webdonsk.ruКак сделать кислород на луне
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 18.09.2024
Эксперимент был проведён в небольшом реакторе, где температура поднималась до 2500 °C. Лунный грунт богат оксидами титана-железа и железа, которые при нагревании выделяют кислород и сопутствующие металлы, так что выходом продукции станет не только воздух для дыхания космонавтов на Луне, но также пригодное для дальнейшего использования сырьё.
По словам руководителя программы, из 100 кг лунного грунта можно добывать до 30 кг кислорода. Освоение этого метода — это одна из основ будущей лунной программы Китая и Российской Федерации. Обе страны договорились вместе создать к 2035 году научную лунную базу, и обеспечение её обитателей стабильным источником кислорода является первостепенной задачей.
Китайская команда разработала проект автоматической добывающей станции на лунной поверхности. Считается, что мощности, собираемой солнечными панелям станции, окажется достаточной как для работы механизмов по загрузке и разгрузке реактора, так и для технологических процессов по извлечению кислорода из грунта. Подобная станция поможет избежать конфронтации из-за лунных баз на полюсах Луны, где, как считается, достаточно запасов водяного льда — альтернативного и более богатого источника кислорода на Луне.
Наряду с достижениями в освоении космоса мы недавно стали обладателями технологий, которые могли бы обеспечить эффективное использование космических ресурсов. И в центре внимания технология производства кислорода на Луне.
В октябре Австралийское космическое агентство и НАСА подписали соглашение об отправке лунохода австралийского производства на спутник Земли в рамках программы Artemis с целью изучения лунной породы, в поисках способов обеспечить Луну пригодным для дыхания кислородом.
Хотя у Луны есть атмосфера, она очень тонкая и состоит в основном из водорода, неона и аргона. Это не та газовая смесь, которая может поддерживать кислородзависимых млекопитающих, таких как люди.
Тем не менее, на Луне действительно много кислорода. Он просто не в газообразной форме. Вместо этого он заключен внутри реголита — слоя камня и мелкой пыли, покрывающей поверхность Луны.
Если бы мы могли извлекать кислород из реголита, было бы этого достаточно для поддержания жизни человека на Луне?
Залежи кислорода на Луне.
Кислород содержится во многих минералах земли вокруг нас. И Луна в основном состоит из тех же камней, которые вы найдете на Земле (хотя и с немного большим количеством материала, полученного из метеоров).
Минералы, такие как кремнезем, алюминий, оксиды железа и магния, доминируют в ландшафте Луны. Все эти минералы содержат кислород, но не в той форме, к которой наши легкие могут получить доступ.
На Луне эти минералы существуют в нескольких различных формах, включая твердые породы, пыль, гравий и камни, покрывающие поверхность. Этот материал образовался в результате ударов метеоритов о поверхность Луны в течение бесчисленных тысячелетий.
Результатом является матрица минералов, которых не было в исходных породах. Почва Земли обладает замечательными физическими, химическими и биологическими характеристиками. Между тем, материалы на поверхности Луны — это в основном реголит в его первоначальной нетронутой форме.
Лунный реголит.
Реголит Луны примерно на 45 процентов состоит из кислорода. Но этот кислород прочно связан с упомянутыми выше минералами. Чтобы разорвать эти прочные узы, нам нужно вложить энергию.
Возможно, вы знакомы с этим, если знаете об электролизе. На Земле этот процесс обычно используется в производстве, например, для производства алюминия. Электрический ток пропускается через жидкую форму оксида алюминия через электроды, чтобы отделить алюминий от кислорода.
В этом случае кислород образуется как побочный продукт. На Луне кислород будет основным продуктом, а извлеченный алюминий (или другой металл) будет потенциально полезным побочным продуктом.
Это довольно простой процесс, но есть одна загвоздка: он требует большого количества энергии. Чтобы быть устойчивым, он должен поддерживаться солнечной энергией или другими источниками энергии, доступными на Луне.
Для извлечения кислорода из реголита также потребуется серьезное промышленное оборудование. Нам нужно сначала преобразовать твердый оксид металла в жидкую форму, либо применяя тепло, либо тепло в сочетании с растворителями или электролитами.
У нас есть технологии, чтобы сделать это на Земле, но переместить подобный аппарат на Луну — и произвести достаточно энергии для его работы — будет сложной задачей.
Сколько кислорода на Луне?
Тем не менее, когда нам удастся это осуществить, сколько кислорода на самом деле можно выделить на Луне? Оказывается, довольно много.
Если мы проигнорируем кислород, связанный с более глубокими твердыми породами Луны — и просто рассмотрим реголит, который доступен на поверхности — мы сможем сделать некоторые оценки.
Каждый кубический метр лунного реголита содержит в среднем 1,4 тонны минералов, в том числе около 630 кг кислорода. НАСА заявляет, что людям нужно около 800 граммов кислорода в день. Таким образом, 630 кг кислорода сохранят жизнь человеку примерно на два года (или чуть больше).
Теперь предположим, что средняя глубина реголита на Луне составляет около 10 метров, и что мы можем извлечь из него весь кислород. Это означает, что верхние 10 метров поверхности Луны будут обеспечивать достаточно кислорода, чтобы поддерживать все 8 миллиардов людей где-то около 100 000 лет.
Это также будет зависеть от того, насколько эффективно нам удастся извлечь и использовать кислород. Тем не менее, эта цифра просто потрясающая!
В атмосфере нашей Луны недостаточно кислорода, чтобы мы могли дышать. Но исследователи считают, что верхний слой поверхности нашего спутника, состоящий из знаменитого реголита, может содержать достаточно этого элемента, необходимого для жизни человека, чтобы позволить колонизацию. При условии, что мы сможем его извлечь!
Большой шаг вперед. Затем небольшой шаг назад. Именно такой темп уже несколько месяцев задает вальс нашего возвращения на Луну. Хотя главная цель остается неизменной: в конечном итоге построить обитаемую базу на нашем естественном спутнике. В то время как НАСА только что перенесло сроки реализации своей программы "Артемида" на 2025 год, Китай и Россия намерены начать строительство лунной станции уже в 2026 году. Однако прежде чем это произойдет, необходимо обеспечить наличие определенных жизненно важных ресурсов. Конечно же, вода. Но также и кислород.
Помните, что атмосфера нашей Луны тонкая. Состоит в основном из водорода, неона и аргона. А человеку прежде всего нужен . кислород. И уже некоторые рассматривают решения по его производству на месте. Например, Европейское космическое агентство (ЕКА), а также Австралийское космическое агентство и НАСА разрабатывают технологии, способные извлекать его из лунного реголита, этого слоя скал, гравия, камней или мелкой пыли, покрывающей поверхность Луны.
Потому что на нашем спутнике мы находим много минералов, содержащих кислород: например, кремнезем или оксиды железа или даже магния. Мы находим их в первозданном виде, нетронутыми. Не подвергаясь изменениям, как на нашей земле, организмами, которые за несколько миллионов лет превратили бы ее в собственно почву.
Извлечение кислорода путем электролиза
Таким образом, на Луне будет огромный запас кислорода. Насколько это здорово? Что ж, по мнению исследователей, реголит будет состоять примерно из 45% кислорода. Однако, если рассматривать только поверхность - поскольку остается неясным, какие у нее есть более глубокие породы, — каждый кубический метр реголита будет содержать в среднем 1,4 тонны минералов. Что эквивалентно 630 килограммам кислорода. Достаточно для того, чтобы человек мог дышать в течение примерно двух лет.
Если предположить, что глубина реголита составляет от десяти метров, то Луна в конечном итоге сможет обеспечить восемь миллиардов человеческих поселенцев кислородом, достаточным для жизни в течение примерно 100 000 лет. Эта цифра должна быть сопоставима с эффективностью, с которой наши инженеры смогут извлечь кислород из реголита. Чтобы извлечь этот ценный элемент, необходимо мобилизовать много энергии для разрушения прочных связей, которые он имеет тенденцию образовывать. Например, путем электролиза.
На Земле кислород, которого достаточно много в воздухе, которым мы дышим, рассматривается как побочный продукт электролиза. На Луне это станет ее основным продуктом. Исследователи планируют сделать работу устойчивой, полагаясь, в частности, на солнечную энергию. Тем не менее это не так просто. Потому что, прежде чем мы сможем приступить к электролизу, оксиды металлов, обнаруженные на Луне в твердой форме, должны быть преобразованы в жидкую форму. В том числе, используя тепло. Но транспортировка всего полезного оборудования на Луну и обеспечение его работы сегодня остается сложной задачей.
На Луне есть много кислорода и минералов, которые необходимы для любой космической цивилизации. Проблема в том, что они заперты внутри реголита. Разделение этих двух ресурсов обеспечит огромное количество критически важных ресурсов, но их разделение является огромной проблемой.
Реголит Луны доходит до глубины от 2 метров до 20 метров в высокогорных районах. В отличие от Земли, где поверхность формируется и строится как биологическими, так и геологическими процессами, реголит Луны в основном состоит из измельченных ударами фрагментов коры. Кислород и минералы заключены в минеральных оксидах и в стеклообразных частицах, созданных в результате удара.
Кислород является наиболее распространенным элементом в реголите Луны, составляя 40-45% от веса реголита. Ученые исследовали и изучали использование ресурсов In situ (ISRU) в течение многих лет, пытаясь найти метод отделения кислорода от других элементов, чтобы использовать этот метод. Как правило, это требует много энергии, что является значительным барьером.
Новое исследование, поддержанное Европейским космическим агентством, описывает метод извлечения кислорода, который не требует так много энергии.
Метод извлечения основан на электролизе, о чем большинство из нас узнает в старшей школе. Но этот метод использует расплавленную соль в качестве электролита.
Этот метод использует расплавленную соль хлорида кальция в качестве электролита. Имитируемый реголит помещается в сетчатую корзину и нагревается до 950° С. При этой температуре реголит остается твердым. Затем подается ток, а кислород извлекается и собирается на аноде.
(На фото слева аналог реголита, справа он же без кислорода – сплошной металл)
Этот метод извлек 96% кислорода за 50 часов. Но всего за 15 часов удалось извлечь 75%. Поскольку в лунном реголите так много кислорода, эти результаты выглядят многообещающими.
Компания Metalysis разработала метод электролиза расплавленной соли именно потому, что он менее энергоемкий. Разделяемый материал не обязательно должен быть жидким, поэтому требуется меньше энергии. Они также утверждают, что их система не производит токсичных побочных продуктов.
Доступность различных минералов меняется в зависимости от местоположения на Луне. Существует много работ по составлению карт и исследованию ресурсов Луны.
Джеймс Карпентер, руководитель ESA по лунной стратегии, сказал: «Этот процесс предоставит лунным поселенцам доступ к кислороду для топлива и жизнеобеспечения, а также к широкому спектру металлических сплавов для производства на месте – точное доступное сырье будет зависеть от того, где на Луне будет находиться база.
С многоразовыми ракетами, разработанными такими компаниями, как SpaceX, стоимость транспортировки грузов с Земли снизилась, но она все равно еще большая. Транспортировка одного килограмма на Луну может стоить десятки тысяч долларов. Эта стоимость означает, что любые реалистичные планы относительно форпоста или колонии на Луне грозит огромными финансовыми тратами.
Без способа добывать ресурсы для топлива и строительства, а также без источника кислорода на Луне, кажется маловероятным, что люди смогут застолбить там какое-либо присутствие. Подобные технологические достижения будут играть огромную роль в будущем освоении космоса.
Дорогие друзья! Желаете всегда быть в курсе последних событий во Вселенной? Подпишитесь на рассылку оповещений о новых статьях, нажав на кнопку с колокольчиком в правом нижнем углу экрана ? ? ?
Читайте также: