В нашей недавней статье упоминался метод использования местных ресурсов (ISRU), имеющий большое значение для дальнейшего освоения космоса. ISRU предполагает использование имеющихся на месте ресурсов для производства расходных материалов, необходимых для космической деятельности, таких как кислород, вода, ракетное топливо и строительные материалы. Благодаря производству этих необходимых веществ непосредственно на Луне, а впоследствии и на Марсе, если технология окажется успешной, можно ожидать значительного уменьшения массы грузов, отправляемых с Земли, что также снизит логистические и финансовые затраты.
Одним из ключевых элементов, которые необходимо производить вне Земли для поддержания жизни за её пределами, является кислород, или «жизненный газ», как его первоначально назвал французский химик Антуан Лавуазье. На Луне отсутствуют газообразный кислород и атмосфера в целом, а атмосфера Марса содержит лишь 0,13 % кислорода по сравнению с 21 % в атмосфере Земли. Однако кислород является самым распространённым элементом в коре всех трёх планет, составляя от 40 до 60 % их массы. Прежде чем его можно будет использовать, его необходимо извлечь и каким-то образом высвободить, так как сейчас он заключён в горных породах и ледяных шапках в виде оксидов, силикатов или воды.
Статья, недавно опубликованная авторитетным международным научно-популярным изданием The Conversation, посвящена одной конкретной технологии, которую можно было бы использовать для этой цели.
Использование пиролиза для разложения лунной пыли
Лунный реголит – слой почвы, покрывающий Луну – в основном состоит из мелких обломков горных пород и пыли. Его состав довольно сложен и представлен преимущественно несколькими минералами (плагиоклазом, пироксеном, оливином), которые, в свою очередь, представляют собой смесь оксидов металлов — химических соединений, в которых кислород связан с кремнием, железом, кальцием и другими элементами. Чтобы высвободить кислород, необходимо разорвать химические связи, связывающие его с другими элементами.
Одним из возможных методов является пиролиз — химическая реакция, при которой материалы разлагаются при высоких температурах с образованием летучих соединений. Лунный реголит можно нагреть до такой степени, что оксиды металлов будут испаряться и разлагаться на кислород и металлы.
Конечно, для этого потребуется значительное количество энергии. На Луне одним из очевидных решений является тепловая (солнечная) энергия. Однако здесь есть определённые проблемы. «Солнечные элементы, используемые в космосе в настоящее время, совершенно превосходные: их эффективность достигает 30 % или даже 40 %, но за эту эффективность приходится платить, — говорит ведущий исследователь Потсдамского университета (Германия) Феликс Ланг. — Они очень дорогие и относительно тяжёлые, поскольку в качестве покрытия используют стекло или толстую фольгу. Трудно обосновать полномасштабный запуск таких элементов в космос».
Для справки: в более ранней статье, опубликованной в журнале Device (издание Cell Press), предлагалось использовать солнечные элементы, изготовленные из самой лунной пыли! Исследователи расплавили вещество, имитирующее лунную пыль, превратив его в «лунное стекло», и использовали его для создания нового типа солнечных батарей. Они изготовили батареи, соединив «лунное стекло» с перовскитом — минералом, представляющим собой титанат кальция (CaTiO3). Кристаллы перовскита дёшевы в производстве, просты в изготовлении и очень эффективны в преобразовании солнечного света в электричество благодаря типу своей решётки и гибкой структуре.
Солнечная печь: эффективный и недорогой метод
Как объясняют эксперты The Conversation, энергию можно довольно эффективно получать с помощью концентрации солнечной энергии — процесса, при котором с помощью зеркал или линз солнечный свет фокусируется на небольшой площади. Лучи сходятся в пучок, собирая энергию в точке фокусировки, где температура может достигать нескольких тысяч градусов. Этот метод также использует преимущества лунного вакуума — среды, благоприятной для реакций с выделением газа. Это позволило бы сократить количество энергии, необходимое для реакции.
Условия Луны особенно благоприятны для солнечного пиролиза. Давление на её поверхности чрезвычайно низкое — всего 10–15 бар. Отсутствие атмосферы означает, что солнечное излучение не может ею поглощаться или блокироваться облаками. Это позволяет получить более высокие концентрированные солнечные потоки в сравнении с Землёй. Более того, определённые географические районы Луны, такие как её южный полюс, испытывают воздействие солнечного света до 90 % времени. Всё вышеперечисленное делает системы концентрации солнечной энергии относительно простым, надёжным и потенциально эффективным методом для извлечения кислорода из реголита.
Процесс пиролиза был протестирован на Земле в Лаборатории процессов, материалов и солнечной энергии (PROMES-CNRS) — одном из мировых лидеров в области технологий концентрации солнечной энергии. Лаборатория находится на территории крупнейшей в мире Одейлийской солнечной печи, расположенной в департаменте Восточные Пиренеи на юге французского региона Окситания. Лаборатория располагает уникальными экспериментальными установками, предназначенными для изучения высокотемпературных процессов, такими как двухметровые параболические зеркала, способные концентрировать солнечный свет в 10 000 раз на точке диаметром около 2 см, обеспечивая температуру свыше 3000 °C.
Полученная энергия питает реактор пиролиза — вакуумную камеру, предназначенную для воздействия концентрированного солнечного потока на образцы материалов, имитирующие лунный реголит. Параболическое зеркало фокусирует солнечный свет внутри реактора для нагрева гранул имитатора. С помощью гальванического элемента измеряется концентрация кислорода в реакторе.
После запуска процесса образец постепенно нагревается и начинает плавиться при температуре около 1200 °C. Впоследствии реголит достигает температуры около 2000 °C. В этих условиях оксиды начинают испаряться и распадаться, выделяя кислород. В ходе первоначальных испытаний из гранулы массой 3,38 г было извлечено 35 мг кислорода, что составляет около 1 % от общей массы. Это соответствует 2,5 % кислорода, содержащегося в образце.
Первоначальные испытания принесли фактический результат, хотя и не очень высокий. На следующих этапах разработки исследователи будут стремиться снизить давление внутри реактора, чтобы приблизиться к лунным условиям. Снижение давления должно уменьшить температуру, необходимую для пиролиза, что позволит образцу полностью испариться и увеличить выход продукции. Существуют и другие направления улучшения работы устройства, такие как более точное регулирование температуры, более эффективный сбор выделенного газа и снижение тепловых потерь за счет использования тигля и его изоляции.
Метод пиролиза имеет двойное преимущество, поскольку позволяет выделять кислород и получать побочные продукты, которые можно использовать для производства строительных материалов и других полезных веществ непосредственно на Луне. Это значительно повышает автономность будущих лунных и марсианских миссий.
Однако для Марса могут существовать и более эффективные решения. На марсоходе Perseverance, запущенном в 2020 году, был установлен специальный экспериментальный модуль Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE). Технология MOXIE была впервые применена в апреле 2021 года для получения в марсианской атмосфере кислорода из углекислого газа с помощью электролиза и стала первым экспериментальным извлечением природного ресурса с другой планеты для использования человеком.
