Max Home IndustryВнутри гигантской сферы инженеры изучали свое оборудование. Перед ними стояло серебристое металлическое приспособление, окутанное разноцветными проводами, — коробка, которая, как они надеются, когда-нибудь будет производить кислород на Луне.
Как только команда покинула сферу, начался эксперимент. Машина, похожая на коробку, теперь поглощала небольшие количества пыльного реголита — смеси пыли и острых зерен с химическим составом, имитирующим настоящий лунный грунт.
Вскоре этот реголит превратился в кашу. Его слой нагрелся до температуры выше 1650 °C. И с добавлением некоторых реагентов кислородсодержащие молекулы начали выделяться пузырьками.
«Мы уже проверили все, что могли, на Земле», — говорит Брант Уайт, менеджер программы в частной компании Sierra Space. «Следующий шаг — отправиться на Луну».
Эксперимент Sierra Space развернулся в Космическом центре имени Джонсона NASA этим летом. Это далеко не единственная подобная технология, над которой работают исследователи, поскольку они разрабатывают систему, которая могла бы снабжать астронавтов, живущих на будущей лунной базе.
Этим астронавтам понадобится кислород для дыхания, а также для производства ракетного топлива для космических кораблей, которые могут запускаться с Луны и отправляться в более отдаленные пункты назначения, включая Марс.
Обитателям лунной базы также может потребоваться металл, и они даже могут добывать его из пыльного серого мусора, который усеивает лунную поверхность.
Многое зависит от того, сможем ли мы построить реакторы, способные эффективно извлекать такие ресурсы, или нет.
«Это могло бы сэкономить миллиарды долларов на расходах на миссию», — говорит Уайт, объясняя, что альтернатива — доставка большого количества кислорода и запасного металла на Луну с Земли — была бы трудной и дорогой.
К счастью, лунный реголит полон оксидов металлов. Но хотя наука извлечения кислорода из оксидов металлов, например, хорошо изучена на Земле, сделать это на Луне гораздо сложнее. Не в последнюю очередь из-за условий.
Огромная сферическая камера, в которой проводились испытания Sierra Space в июле и августе этого года, создавала вакуум, а также имитировала лунные температуры и давления.
Компания заявляет, что ей пришлось со временем усовершенствовать работу машины, чтобы она могла лучше справляться с чрезвычайно неровной, абразивной текстурой самого реголита. «Он проникает всюду, изнашивает всевозможные механизмы», — говорит Уайт.
И одна, важная вещь, которую вы не можете проверить на Земле или даже на орбите вокруг нашей планеты, — это лунная гравитация, которая составляет примерно одну шестую от земной. Sierra Space, возможно, не сможет протестировать свою систему на Луне, используя настоящий реголит в условиях низкой гравитации, до 2028 года или позже.
Гравитация Луны может стать настоящей проблемой для некоторых технологий извлечения кислорода, если инженеры не спроектируют ее с учетом этого, говорит Пол Берк из Университета Джонса Хопкинса.
В апреле он и его коллеги опубликовали статью с подробным описанием результатов компьютерного моделирования, которые показали, как относительно слабое гравитационное притяжение Луны может затруднить другой процесс извлечения кислорода. Исследуемый здесь процесс представлял собой электролиз расплавленного реголита, который подразумевает использование электричества для расщепления лунных минералов, содержащих кислород, с целью непосредственного извлечения кислорода.
Проблема в том, что такая технология работает, образуя пузырьки кислорода на поверхности электродов глубоко внутри самого расплавленного реголита. «Это консистенция, скажем, меда. Он очень, очень вязкий», — говорит доктор Берк.
«Эти пузырьки не будут подниматься так быстро — и, возможно, их отсоединение от электродов будет задержано».
Обойти это можно было бы с помощью вибрации устройства, производящего кислород, что могло бы высвободить пузырьки.
А сверхгладкие электроды могли бы облегчить отсоединение пузырьков кислорода. Доктор Берк и его коллеги сейчас работают над такими идеями.
Технология Sierra Space, карботермический процесс, отличается. В их случае, когда содержащие кислород пузырьки образуются в реголите, они делают это свободно, а не на поверхности электрода. Это означает, что у них меньше шансов застрять, говорит Уайт.
Подчеркивая ценность кислорода для будущих лунных экспедиций, доктор Берк подсчитал, что в день астронавту потребуется количество кислорода, содержащееся примерно в двух-трех килограммах реголита, в зависимости от физической подготовки и уровня активности этого астронавта.
Однако система жизнеобеспечения лунной базы, скорее всего, будет перерабатывать кислород, выдыхаемый астронавтами. Если это так, то не будет необходимости перерабатывать столько реголита только для того, чтобы поддерживать жизнь лунных жителей.
Реальный вариант использования технологий извлечения кислорода, добавляет доктор Берк, заключается в обеспечении окислителя для ракетного топлива, что может обеспечить амбициозное исследование космоса.
Очевидно, что чем больше ресурсов можно будет произвести на Луне, тем лучше.
Система Sierra Space требует добавления некоторого количества углерода, хотя фирма заявляет, что может перерабатывать большую его часть после каждого цикла производства кислорода.
Вместе с коллегами Палак Патель, аспирант Массачусетского технологического института, придумала экспериментальную систему электролиза расплавленного реголита для извлечения кислорода и металла из лунного грунта.
«Мы действительно смотрим на это с точки зрения: «Давайте попробуем минимизировать количество миссий по пополнению запасов»», — говорит она.
При проектировании своей системы Патель и ее коллеги обратились к проблеме, описанной доктором Берком: низкая гравитация может препятствовать отделению пузырьков кислорода, которые образуются на электродах. Чтобы противостоять этому, они использовали «соникатор», который взрывает пузырьки звуковыми волнами, чтобы выбить их.
Патель говорит, что будущие машины по добыче ресурсов на Луне могли бы получать железо, титан или литий из реголита, например. Эти материалы могли бы помочь астронавтам, живущим на Луне, изготавливать 3D-печатные запасные части для своей лунной базы или сменные компоненты для поврежденных космических кораблей.
Полезность лунного реголита на этом не заканчивается. Патель отмечает, что в отдельных экспериментах она расплавила имитированный реголит в прочный, темный, похожий на стекло материал.
Она и ее коллеги разработали способ превращения этого вещества в прочные, полые кирпичи, которые могли бы быть полезны для строительства сооружений на Луне — например, внушительного черного монолита. Почему бы и нет?