В ближайшие годы Китай и Роскосмос планируют создать Международную лунную исследовательскую станцию (ILRSP) — постоянную базу в южной полярной области Луны. Строительство базы начнется с поставки первых поверхностных элементов к 2030 году и, как ожидается, продлится примерно до 2040 года. Эта база будет конкурировать с программой NASA Artemis, которая будет включать создание Lunar Gateway на орбите Луны и различных поверхностных элементов, составляющих базовый лагерь Artemis. Помимо стоимости строительства этих объектов, есть много существенных проблем, которые необходимо решить в первую очередь.
Экипажи, работающие на поверхности Луны в течение длительного времени, будут нуждаться в регулярных поставках припасов. В отличие от Международной космической станции, которая может быть пополнена за считанные часы, отправка космического корабля-снабженца на Луну займет около трех дней. В результате НАСА, Китай и другие космические агентства разрабатывают методы сбора ресурсов непосредственно из лунной среды — процесс, известный как использование ресурсов на месте (ISRU). В недавней статье исследовательская группа Китайской академии наук (CAS) объявила о новом методе получения огромных объемов воды посредством реакции между лунным реголитом и эндогенным водородом.
Исследование было проведено профессором Ван Цзюньцяном и его командой в ключевой лаборатории магнитных материалов и устройств Института материаловедения и инженерии Нинбо (NIMTE) CAS. К ним присоединились коллеги из Центра материаловедения и оптоэлектронной инженерии при Университете Китайской академии наук в Пекине. Статья, описывающая их процесс, «Массовое производство воды из лунного ильменита путем реакции с эндогенным водородом», недавно появилась в китайском журнале Инновация.
С тех пор, как миссии Аполлон привезли образцы лунных пород и почвы на Землю для анализа, ученые знали, что на Луне много воды. Эти выводы были подтверждены несколькими последующими роботизированными миссиями по возврату образцов, включая китайскую Чанъэ-5 миссия. Однако большая часть этой воды состоит из гидроксила (ОН), созданного в результате взаимодействия солнечного ветра (ионизированного водорода) и элементарного кислорода в реголите. Также есть много воды в форме льда, которую можно найти в постоянных затененных областях (PSR), таких как кратеры, покрывающие бассейн Южного полюса-Эйткена.
К сожалению, лунный реголит содержит очень мало гидроксила, который может быть преобразован в воду, в диапазоне от 0,0001% до 0,02%. Более того, ледяные пятна, обнаруженные в кратерированных регионах, смешаны с реголитом, образуя слои, которые простираются под поверхностью. Таким образом, извлечение является проблемой независимо от того, откуда поступает вода. После изучения образцов, возвращенных миссией Чанъэ-5, группа под руководством Вана определила, что самые высокие концентрации воды содержатся в ильмените (FeTiO3), минерал на основе оксида титана и железа, обнаруженный в лунном реголите.
По словам исследовательской группы, это связано с «его уникальной структурой решетки с субнанометровыми туннелями». Затем группа провела серию экспериментов по нагреву in situ, которые показали, как водород в лунных минералах может быть использован для производства воды на Луне. Согласно их исследованию, процесс заключается в нагревании лунного реголита до температур, превышающих 1200 К (~930° C; 1700° F) с помощью вогнутых зеркал. Это привело к образованию кристаллов железа и пузырьков воды в материале, причем последние выделялись в виде водяного пара. Химический процесс математически выражается следующим образом:
FeO/Fe2О3 + Н –> Fe + Н2О.
Полученный водяной пар затем восстанавливается со скоростью 51-76 мг воды на каждый грамм лунного грунта. Это составляет 50 литров (13,2 галлона) воды на каждую тонну обработанного реголита, что достаточно для ежедневного содержания 50 человек. Как отметила группа в своей статье, «
Этот же процесс можно использовать для химического разделения водорода и кислорода из реголита, который затем можно переработать в топливо – жидкий водород (ЖВ).2) и жидкий кислород (LOX) – или используется в качестве топлива и для поддержания запасов пригодного для дыхания кислорода. «Наши результаты показывают, что водород, удерживаемый в [lunar regolith] «Это важный ресурс для получения H2O на Луне, что полезно для создания научно-исследовательских станций на Луне», — заключают они.
Еще одним преимуществом является то, что процесс почти полностью управляется сфокусированным солнечным светом, в то время как солнечные батареи могут обеспечить дополнительную мощность, которая управляет процессом удержания. Единственным ограничивающим фактором является то, что этот процесс будет возможен только в течение лунного дня в южном полярном регионе (где Китай, НАСА и ЕКА планируют построить свои базы). Это означает, что объект может работать две недели подряд, за которыми последует двухнедельное затишье.
Однако это можно смягчить, разместив перерабатывающие предприятия вдали от полярных регионов или, возможно, создав сеть солнечных зеркал или спутников, которые могут направлять свет в сторону южного полярного региона. В любом случае, этот метод представляет собой потенциальное средство сбора воды на Луне, которое является экономически эффективным по сравнению с нагреванием реголита в промышленных печах и может быть сопряжено с добычей и обработкой льда, чтобы обеспечить будущие поселения достаточным количеством воды.
Дальнейшее чтение: NIMTE, Инновация
