Základní pravidlo vetkané do plánování cest lidské posádky k objektům ve Sluneční soustavě spočívá vézt od startu vše potřebné k cestě, pobytu, průzkumu a návratu. Strategie funguje relativně dobře, pokud smyslem výpravy je zapíchnout vlajku a tradá domů. Neúnosná začne být ve chvíli, kdy v nehostinných končinách bude chtít posádka nějakou dobu setrvat, postavit základnu a tu spojit se Zemí kyvadlovou dopravou. Již od nepaměti se objevuje myšlenka využívání zdrojů dostupných na místě (ISRU, in-situ resource utilization). Například z měsíčního či marsovského regolitu lze vytvořit skořápku příbytku, která bude chránit obyvatele stanice před kosmickým zářením. Regolit může posloužit kromě přípravy “měsíčního betonu” jako zdroj jiných kritických surovin včetně raketového paliva, vody a kovů.

 

Ambiciózní program

V režii NASA běží od roku 2011 znovu vzkříšený program NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts), který má za úkol rozvíjet průlomové vizionářské nápady radikálně odlišné koncepce, co vykazují potenciál převrátit budoucí mise od základů. Do zahajovací fáze jedna pro rok 2021 vybrala NASA (NASA’s Space Technology Mission Directorate) šestnáct projektů výrazně zaměřených na ISRU, které obdrží skromný grant až do výše 125 000 dolarů. Řešitelé z NASA, akademické a průmyslové sféry budou mít devět měsíců, aby provedli studii prokazující smysluplnost návrhu. Pokud první fáze potvrdí proveditelnost konceptu mohou výzkumníci požádat o vstup do druhé fáze z níž vzejdou hmatatelnější ukazatele pro posouzení projektu. Na rozvoj svého vynálezu ve fázi II získají vědci 300-400 tisíc dolarů a hotová by měla být do 24 měsíců. Ti úspěšní dosáhnou příležitost k zdokonalení návrhu ve třetí fázi projektu. Od zahájení obnoveného NIACu se tak poprvé stalo v roce 2019.

 

Platí, že obě fáze projektu jsou velmi rannou prací na zvolené problematice a mají objasnit reálnost myšlenek. Některé balancují na hranici sci-fi a jiné zní jako sci-fi regulérní. Ale vůbec to nevadí. Sama NASA připouští, že asi ne všechny mimořádně ambiciózní projekty budou úspěšné. S rizikem selhání počítají a přesto věří, že časem získají něco, co vynahradí všechny ostatní nezdary.

 

Přímo z laboratoře tryskových pohonů NASA pochází návrh lunárního diamagnetického levitačního dopravního systému, jež nepotřebuje komplikovanou infrastrukturu. Analog pozemské železnice poslouží k přemísťování regolitu pro stavební projekty na Měsíci. Za den by měl být schopen přemístit až 100 tun stavebního materiálu. V soutěži také uspěl radar k podpovrchovému průzkumu, koncentrátor slunečního světla nebo úctyhodná nízkofrekvenční rádiová observatoř na odvrácené straně Měsíce. Jeden projekt úžasnější než druhý.

 

Cesta do středu Marsu

Zajímavé plány naznačil Quinn Morley z Planet Enterprises. V konečném bodě si neklade za cíl nic menšího než v jižní polární oblasti Marsu vrtat do hloubky 1,5 km, kde by se podle současných představ měly nacházet bohaté subglaciální zásoby kapalné vody. Sloužit k tomu má vrták, který dokáže nést pozemní sonda typu Perseverance. Ve skutečnosti je to spíš než vrták úplně autonomní válcový robot tzv. borebot o délce 1 m, který se umí zapřít o stěny vrtu a libovolně se v něm pohybovat. Denní předpokládaný výkon činí 15 centimetrů. Po akci musí robot zpátky k povrchu vyklopit odvrtané jádro, s čímž mu pomůže robotická paže roveru, jež ho umístí do servisní pozice na sondě, kde proběhne vše potřebné včetně nabíjení.

 

Jiskřička naděje získat vzorek vody ze současně nedosažitelných hloubek Marsu zcela jistě přivádí mnohé astrobiology na pokraj nirvány. Ti dlouho naznačují, že na povrchu rudé planety nic živého nenalezneme, a proto se rover Perseverance soustředí na hledání pozůstatků života v podobě zkamenělin a chemických stop. Avšak pod povrchem a ještě v kapalné vodě je šance přistihnout život, tak vysoká, že většina vědců by pro ni strčila ruku do ohně. Po takovém úžasném kousku by potupný nezdar po prvních centimetrech zaseklého krtka sondy InSight upadl do nenávratného zapomnění.

 

Pole Jün Tchien-minga

Jane Shevtsov z Trans Astronautica Corporation v Kalifornii uvažoval, jak si budou dobrodruhové ve vesmíru pěstovat potraviny a přišel s nápadem přeměnit materiál asteroidů na zemědělsky využitelnou půdu biologickým vlivem. Jeho inovaci by ocenili usedlíci velkých habitatů a základen. Nejlepší volba produkce potravin by byla sice high-tech hydroponie nebo aeroponie. Na druhou stranu aktivní systém s potrubím a neustále zapnutými čerpadly je méně robustní, a proto se uvažuje o jednodušších postupech bližších tradičnímu zemědělství. Vidno zkušenosti ostřílených agronomů v obdělávání ornice nezapadnou ani na místech s přísně uměle regulovanou biosférou. Transformaci by měly podstoupit asteroidy bohaté na organické látky, které se naočkují houbami. Od nich Shevtsov očekává, že rozruší materiál asteroidu, tak aby připomínal půdu a zároveň rozloží obsažené toxické organické látky na neškodné. K výrobě půdy se zřejmě budou hodit druhy hub, co dokáží jako substrát zpracovat ropu.

 

Hmotnostní spektrometr v roli těžebního nástroje

Ovšem nejvíce fantazie září z těžební technologie, na které pracuje Amelia Greig z Texaské Univerzity v El Pasu. Pro autora sci-fi by nastíněná metoda posloužila jako okrajová výplň k dokreslení obrazu technicky vysoce vyspělé společnosti, která už neřeší ekonomii provozu a co dotáhla zpracování minerálů na absolutní vývojový vrchol.

 

Postupu by se mohlo říkat ablativní těžba za pomocí obloukového výboje, i když to nevystihuje všechny uplatněné děje. Pojmenování jen napovídá, čím začíná. V principu nejde ani náhodou o nic originálního. Pozoruhodný na tom je záměr velkoformátového preparativního využití. Na začátku procesu výchozí surovinu jako třeba měsíční regolit odpaří obloukový výboj. Zásadní je, aby oblouk hmotu nejen odpařil, ale také ionizoval za vzniku oblaku nabitých částic, se kterými lze manipulovat magnetickým či elektrickým polem. To dovolí částice z výboje extrahovat a přivést do části zařízení, kde se pod vlivem magnetu rozdělí podle své hmotnosti do odlišně zakřivených trajektorií. Ionty stejného druhu zasáhnou pozici pro ně vyhrazeného sběrného zásobníku, jež je zachytí a uchová.

 

Přístroje ochočující si stejné fyzikální jevy byly konstruovány již před druhou světovou válkou. Fyzici si je postavili, aby poznávali vlastnosti hmoty. Mimojiné na nich ověřili platnost slavné Einsteinovy rovnice o vztahu hmoty a energie. Také byly kritické při sestavení časného modelu jádra. Z počátku experimentátory nenapadlo, že stroje, které řadíme do kategorie hmotnostních spektrometrů, se budou líbit i chemikům a badatelům z oborů na chemii navázaných, pro něž se vyvinulo mnoho různých typů spektrometrů uzpůsobených pro dané určení. No a nyní přichází další přelom. Proběhne pokus o přeškolení vznešeného vědeckého nástroje na základní kámen mimozemského těžebního průmyslu. Nejblíže představený těžební spektrometr má k takzvanému sektorovému spektrometru. Ten nabyl obrovský význam u projektu Manhattan. Neobešel se bez něj ani projekt britské atomové bomby. Díky němu se vědci dozvěděli, jaké izotopické složení mají prvky včetně uranu. Vůbec poprvé na světě získali několik nanogramů čistého uranu 235 pro klíčové experimenty. Sotva zvážitelný nános na dopadové rovině stačil na potvrzení, že uran 235 štěpí pomalé neutrony.

 

Vše okolo hmotnostní spektrometrie se točí kolem toho ionty změřit a né hromadit. Obsluha spoléhá, že obdrží informaci o druhu a množství iontů prohánějících se útrobami nenahraditelné mašinky. Nikoho už nezajímá, co se ze změřenými částicemi stane dále. Bylo tomu tak při geochemickém určení stáří Země z poměrů izotopů olova. Nebo je tomu tak pokaždé, když laboratoře podrobují vzorky radiouhlíkovému datování. Stejně tak údaje izotopického složení přijdou vhod pro identifikaci meteoritů pocházejících z Marsu. Ty před opuštěním rodné planety uvěznily v sobě trošičku atmosféry. Původ meteoritu, odhalí “hmoťák” podle toho, že aliquot atmosféry uvolněný ze zkoumaného vzorku, má ten správný přebytek těžšího izotopu dusíku, jak to ukázalo studium plynného obalu Marsu během sestupového manévru sondy v roce 1976. Hmotnostní spektrometry se samozřejmě nesoustředí jen na atomy a izotopy. Kvalitativní a kvantitativní data jsou cenná třeba, když odborníci stanovují rezidua pesticidů v potravinách.

 

Preparativní třídění izotopů uranu tedy byla ojedinělá aplikace, kdy záleželo na výtěžku separace. Navzdory tomu kapacita postačovala na oněch několik nanogramů. Ačkoliv vědci získali v sektorovém spektrometru štěpný materiál stoprocentní čistoty během jednoho separačního kroku, pro sestavení atomové bomby raději volili metody, které v jednom cyklu uran obohacují nepatrně. Ani v projektu Manhattan si netroufli průmyslově čistit uran tak, jak to chce dělat Amelia s měsíčním regolitem. Nevídané, neslýchané.

 

Kdyby zabodovala s neobvyklým nápadem, lidstvo by vybavila univerzálním těžebním nástrojem, kterému neodolá žádná hornina. To co bude zařízení získávat, záleží na složení materiálu, jež se do oblouku připlete. Hypoteticky izoluje jakýkoliv element z periodické tabulky prvků v rudě obsažený, i když to neznamená nezbytně, že všechny složky výboj dokonale atomizuje a rozbije zcela chemické vazby. Zřejmě se počítá s generováním nejen atomových iontů, ale i molekulárních iontů. Jak jinak si vysvětlit hlavní cíl, kterým je získávání vody, jež se realizuje pravděpodobně přímou izolací molekul vody nikoliv samostatného plynného vodíku a kyslíku, co by poskytly vodu až po spálení. Za splnění slibů fáze jedna by se považovalo, pokud by studie proveditelnosti vedla k designu těžební soupravy o výrobní kapacitě deset tun vody za rok. Předkládaný návrh se rovněž zavazuje, že kromě vody bude souprava souběžně chytat do vyhrazených přihrádek nikl a křemík.

 

Samotný návod na obsluhu by měl být k astronautům milosrdný. Nečeká je žádná těžká šichta na šachtě. Přiložený manuál zahrne pouze ablaci snadno dostupného povrchového regolitu. Zkrátka se na povrch Měsíce přiloží elektrody a pustí proud, což je elegantní a podtrhuje absolutnost metody. V přeneseném smyslu tedy oblouková ablace nahradí rypadlo, flotaci a vysokou pec. V tomhle okamžiku by už krůček scházel k dalšímu sci-fi milníku. Jen připojit na výstup separátoru 3D tiskárnu a disponovali bychom výrobní technologií, kterou si přivezla invazní skupina z románu Herberta George Wellse Válka světů.

 

Závěr

Program NIAC je určitě na poměry NASA výjimečný, protože nemusí nutně vést ke splnění záměru vyvinout předkládané fantaskní technologie. Přesto nenarazí-li některý z revolučních projektů na neřešitelnou překážku, tak jednoho dne plánovači budou postaveni před rozhodnutí, zda uzrál čas poslat nebo neposlat dokončený pokročilý koncept do ostrého provozu. Využití většiny konceptů vyžaduje velkorysé navýšení aktivit ve vesmíru. Připravené mohou být v řádu jednoho či několika desetiletí, ale kdy na ně přijde řada, bude záležet na odhodlání, které do dobývání kosmu vložíme.

 

Literatura:

https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2021_Phase_I/Ablative_Arc_Mining_for_In-Situ_Resource_Utilization/

https://www.jpl.nasa.gov/news/futuristic-space-technology-concepts-selected-by-nasa-for-initial-study

https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2021_Phase_I/

DOI: 10.1021/ac8013065