau išgaunamas resursas, nei vanduo, bet praktikoje kliūčių vis tiek netrūksta. Tikslas yra sukurti betoną arba analogišką medžiagą, kurią būtų galima gaminti (daugiausiai) iš vietinių medžiagų. Paprasčiausiai pasiekiamos vietinės medžiagos yra regolitas – dangaus kūnų paviršių dengiančios smulkios dulkės. Technologijų vystymui kliūtį sudaro faktas, kad kitų dangaus kūnų regolito arba turime labai nedaug (Mėnulio mėginiai, pargabenti Apollo misijų metu), arba neturime visai (visi kiti). Naudodami dirbtinius analogus, inžinieriai sukūrė visai neblogą betono analogą Mėnuliui. Galimas ir paprastesnis planas – panašu, kad visai neblogą pagrindą konstrukcijoms galima pagaminti, staigiai pakaitinant regolitą ir pridedant magnio. Taigi, apšaudžius paviršių magnio turinčiomis sprogstančiomis kulkomis, regolitas virstų tvirta platforma, ant kurios būtų galima statyti įvairius pastatus. Marso sąlygomis pagaminti betono analogą gali padėti epoksidinė derva ir silikono gamyboje naudojamas etilo silikatas; šios medžiagos gerai sujungia Raudonosios planetos regolito analogus ir paverčia juos tvirtais, atspariais, bet kartu ir paslankiais junginiais

Statyboms už Žemės ribų svarbu ne tik tinkamos medžiagos, bet ir pats procesas. Nors astronautai gal ir galėtų gaminti betoną vietoje patys, tačiau norėtųsi, kad jiems nuskridus pastatai jau būtų paruošti. Viena naujoviška technologija, vystoma galimai Mėnulio bazių statybai, yra trimatis spausdinimas. Idėja iškelta bent prieš dešimtmetį, o pernai NASA kompanijai ICON skyrė daugiau nei 57 milijonų dolerių finansavimą, kad jie sukurtų spausdintuvo prototipą, kuris galėtų skristi į Mėnulį su viena iš Artemis misijų. Technologinės projekto detalės kol kas neatskleidžiamos, bet idėja yra panaši į minėtas aukščiau: panaudoti regolitą ir jį perdirbti į tvirtas medžiagas, tinkamas pastatų statybai. Pastačius pagrindinę struktūrą, įrengimas būtų paliktas kitiems prietaisams ar astronautams, kurie atgabentų sudėtingesnius komponentus, tokius kaip šliuzai, baldai ar atmosferos filtravimo įranga. Kompanijos atstovų teigimu, vystoma technologija iš principo turėtų būti pritaikoma ir Marse.

Mėnulio bazės vizualizacija. Pagrindinė kupolo dalis būtų spausdinama iš vietinio regolito, maišomo su rišančiais junginiais. Sudėtingesni komponentai atgabenami iš Žemės. Šaltinis: ESA

Dar viena įdomi technologija – tiksliau, technologijų grupė, – kuri turėtų padėti išgauti įvairiausius resursus, yra mikroorganizmų panaudojimas. Žemėje mikroorganizmai jau naudojami įvairiose pramonės srityse, nuo vaistus gaminančių mielių iki metalus iš rūdų išgauti padedančių bakterijų iki autonomiškai susiremontuojančio betono gamybos. Daugybė mikroorganizmų labai sėkmingai gali gyventi mikrogravitacijos sąlygomis; kai kuriems jų nereikia nė oro. Taigi Mėnulyje, Marse, o gal ir asteroiduose mikroorganizmai gali tapti puikiu pagalbininku verčiant aplinką tinkama mums. Prieš keletą metų Tarptautinėje kosminėje stotyje toks procesas išbandytas praktiškai: trys mikroorganizmai, naudojami retųjų žemių metalų išgavimui Žemėje, išbandyti mikrogravitacijoje bei Mėnulio ir Marso traukos sąlygomis. Visų jų veiklos efektyvumas visiškai arba beveik nesumenko. Biologinis ISRU kol kas nėra plačiai taikomas, bet tai turėtų pasikeisti: tai yra viena iš prioritetinių pačių mokslininkų identifikuojamų biologinių ir fizinių mokslų vystymo kosmose sričių. Ji svarbi tiek dėl galimo didelio efektyvumo, tiek dėl tvarumo; be to, vystant technologijas kosmosui pasiektas progresas gali būti pritaikomas ir Žemėje, taip dar padidinant jų naudą žmonijai.

Vario gamybos, naudojant mikroorganizmus, įranga Ugandoje. Bioreaktoriai yra uždari, deguonies jiems nereikia, taigi juos būtų galima naudoti ir kosmose. Šaltinis: Microbe Wiki

Kalbant apie retųjų žemių metalus, prieiname prie dar vienos svarbios ISRU srities – medžiagų išgavimo technologiškai sudėtingiems objektams gaminti. Puikus jų pavyzdys – Saulės elementai, kurių tiek Mėnulio, tiek Marso kolonijų, tiek kosminių stočių statybai tikrai reikės daug. Mėnulio regolite yra daug silicio, aliuminio ir stiklo – trijų pagrindinių Saulės elementų gamybai reikalingų komponentų. Tiesą sakant, šiuos elementus gaminti praktiško vakuumo sąlygomis Mėnulio paviršiuje gali būti netgi patogiau, nei Žemėje; praktiniai reikalingų technologijų bandymai atlikti beveik prieš du dešimtmečius. Žinoma, Saulės elementai sveria nepalyginamai mažiau, nei pastatų sienos ir stogai ar astronautams reikalingas vanduo, taigi ekonominė paskata gaminti juos Mėnulyje (ar kur kitur kosmose) ne tokia didelė. Bet kiekviena žmonių aplinkos detalė, kurios gabenimą iš Žemės galėsime pakeisti pasigaminimu vietoje, daro kosmines misijas pigesnes ir prieinamesnes.

Beje, tekste daug linksniuota Saulės energija irgi yra ISRU pavyzdys. Energija – taip pat svarbus išteklius, be kurio neapsieina nei viena kosminė misija. Kai kurios energiją gabenasi su savimi: pavyzdžiui, marsaeigis Curiosity, zondai Cassini ir New Horizons energijos gauna ar gavo iš radioaktyvaus plutonio skilimo reakcijų. Tačiau kitos pasigamina ją vietoje: marsaeigiai Spirit ir Opportunity, dauguma Žemę supančių ar arčiau Saulės skriejančių zondų, įskaitant Tarptautinę kosminę stotį, naudoja Saulės elementus. Tad galima sakyti, kad bent jau šioje srityje panaudoti vietinius resursus toli nuo Žemės mokame gerai.

Naujausias NASA Saulės sistemos tyrimų zondas Psichė (dailininko vizualizacija). Saulės elementai užima gerokai didesnį plotą, nei likusi zondo dalis. Šaltinis: Peter Rubin/JPL-Caltech/Arizona State University/NASA

Laikui bėgant, visos technologijos tobulėja ir tampa vis labiau kompaktiškos. Taigi ir resursų išgavimas už Žemės ribų taps vis prieinamesnis. Metodai, kurie dabar tėra ankstyvų bandymų stadijoje, arba išvis tik svajonės, taps realybe. Kitaip ir būti negali, jei norime, kad žmonija tikrai taptų daugiaplanete rūšimi. Nors pradžioje, aišku, kiekviena kolonija bus stipriai priklausoma nuo motininės šalies ar organizacijos, kada nors jos turės atsiskirti ir eiti savo keliu. Tam, tarp kitų dalykų, reikės ir resursų išgavimo – arba visiems savo poreikiams patenkinti, arba tarpplanetinės prekybos potencialui sukurti.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.