|
Добыча кислорода из лунной почвы
|
|
|
|
Между Соединенными Штатами и Китаем начинается новая гонка за Луну. В отличие от ситуации пятидесяти лет назад, цель теперь состоит не только в посадке и отбытии, но и в создании базы, обеспечивающей устойчивое присутствие и длительное пребывание на поверхности нашего естественного спутника. Теперь задача состоит в том, чтобы использовать Луну в качестве полигона для испытаний технологий, которые позволят нам путешествовать дальше, особенно на Марс.
|
|
|
|
Одной из таких ключевых технологий является использование ресурсов на месте (ISRU), которое предполагает использование имеющихся ресурсов для производства необходимых для человеческой деятельности расходных материалов: кислорода, воды, ракетного топлива или строительных материалов. Производя эти необходимые ресурсы непосредственно на Луне, можно будет значительно уменьшить массу грузов, отправляемых с Земли, тем самым снизив логистические и финансовые затраты на освоение космоса. Вместо импорта этих ресурсов с Земли, цель состоит в том, чтобы научиться жить на Луне.
|
|
Разложение лунной пыли для извлечения кислорода
|
|
|
|
На заре устойчивого возвращения человечества на Луну, ISRU становится стратегическим поворотным моментом. Одна из главных задач — получение кислорода из реголита, слоя лунной почвы, состоящего в основном из мелких обломков горных пород и пыли. Состав реголита сложен и в основном состоит из нескольких минералов (плагиоклаз, пироксен, оливин), которые, в свою очередь, представляют собой смесь оксидов металлов — химических соединений, связывающих кислород с другим элементом, таким как кремний, железо или кальций.
|
|
|
|
|
|
|
Приблизительно 40–45% массы реголита составляет кислород, что делает его самым распространенным элементом на лунной поверхности. Кислород повсеместно распространен, но он не существует в газообразном состоянии, как в атмосфере Земли. Для высвобождения кислорода необходимо разорвать химические связи, соединяющие его с другими элементами в оксидах лунной почвы.
|
|
|
|
Одним из рассматриваемых методов является пиролиз — тип химической реакции, которая разлагает материалы при высоких температурах с образованием летучих соединений. При воздействии на реголит его можно нагревать до тех пор, пока оксиды металлов не испарятся и не разложатся на кислород и металлы.
|
|
|
|
На Луне тепловая энергия будет обеспечиваться за счет солнечной концентрации — процесса, использующего зеркала или линзы для фокусировки солнечного света на небольшой площади. Затем лучи сходятся в пучок, фокусируя энергию в фокусной точке, где температура может достигать нескольких тысяч градусов. Этот метод также предполагает использование лунного вакуума — среды, благоприятствующей газообразующим реакциям. Это позволит снизить количество энергии, необходимой для реакции.
|
|
Солнечная печь: эффективный и недорогой метод
|
|
|
|
На Луне созданы условия, особенно благоприятные для солнечного пиролиза. Отсутствие атмосферы приводит к чрезвычайно низкому давлению на ее поверхности, порядка 10-15 бар. Отсутствие атмосферы дает второе преимущество: солнечное излучение не может поглощаться ею или блокироваться облаками. Это позволяет получать более концентрированные солнечные потоки, чем на Земле. Кроме того, некоторые географические районы на Южном полюсе Луны освещаются солнечным светом до 90% времени. Таким образом, путем объединения лунного вакуума с системами солнечной концентрации можно разработать относительно простой, надежный и потенциально эффективный процесс извлечения кислорода из реголита.
|
|
|
|
В Лаборатории процессов, материалов и солнечной энергии (PROMES-CNRS), ведущей в области технологий солнечной концентрации, исследователи успешно продемонстрировали базовую концепцию пиролиза, прокладывая путь к его потенциальному применению в будущем на Луне. Расположенная на территории крупнейшей в мире солнечной печи в Одейо в французских Пиренеях (регион Окситания), лаборатория располагает уникальными экспериментальными установками, предназначенными для изучения высокотемпературных процессов. Среди этих установок — параболические трубы диаметром два метра, способные концентрировать солнечный свет в 10 000 раз на участке диаметром около 2 см, достигая температуры более 3000 °C.
|
|
|
|
Эта энергия питает пиролизный реактор — вакуумную камеру, предназначенную для воздействия концентрированным солнечным потоком на образцы материалов, имитирующих лунный реголит. Имитационные гранулы помещаются на медную подложку, а параболическая линия фокусирует солнечный свет внутри реактора для их нагрева. Вакуумный насос поддерживает давление около 10 миллибар. Электрохимическая ячейка непрерывно измеряет концентрацию кислорода в реакторе.
|
|
|
|
Затем образец постепенно нагревается и начинает плавиться при температуре около 1200 °C. Впоследствии реголит достигает температуры около 2000 °C. В этих условиях оксиды в образце начинают испаряться и диссоциировать, 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 имитаторе реголита. После завершения эксперимента вместо гранулы реголита получают стеклянную бусину. Фракция реголита, испарившаяся во время эксперимента, конденсируется на холодных стенках реактора в виде минеральных соединений. Эти соединения собирают для их характеристики и определения химического состава.
|
|
|
|
После пиролиза образовавшаяся стеклянная бусина имеет другой химический состав по сравнению с исходным имитатором реголита. Летучие оксиды, выделившиеся в процессе, имеют меньшую концентрацию, в то время как нелетучие оксиды — большую. Наиболее летучие соединения были обнаружены в отложениях, собранных на стенках реактора, где они конденсировались во время пиролиза.
|
|
|
|
Это наблюдение позволяет предположить, что пиролиз также может быть использован в качестве метода разделения оксидов в реголите по принципу, аналогичному дистилляции. Эти побочные продукты можно использовать для производства конструкций, инструментов или строительных материалов непосредственно на Луне, тем самым повышая автономность будущих лунных миссий.
|
|
Переход от подтверждения концепции к реальным условиям
|
|
|
|
Эти первоначальные испытания определили выход продукта, но он остается низким. Следующие этапы разработки будут направлены на снижение давления внутри реактора до уровня, близкого к лунным условиям. Снижение давления должно уменьшить температуру, необходимую для пиролиза, что позволит образцу полностью испариться и увеличить выход продукта.
|
|
|
|
Впоследствии также будет целесообразно протестировать различные типы реголита, а также отдельные минералы и оксиды, которые их составляют, чтобы лучше понять химию реакций. Пиролизный реактор должен работать непрерывно большую часть лунных суток. Процесс все еще можно оптимизировать. Более точный контроль температуры позволит лучше управлять реакциями и повысить их выход продукта. Более эффективный сбор газа позволит минимизировать потери кислорода. Мы также надеемся уменьшить тепловые потери, используя тигель и изолируя его. Наконец, лучшая конденсация побочных продуктов поможет идентифицировать и использовать материалы, образующиеся в процессе пиролиза, в дополнение к кислороду. Вся система (реактор, зеркала и устройства концентрации солнечной энергии) также должна быть прочной и надежной, способной выдерживать экстремальные условия лунной среды: абразивную пыль, радиацию и значительные температурные колебания. Наконец, полученный кислород необходимо хранить, очищать от других элементов, которые могут присутствовать в газе, и использовать. Также необходимо продумать логистику снабжения реактора реголитом, будь то для его извлечения, транспортировки или использования после обработки.
|
|
|
|
Солнечный вакуумный пиролиз — это метод, особенно хорошо подходящий для лунных условий. Он использует естественный вакуум Луны, требует минимального количества импортируемых ресурсов и использует солнечную энергию, которой на Луне, где нет атмосферы, в изобилии. Испытания на Одеилло уже доказали осуществимость этой концепции, но выход продукции все еще нуждается в улучшении, и остаются значительные технические проблемы. За счет производства кислорода и материалов на месте этот процесс будет поддерживать будущие лунные базы и снижать их зависимость от Земли.
|
|
|
|
Источник
|
