Zmiany klimatyczne i kryzys energetyczny zmuszają do szukania alternatywnych źródeł surowców. Głęboko w oceanach znajdują się rozległe pokłady bogate w cenne pierwiastki. Rozpatrywane są też scenariusze eksploatacji zasobów poza naszą planetą. Pytanie zatem brzmi „kiedy możemy zacząć”, a nie „czy jest to możliwe”?
Wyczerpywanie się złóż lądowych jest impulsem do intensywniejszych badań i opracowywania technologii eksploatacji surowców mineralnych z dna mórz i oceanów. Dotyczy to nie tylko ropy naftowej i gazu ziemnego, ale również pierwiastków ziem rzadkich, bardzo ważnych dla przemysłu wysokich technologii, wykorzystywanych w transformacji energetycznej czy rozwoju technologii wojskowych.
Bogactwo w głębinach
„Szczególną wartość przemysłową, ze względu na wysoki stopień koncentracji, mają w złożach kopalin siarczkowych i tlenkowych żelazowo-manganowych, takie metale jak: nikiel (Ni), miedź (Cu), kobalt (Co), srebro (Ag), złoto (Au), mangan (Mn), molibden (Mo), cynk (Zn), platyna (Pt) i metale ziem rzadkich (REE)” – powiedział prof. Marek Borowski z Wydziału Inżynierii Lądowej i Gospodarki Zasobami, AGH w Krakowie. „Zasoby metali – w rozpoznawanych, perspektywicznych złożach tlenkowych skupień Fe-Mn (żelazo-manganu – red.) oraz nagromadzeń siarczków – mogą doprowadzić w przyszłości do istotnych zmian podaży i popytu na światowych rynkach metali strategicznych” – stwierdził naukowiec. Podkreślił też, że dynamika wzrostu zapotrzebowania na metale wykazuje tendencję wzrostową, przerywaną tylko chwilowymi zakłóceniami koniunktury, co związane jest z rozwojem przemysłu głównych użytkowników tych metali w Chinach, Indiach czy Brazylii. „Podstawowym czynnikiem wpływającym na ekonomiczną ocenę wartości tych kopalin jest relatywnie wyższa zawartość metali, w porównaniu do zawartości w obecnie eksploatowanych złożach na lądzie oraz ich zasoby prognostyczne” – tłumaczył Borowski.
Obecnie prowadzone wydobycie z obszarów szelfów dostarcza wielu surowców metalicznych, takich jak tytan, cyrkon, cyna, złoto, platyna i piaski żelaziste. Z dna mórz z powodzeniem eksploatuje się złoża diamentów, fosforyty, żwiry i piaski. Prowadzono też eksploatację siarki i węgla kamiennego. Wielkie nadzieje wiąże się z występującymi na olbrzymich obszarach konkrecjami, czyli skupieniem minerałów, polimetalicznymi oraz masywnymi siarczkami polimetalicznymi (SMS).
O ile eksploatacja złóż szelfowych do głębokości morza rzędu 200 m została dość dobrze opanowana, o tyle sięgnięcie po bogactwa na dużych głębokościach stawia przed badaczami i konstruktorami wielkie wyzwania. Według eksperta AGH, są to tak naprawdę prace pionierskie.
Do eksploatacji z dużych głębokości kopalin stałych, na skalę przemysłową był tylko przygotowany swego czasu Nautilus Minerals z Toronto, na polu Solwara (na głębokości ok. 1600 m). Kłopoty finansowe firmy zatrzymały jednak jej działalność. Obecnie eksploatacją podwodną na dużych głębokościach zajmują się m.in. Blue Nodules czy Krypton Ocean Group.
Polska na międzynarodowych wodach
Polska od wielu lat zaangażowana jest w działalność oceaniczną. Jak informuje Ministerstwo Klimatu i Środowiska głównie współpracuje z Międzynarodową Organizacją Dna Morskiego (MODM), będącą agendą ONZ, oraz prowadzi działalność badawczą na wodach międzynarodowych i w obrębie dna oceanicznego. Wszystko to jest możliwe dzięki Konwencji Narodów Zjednoczonych o prawie morza.
MODM jest upoważniona do zarządzania, regulowania i kontrolowania wszelkiej działalności związanej z zasobami mineralnymi na wodach międzynarodowych, w tym ustaleniu norm i zakresów badań środowiskowych, mających na celu oszacowanie potencjalnego wpływu prac testowych i wydobywczych na wrażliwe ekosystemy głębokomorskie. Obecnie organizacja pracuje nad przygotowaniem regulacji prawnych, dotyczących wydobycia minerałów z dna oceanicznego, tzw. „Mining Code”. Prace nad kodeksem wydobywczym rozpoczęto w 2014 r. i trwają one do dziś. Kodeks obejmuje zasady stosowania najlepszych praktyk, zachowania środowiska przyrodniczego głębi i dna oceanicznego czy też przeprowadzania oceny oddziaływania na środowisko.
Minister środowiska 12 lutego 2018 r. podpisał z MODM 15-letnią Umowę, w sprawie prac pomiarowo-badawczych mających na celu identyfikację obszarów hydrotermalnych i powiązanych wytrąceń masywnych siarczków polimetalicznych. Umowa reguluje zakres prac badawczych w obrębie przyznanego obszaru o łącznej powierzchni 10 tys. km2, zlokalizowanego na Grzbiecie Śródatlantyckim. Planowane badania posłużą oszacowaniu znajdujących się tam zasobów. Dzięki temu Polska będzie miała pierwszeństwo przy ewentualnym złożeniu wniosku o wydobycie tam siarczków w przyszłości.
Trudności i koszty
MODM przyjęła przepisy obejmujące poszukiwanie i rozpoznawanie trzech grup surowców morskich. Są to:
– konkrecje polimetaliczne – pokrywają rozległe obszary dna oceanicznego, znaleźć je można na głębokościach 3500-6000 m p.p.m. Najbogatsze tereny ich występowania to obszary na zachód od wybrzeża Meksyku (Pacyfik, strefa Clarion-Clipperton), obszar Basenu Środkowo-indyjskiego czy Basenu Peruwiańskiego;
– siarczki polimetaliczne – występują w strefach rozrostu płyt oceanicznych i grzbietów śródoceanicznych, a także obszarów załukowych mórz marginalnych, w obszarach wzmożonych procesów wulkanicznych i hydrotermalnych. Ich złoża zostały zlokalizowane m.in. w strukturach dennych Pacyfiku, Oceanu Atlantyckiego, Oceanu Indyjskiego, Morza Śródziemnego czy Oceanu Arktycznego, w większości na głębokościach 800-4500 m;
– naskorupienia kobaltonośne – występują na głębokościach od <400, do ok. >5000 m, na obszarach o znacznej aktywności wulkanicznej. Najbogatsze i najliczniejsze złoża znajdują się w północno-zachodniej części Pacyfiku, mniej licznie w południowej części Atlantyku i Oceanie Indyjskim. Warunki jakie potrzebne są do powstania tych złóż występują w wielu przypadkach w wyłącznych strefach ekonomicznych państw.
„Dla Polski szczególne znaczenie przemysłowe ma pole Clarion-Clipperton na Oceanie Spokojnym” – powiedział Marek Borkowski. „Odznacza się ono wyjątkowo wysokim średnim wskaźnikiem konkurencyjności powyżej 10 kg/mkw., przy najwyższej koncentracji metali: 25–28 proc. dla manganu, 1,14–1,25 proc. dla niklu, ok. 1 proc. dla miedzi i 0,21 proc. w przypadku kobaltu. Zasoby pola, według ostatnich badań, oszacowano na 34 mld ton, w tym 7,5 mld ton manganu, 340 mln ton niklu, 265 mln ton miedzi i 78 mln ton kobaltu. Za przemysłowy obszar górniczy uznaje się zasoby umożliwiające wydobycie od 1,5 do 4 mln ton konkrecji rocznie. Dla przykładu działka firmy Inter Ocean Metal z siedzibą w Szczecinie o powierzchni 75 tys. km2 – zwłaszcza rejon B2 – zapewnia te wartości w okresie 25-letniego planowanego wydobycia. Niestety bogactwa te zalegają na głębokości od 4200 do 4500 m” – dodał profesor.
Olbrzymie trudności techniczne wynikające z dużych głębokości zalegania, możliwości występowania ciężkich warunków pogodowych oraz spora odległość złóż od stałych lądów powodują, że eksploatacja wiąże się z bardzo dużymi kosztami. Najpierw badań, a później budowy dużego systemu wydobywczego. Przemysłową eksploatację złóż należy w przyszłości rozpatrywać zatem w całości – jako system urządzeń wydobywczych, transportowych i przetwórczych.
Jak ma więc wyglądać wydobycie? Według eksperta AGH, eksploatacja będzie zależeć od form geologicznych i właściwości kopalin występujących na dnie mórz i oceanów oraz morfologii dna morskiego.
„Z odmienności środowiska morskiego wynika konieczność sprawdzenia czy techniki urabiania, stosowane w konwencjonalnym górnictwie, można wykorzystać w górnictwie morskim. Jeśli nie, to trzeba opracować nowe elementy technologii eksploatacji dna morskiego, uwzględniające ograniczenia wynikające ze specyfiki tego środowiska. Potencjalne techniki i systemy eksploatacji ze względu na wysokie ciśnienia panujące na dużych głębokościach, powinny być oparte na robotyzacji technologii i zdalnym sterowaniu” – stwierdził Marek Borkowski.
Jak to działa?
Od momentu rozpoczęcia badań nad możliwością przemysłowego wydobywania minerałów ze złóż morskich, opracowano wiele metod wydobywania, które można podzielić na cztery grupy: mechaniczne (linowo-pojemnikowe), hydrauliczne, z zastosowaniem autonomicznych pojazdów zanurzalnych i mieszane.
Obecnie większość technologii eksploatacji konkrecji polimetalicznych, czyli konglomeratów składających się z rożnych pierwiastków, występujących na dnie oceanów, oparta jest na metodach hydraulicznych, z wykorzystaniem agregatów aktywnych, najczęściej hydraulicznych i hybrydowych. W najbliższej przyszłości można się spodziewać dalszego rozwoju systemów ze szczególnym naciskiem na uzyskanie dużych wydajności wydobycia oraz ochrony środowiska oceanicznego.
Ważnym elementem metod hydraulicznych pod wodą jest agregat zbierający konkrecje lub urabiający. Oprócz urabiania podstawowymi funkcjami urządzenia jest wstępne oczyszczanie z osadów oraz podawanie do bufora lub innego urządzenia, które dokonuje dalszej przeróbki i transportu. W zależności od rozwiązań konstrukcyjnych i specyfiki pracy, agregaty zbierające konkrecje można podzielić na aktywne i pasywne. Pasywne są najczęściej ciągnięte po dnie przez inne jednostki, tym samym nie potrzebują zewnętrznego zasilania. Agregaty aktywne to takie, które mogą samodzielnie poruszać się po dnie.
Nawet za kilka lat
Kiedy można się spodziewać wydobycia głębokomorskiego na szerszą skalę? Eksperci mówią o perspektywie 5, 10 czy nawet 20 lat – w zależności od złoża. Ale są też przekonani, że w ciągu dekady czy dwóch przemysł wydobywczy nie będzie ograniczał się już tylko do naszej planety.
„Postępujące zmiany klimatyczne, które wymagają innego podejścia do szeroko rozumianego górnictwa na Ziemi, kończące się zasoby o charakterze nieodnawialnym, w tym te rzadko występujące, brak możliwości współpracy z państwami takimi jak Rosja, na terytorium których występują surowce, mogą z czasem zwrócić wzrok poszczególnych państw, podmiotów prywatnych ku górnictwu kosmicznemu” – powiedział Mariusz T. Kłoda z Katedry Prawa Handlowego, Morskiego i Postępowania Cywilnego Wydziału Prawa i Administracji Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu i sekretarz grupy roboczej w sprawie polskiego prawa kosmicznego. „To zwracanie wzroku będzie postępowało stopniowo, chociaż cały proces mogą przyspieszyć zmiany na arenie międzynarodowej. Nowa zimna wojna, nowy wyścig zbrojeń etc.” – uważa Kłoda.
Istotne znaczenie będzie miało uporządkowanie już istniejących systemów prawnych traktujących o eksploatacji złóż w kosmosie. Według eksperta szczególnie ważnym aspektem jest np. zagadnienie prawne czy dopuszczalne jest nabycie własności zasobu kosmicznego, pozyskanego w celu innym niż naukowy, czyli komercyjnym, i kto może takie prawo nabyć w przyszłości.
Kosmiczne ceny i potrzeby
W potencjalnych rozwiązaniach coraz częściej uwzględnia się możliwość eksploatacji złóż zawartych w planetoidach lub w innym typie ciał niebieskich. Jak się szacuje tylko jedna asteroida – (99942) Apophis zawiera ok 20 tys. ton irydu, co odpowiada 5 tys. lat ziemskiego wydobycia tego pierwiastka.
Dyskusyjna wciąż jest kwestia intratności sprowadzania takiego typu urobku na Ziemię. Związane jest to przede wszystkim z niezwykle wysokimi kosztami wynoszenia w kosmos jakichkolwiek obiektów. Obecnie korzystając z usług firmy SpaceX za wyniesienie jednego kilograma zapłacilibyśmy 1500 dol. z wykorzystaniem superciężkiej rakiety nośnej Falcon Heavy oraz 2600 dol. gdyby była to rakieta Falcon 9. Użycie rakiety Vega należącej do Europejskiego Agencji Kosmicznej kosztowałoby aż 20 tys. dol./kg (według źródła ourworldindata.org, 2022). Co więcej, opisane koszty dotyczą niskiej orbity okołoziemskiej, co oznacza, że w przypadku dalszej podróży mielibyśmy do czynienia ze znacznym wzrostem tych wartości. Z tego względu próg rentowności takiej operacji jest podniesiony niezwykle wysoko.
Jak wyjaśnia Polska Agencja Kosmiczna, koncepcją rozwiązującą poniekąd ten problem jest idea ISRU (in-situ resource utilization), czyli wykorzystania danych surowców dosłownie na miejscu. Oznacza to, że np. w przypadku jednorazowego wystrzelenia maszyny kosmicznej urabiającej kopalinę, po wyekstrahowaniu konkretnego użytecznego składnika z rudy moglibyśmy używać go do produkcji danego surowca już w kosmosie (bez konieczność sprowadzania go na Ziemię).
„Proces ten będzie konieczny w przypadku jakiegokolwiek wielkoskalowego podboju przestrzeni kosmicznej, a także, jakiegokolwiek stałego pobytu człowieka na dowolnym ciele niebieskim” – stwierdził Jeremiasz Merkel, specjalista w Departamencie Badań i Innowacji Polskiej Agencji Kosmicznej (POLSA). „Minusem tego rozwiązania są oczywiście olbrzymie koszty związane z dostarczeniem i utrzymaniem niezbędnej do realizacji tego celu infrastruktury, a także szereg problemów logistycznych i inżynieryjnych, stojących przed potencjalnymi pionierami w tej dziedzinie. Niezwykle trudne warunki związane między innymi z obecnością promieniowania kosmicznego, brak grawitacji i wiele, wiele innych. Niemniej jednak już teraz prowadzone są intensywne prace badawcze, koncepcyjne i legislacyjne” – tłumaczył specjalista.
Bazując na opracowaniu „ESA Space Resources Strategy” można wyróżnić cztery najbardziej prawdopodobne kategorie wykorzystania surowców pozaziemskich:
– materiały pędne (np. wykorzystanie tlenu zawartego w lodzie do produkcji paliwa rakietowego);
– materiały eksploatacyjne wykorzystywane w różnych systemach podtrzymujących życie (np. tlen i woda jako produkty uboczne pozyskiwane podczas produkcji materiału napędowego);
– metale i materiały do realizacji najróżniejszych procesów inżynieryjnych „in-situ” (materiały konstrukcyjne – aluminium, żelazo, tytan, krzem etc., przydatne między innymi podczas budowy habitatów księżycowych/planetarnych);
– produkty charakteryzujące się wysoką wartością na Ziemi (metale z grupy platynowców).
Ze względu na szereg czynników, takich jak lokalizacja przestrzenna, warunki „atmosferyczne” i wiele innych, najważniejszymi ciałami niebieskimi, które rozważane są w kontekście potencjalnej, pozaziemskiej eksploatacji planetarnej są kolejno: Księżyc, planetoidy i Mars.
Na Srebrnym Globie
Zasady współpracy odnośnie prac na Księżycu reguluje program NASA Artemis. Daje on podmiotom z krajów-sygnatariuszy możliwość tworzenia Artemis Accords Non-Conflict Zone, będących strefami wyłącznych praw ekonomicznych. Jeżeli kraj jest sygnatariuszem tego porozumienia, to może zabezpieczyć swoje prawa do czerpania wyłącznych korzyści z danego terenu.
Od jakiegoś czasu najaktywniejsze na Księżycu są Chiny, które w ciągu kilku ostatnich lat trzykrotnie wysłały tam statki bezzałogowe. W najbliższym czasie na Srebrnym Globie mają wylądować dwa zakontraktowane przez NASA lądowniki transportujące aparaturę, która pomoże w kolonizacji Księżyca. Rozpocznie się też imponujący program NASA (we współpracy z prywatnymi firmami i Europejską Agencją Kosmiczną) – Artemis.
Na Księżycu znajdują się bowiem bardzo atrakcyjne surowce. Przede wszystkim hel-3. To niezbyt często występujący na Ziemi izotop, który pozwala na produkcję ogromnej ilości czystej energii, a także złoto, platyna i inne rzadkie pierwiastki wykorzystywane w technologii oraz elektronice. Przewiduje się, że to właśnie na Księżycu rozpocznie się era kosmicznego górnictwa.
Bogactwo w pasie
Jeszcze bogatsze w surowce asteroidy wydają się na razie większym wyzwaniem. Ze względu na oddziaływania grawitacyjne zachodzące pomiędzy Słońcem a Jowiszem największe skupisko planetoid ma miejsce w głównym pasie asteroid (obszar pomiędzy Marsem a Jowiszem). Rejon ten nazywany jest głównym pasem ze względu na to, że w Układzie Słonecznym występują jeszcze inne obszary kumulacji małych ciał np. pas Kuipera, leżący na peryferiach Układu Słonecznego za orbitą Neptuna, czy hipotetyczny lodowy obłok Oorta, zlokalizowany jeszcze dalej. Ciekawymi skupiskami planetoid są też grupy poruszające się w przybliżeniu po orbicie Jowisza – „Grecy” i „Trojańczycy”.
Głównym sposobem na określenie potencjalnego składu mineralnego planetoid jest wykorzystanie spektroskopii, która zajmuje się badaniem oddziaływań pomiędzy promieniowaniem elektromagnetycznym a materią. Materia może pochłaniać promieniowanie (absorpcja) lub je emitować. Bazując na tej zależności po analizie widma fal elektromagnetycznych danego ciała niebieskiego naukowcy są w stanie ustalić jego przypuszczalny skład chemiczny. Kolejnymi sposobami są analiza składu chemicznego meteorytów (czyli fragmentów skał, które w wyniku zderzeń zostały odseparowane od ciał macierzystych aż finalnie spadły na naszą planetę), a także analiza próbek pobranych bezpośrednio z planetoid (co oczywiście w chwili obecnej jest niezwykle rzadkie). Najważniejszymi misjami obejmującymi badania planetoid przeprowadzonymi w ostatnich latach były między innymi: NEAR Shoemaker, Cassini-Huygens, Stardust, Dawn, Chang’e, Hayabusa, OSIRIS-REx czy DART.
Czerwona planeta przyciąga
Podbój Marsa, ze względu na odległość od Ziemi, będzie możliwy prawdopodobnie dopiero po wcześniejszej eksploracji Księżyca i planetoid. Najbardziej zaawansowana jest obecnie misja amerykańska. Na Marsa poleciał nie tylko łazik o nazwie Perseverance, ale i dołączony do niego minihelikopter zasilany słońcem. Chiny też wysłały łazik i – podobnie jak Zjednoczone Emiraty Arabskie – sondę.
Na orbitę Marsa udało się dotrzeć dopiero czterem agencjom: NASA, rosyjskiemu Roskosmosowi, Europejskiej Agencji Kosmicznej oraz Indyjskiej Organizacji Badań Kosmicznych.
Per aspera ad astra
Działalność w zakresie eksploracji możliwości eksploatacji surowców pozaziemskich związana jest z koniecznością zintensyfikowanej współpracy międzynarodowej. Wyjątkiem od tej reguły mogą być Stany Zjednoczone, które są odpowiedzialne za ponad 70 proc. inwestycji w szeroko rozumianą eksplorację kosmiczną (wg Euroconsult, 2022). USA kooperują również w tym zakresie między innymi z europejską czy Japońską Agencją Kosmiczną.
„Ostatnie wydarzenia, a w szczególności pandemia COVID-19, wojna w Ukrainie, szalejąca inflacja et cetera, jasno pokazują, że nikt o zdrowych zmysłach nie powinien podejmować się zadania przewidywania przyszłości. Inspirując się wartościową maksymą „najlepszym sposobem na przewidzenie przyszłości jest jej zaprojektowanie” możemy jednak podjąć szereg działań mających na celu określenie pewnego azymutu wyznaczającego ogólny kierunek naszych przyszłych dążeń” – stwierdził ekspert POLSA.
Jeremiasz Merkel wskazał też na kluczowe aspekty eksploracji kosmicznej i najważniejsze kwestie późniejszej eksploatacji surowców pozaziemskich.
To przede wszystkim stworzenie wielorazowego, bezpiecznego i ekonomicznego systemu transportu na linii Ziemia a przestrzeń kosmiczna. Obecnie jedną z najbardziej obiecujących dostępnych na rynku propozycji tego typu jest projekt Falcon Heavy, rozwijany przez amerykańską firmę SpaceX. Drugą rzeczą jest stworzenie infrastruktury umożliwiającej dłuższą obecność człowieka w dalszej przestrzeni kosmicznej. Prawdopodobnie takim obiektem będzie stacja Gateway, której koncepcja rozwijana jest przez NASA. Ekspert POLSA powiedział też o konieczności doskonalenia technologii badawczych, związanych z eksploracją różnych ciał niebieskich, takich jak np. spektroskopia, przyrządy grawimetryczne, sondy kosmiczne itp.
Wszystko to wymaga też uporządkowania kwestii legislacyjnych. Jedną z pierwszych takich prób, na szerszą skalę, jest porozumienie Artemis Accords, stworzone przez NASA, będące swoistym rozszerzeniem Traktatu z 1967 r. o zasadach rządzących działalnością państw w zakresie eksploracji i użytkowania przestrzeni kosmicznej, w tym Księżyca i innych ciał niebieskich, zwanego inaczej jako Traktat o Przestrzeni Kosmicznej. W wyniku podpisania porozumienia przez prof. Grzegorza Wrochnę, prezesa Polskiej Agencji Kosmicznej, Polska stała się czwartym w Europie (a 13. na świecie) sygnatariuszem tego dokumentu.
