W dniu, w którym Elon Musk zadziwił świat, pięciorgu naukowcom z Akademii Górniczo-Hutniczej zapewne przemknęła myśl, że podobna misja może się wkrótce stać również ich udziałem. Wprawdzie nie zamierzają ekspediować poza naszą planetę czerwonego samochodu, za kierownicą którego siedzi manekin w skafandrze astronauty, a z głośników sączy się zapętlony David Bowie, nie celują też bezpośrednio w Marsa, ale mimo to międzynarodowy projekt, którego efektem ma być pionierskie lądowanie na Fobosie, potrafi rozbudzić wyobraźnię.

– Dzięki temu może lepiej poznamy historię naszego Układu Słonecznego. – W głosie dr Katarzyny Cyran z Wydziału Górnictwa i Geoinżynierii AGH wyraźnie słychać nutę ekscytacji.

Właśnie ekscytacji, a nie strachu czy lęku, choć te nie byłyby wcale bezpodstawne, gdyby tylko wierzyć w przeznaczenie. W mitologii greckiej, zarówno Fobos, jak i Deimos, synowie boga wojny, byli bowiem uosobieniem tych emocjonalnych stanów. Ich nazwy nie są więc przypadkowe, ale dla badaczy zajmujących się eksploracją Kosmosu to po prostu dwa słabo do tej pory rozpoznane księżyce Marsa. Tym większym, i położonym bliżej Czerwonej Planety, jest Fobos. Krąży około 6 tys. km od jej powierzchni. Żaden inny satelita w Układzie Słonecznym nie znajduje się w tak niewielkiej odległości od swojej macierzystej planety. Jeśli dodać do tego małą masę Fobosa, wydaje się, że wylądowanie na nim jest dziecinnie proste. O tym, że to tylko pozory, dobitnie przekonali się Rosjanie, którzy już dwukrotnie – w 1998 i w 2011 roku – wysyłali w tym kierunku swoje sondy. Ostatnim razem skonstruowany przez agencję Roskosmos Fobos-Grunt, który miał dostarczyć na Ziemię próbki gruntu, dotarł jedynie na orbitę okołoziemską i spłonął nad południowym Pacyfikiem. Pomni tamtych niepowodzeń, ale i pełni nowych nadziei, naukowcy szykują już kolejną próbę. Tym razem pod auspicjami Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Data lądowania nie została jeszcze formalnie ogłoszona, spekuluje się o roku 2022, ale przygotowania do niej trwają w najlepsze. Nic tak dobrze nie oddaje istoty wyzwania, przed jakim stają uczestnicy projektu, jak jego nazwa: „LOOP – Landing once on Phobos”.

– Powodzenie misji osadzenia lądownika na Fobosie zależy w dużym stopniu od momentu zetknięcia lądownika z powierzchnią księżyca. Będzie tylko jedna szansa, więc musi się udać za pierwszym razem. Jeśli sonda odbije się od powierzchni i przemieści, celu nie uda się osiągnąć – tłumaczy nieomal „saperską” specyfikę przygotowań dr Cyran. W gestii krakowskiego zespołu będzie leżało zamodelowanie gruntu marsjańskiego księżyca, a potem – wespół z Centrum Badań Kosmicznych PAN – symulacja kontaktu stopy lądownika z powierzchnią Fobosa.

Gruntow(n)a imitacja

To właśnie CBK namówiło inżynierów AGH do tego, by stanąć w konkursowe szranki. W trakcie długich i żmudnych negocjacji ESA stawiała restrykcyjne wymagania co do realizacji badań, sposobów postępowania, z drugiej strony płynęły z kolei propozycje optymalnych rozwiązań związanych z modelowaniem. Po niespełna roku takich pertraktacji projekt wart 100 tysięcy euro trafił do Polski.

– Negocjacje służą temu, żeby przewidzieć ryzyko oraz konsekwencje podejmowanych działań. Analiza ryzyka to kluczowy element wielu projektów naukowych. Dla mnie wymagania stawiane przez ESA nie są problemem. Etap ten był wprawdzie czasochłonny i mocno sformalizowany, ale dzięki temu organizacja i harmonogram realizacji projektu zostały szczegółowo dopracowane – nie ma wątpliwości dr Cyran.

W pierwszym etapie głównym celem jest znalezienie materiału, który mógłby stanowić imitację „gruntu” Fobosa. Ten marsjański księżyc, którego powierzchnia wynosi około 6100 km2, charakteryzuje się wyjątkowo małą gęstością (1,9 g/cm3). Jedynym w zasadzie źródłem informacji na temat jego budowy są wysokiej rozdzielczości zdjęcia widm w podczerwieni, które dają pewne wyobrażenie, ale nie do końca. Tymczasem w badaniach kontaktu stopy lądownika z powierzchnią Fobosa budowa jego powierzchni stanowi kluczowy element. W tym więc wypadku pozostaje opierać się na istniejących hipotezach. Możliwe, że Fobos jest zbudowany z marsjańskich skał bazaltowych, które mogły zostać wyrzucone w kosmos na skutek gigantycznej kolizji jakiegoś obiektu z Czerwoną Planetą. Ale jest też inna teoria, odnosząca się do ciemnej barwy obiektu, co mogłoby z kolei sugerować, że to przechwycona przez siły grawitacyjne Marsa asteroida typu C lub D. Trudno rozstrzygnąć, która z tych koncepcji jest bardziej prawdopodobna, a preferowanie którejkolwiek z nich byłoby zbyt ryzykowne. Na razie nie pozostaje więc nic innego, jak traktować obie na równi.

– Informacje, które możemy pozyskać w rezultacie eksploracji Fobosa, są ściśle związane z jego genezą. Jeżeli Fobos jest zbudowany z materiału marsjańskiego, jego badania wzbogacą naszą wiedzę na temat procesów związanych z formowaniem księżyców i ich ewolucją. Natomiast jeżeli się okaże asteroidą typu C lub D, poznamy materiał, z którego powstał nasz Układ Słoneczny – spekuluje prof. dr hab. inż. Marek Cała, dziekan Wydziału Górnictwa i Geoinżynierii AGH.

Piasek, beton, a może pumeks?

W tego typu badaniach podstawą jest wybranie odpowiedniego analogu, czyli występującego na Ziemi materiału, który ma odwzorować własności powierzchni danej planety czy asteroidy. Takich zamienników szuka się w materiałach różnego rodzaju. Dla przykładu, ziemski odpowiednik regolitu księżycowego, oznaczony symbolem JSC-1A, wytworzony został przez zmielenie i selekcję ziaren skały bazaltowej pozyskiwanej z kamieniołomu zlokalizowanego na stoku krateru wulkanicznego w Arizonie w USA. Inny analog materiału pokrywającego „nasz” Księżyc nazwano CHENOBI, a powstał on w wyniku zmielenia rozdrobnionych i wyselekcjonowanych ziaren i cząstek ziemskiego anortozytu z dodatkiem szkła wulkanicznego. Natomiast powierzchnię Marsa doskonale imituje drobno zmielona skała bazaltowa pochodząca z Hawajów. Badania właściwości tych materiałów pozwalają naukowcom na przeprowadzanie symulacji numerycznych, z których pod postacią równania wyłania się model matematyczny, a w dalszej kolejności model inżynierski. Nie inaczej będzie i tym razem.

– W przypadku Fobosa szukamy materiałów bardzo lekkich, porowatych, zbliżonych właściwościami fizycznymi i mechanicznymi do regolitu Fobosa – opisuje kryteria doboru dr Katarzyna Cyran, a prof. Marek Cała dodaje jeszcze do tego odpowiedni skład mineralny i ziarnowy. Jak wyjaśnia, własności materiałów będą oceniane w standardowych próbach wytrzymałościowych oraz specjalnie zaprojektowanych na potrzeby projektu stanowiskach badawczych.

Nie bez znaczenia jest to, że miąższość regolitu na marsjańskim księżycu jest zmienna i może wynosić od 0,1 do nawet kilkudziesięciu metrów. Właśnie ze względu na tę specyfikę, należy jako jego zamienniki rozpatrywać zarówno materiały sypkie, jak i zwięzłe. Krakowscy inżynierowie wytypowali już kilka potencjalnych kandydatur, m.in. piasek kwarcowy, beton komórkowy, piankę montażową oraz pumeks. Niewykluczone jednak, że wachlarz propozycji jeszcze się powiększy, również o mieszanki.

Trzeba pamiętać, że sam materiał to tylko jeden z elementów sukcesu. Równie istotne przy tworzeniu modelu będzie uwzględnienie warunków panujących na Fobosie. Temperatura waha się tam w przedziale od –4 do –112 stopni Celsjusza, trzeba się także liczyć z tym, że jego niewielka powierzchnia jest gęsto pokryta różnej wielkości kraterami powstałymi po bombardowaniu meteorytami. Zdaniem moich rozmówców, najistotniejszy będzie jednak inny czynnik: niska wartość przyspieszenia grawitacyjnego. Jest ono około tysiąc razy mniejsze niż na Ziemi i w toku prac konieczne będzie „odwzorowanie” tej mikrograwitacji oraz zoptymalizowanie modelu kontaktu.

– Model numeryczny zostanie zbudowany na podstawie wyników badań laboratoryjnych oraz symulacji numerycznych i będzie powstawał stopniowo w kilku etapach. W jego budowie wykorzystamy nasze doświadczenie w modelowaniu numerycznym gruntów i materiałów ziemskich – zapowiada dziekan WGiG.

Kosmiczny fedrunek

Testy będą przeprowadzane w specjalnie do tego przystosowanej hali na Wydziale Górnictwa i Geoinżynierii krakowskiej akademii. Umieszczona tam zostanie mobilna platforma, na której zbadane zostaną reakcje różnego rodzaju materiałów symulujących powierzchnię Fobosa na zderzenie ze stopą lądownika. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem (na realizację projektu przewidziano dwa lata) po przeszło półwieczu postawienia „małego kroku dla człowieka, ale wielkiego skoku dla ludzkości” będzie można zrobić kolejny, choć już nie przez astronautę i nie na ziemskim Księżycu. Niewykluczone przecież, że wkrótce Fobos będzie „przystankiem” podczas podróży na i z Marsa.

– Udział w takim projekcie to trochę jak spełnienie dziecięcych marzeń. Nie można powiedzieć, że są to badania, jakich wiele prowadzi się w trakcie zawodowej kariery na uczelni – nie ukrywa dr Katarzyna Cyran, mając przy tym nadzieję, że opracowany model kontaktu przyda się nie tylko w tej konkretnej misji, lecz zostanie wykorzystany w planowaniu lądowania także na innych asteroidach. W tym kontekście nie da się uniknąć porównań z Elonem Muskiem, który w lutym wysłał w kosmos rakietę Falcon Heavy. Idée fixe amerykańskiego miliardera jest bowiem obniżenie kosztów wystrzeliwania satelitów. Bez wątpienia przyczyniłoby się to do ekspansji człowieka i rozwoju… górnictwa kosmicznego, czyli tzw. asteroid mining. Ta nieistniejąca jeszcze gałąź przemysłu opierać się ma na pozyskiwaniu surowców naturalnych właśnie wprost z ciał niebieskich. Wziąwszy pod uwagę kwestie ochrony środowiska, wyczerpywanie się zasobów na naszej planecie, wreszcie jej przeludnienie, perspektywa wydobycia i importu bogactw z zewnętrznych źródeł, np. planetoid, staje się coraz bliższa realizacji.

– Dziś wydaje się to jeszcze abstrakcyjne, ale czy asteroida zbudowana np. z platyny nie wydaje się być atrakcyjnym obiektem do eksploatacji? – prowokacyjnie pyta dr Cyran.

Opłacalność takich misji jest tylko kwestią czasu. Nic więc dziwnego, że firmy z branży technologicznej nie czekają z założonymi rękoma, lecz kują żelazo, póki gorące. Zresztą, świat nauki nie pozostaje w tyle. W końcu nie bez powodu prestiżowa Colorado School of Mines otworzyła niedawno studia doktoranckie na kierunku górnictwo kosmiczne.

Ale potencjał tkwiący w kosmicznych przedsięwzięciach dostrzegają też w Akademii Górniczo-Hutniczej. LOOP to bowiem niejedyny tego typu projekt tam realizowany. Wcześniej studenckie koło naukowe AGH Space Systems pomyślnie przeprowadziło pełny test pierwszego w Polsce pełnowymiarowego silnika rakietowego na ciekły materiał pędny. Wytwarza on 100 kg siły ciągu, a dodatkowym plusem konstrukcji jest wykorzystanie alkoholu jako paliwa oraz chłodzenie ablacyjne. Co więcej, nowością na skalę światową jest zastosowanie podtlenku azotu jako utleniacza. Silnik o nazwie Zawisza wyszedł już poza testy laboratoryjne i jest zdolny do samodzielnej pracy na pokładzie rakiety. Z kolei na przyszły rok zaplanowano wystrzelenie w kosmos pierwszego na świecie, skonstruowanego wspólnie przez studentów AGH i UJ, satelity wykorzystującego ferrofluid do sterowania swoim położeniem. Ten ciekły magnez, w który zaopatrzony zostanie satelita KRAKSat, posłuży do stabilizacji jego orientacji względem Ziemi i sprawdzenia użycia ferrofluidu jako ciekłego koła zamachowego. ?