Obținerea de oxigen de la Regolith durează 24 kWh pe kilogram și am avea nevoie de tone.
Fără ajustări pentru relativitate, ceasurile aici și pe lună s -ar diverge rapid. Credit: NASA
Dacă umanitatea se va răspândi vreodată în sistemul solar, va trebui să găsim o modalitate de a pune combustibil în rachete, în afară de limitele confortabile ale unei lansări de pe Pământ. O opțiune pentru aceasta este pe orbita de pământ scăzut, care are avantajul de a fi localizat foarte aproape de plăcuțele de lansare. Dar are dezavantajul considerabil de a necesita multă energie pentru a scăpa de gravitatea Pământului – este nevoie de mult combustibil pentru a pune substanțial mai puțin combustibil pe orbită.
O alternativă este producerea de combustibil pe lună. Știm că există hidrogen și oxigen prezent, iar gravitatea lunii este mult mai ușor de depășit, ceea ce înseamnă că mai mult din ceea ce producem acolo pot fi folosite pentru a trimite lucrurile mai adânc în sistemul solar. Dar există o compromis: orice infrastructură de producție de combustibil va trebui să fie construită pe pământ și trimisă pe lună.
Câtă infrastructură va implica asta? Un studiu lansat astăzi de PNAS evaluează costurile energetice ale producerii de oxigen pe lună și constată că sunt substanțiale: aproximativ 24 kWh pe kilogram. Acest lucru nu sună rău până nu începeți să luați în considerare câte kilograme vom avea nevoie în cele din urmă.
Eliberează oxigenul!
Matematica care face ca realimentarea de pe lună să atingă este destul de simplă. „De regulă,”, scrieți autorii noului studiu pe această temă ”, au fost lansate rachetele de pe Pământ destinat pentru [Earth-Moon Lagrange Point 1] trebuie să ardă ~ 25 kg de propulsor pentru a transporta un kg de sarcină utilă, în timp ce rachetele au fost lansate de pe lună la [Earth-Moon Lagrange Point 1] Ar arde doar ~ patru kg de propulsor pentru a transporta un kg de sarcină utilă. „Plecare de la punctul Lagrange-Earth-Moon pentru locații mai adânc în sistemul solar necesită, de asemenea, mai puțină energie decât lăsarea orbitei cu pământul scăzut, ceea ce înseamnă că combustibilul pe care îl obținem este în cele din urmă, în cele din urmă Mai util, cel puțin din perspectiva explorării.
Dar, desigur, trebuie să faceți combustibilul acolo în primul rând. Alegerea evidentă pentru aceasta este apa, care poate fi împărțită pentru a produce hidrogen și oxigen. Știm că există apă pe lună, dar încă nu știm cât de mult și dacă este concentrat în depozite mari. Având în vedere că incertitudinea, oamenii au analizat și alte materiale despre care știm că sunt prezente din abundență pe suprafața lunii.
Și probabil că nu există nimic mai abundent pe acea suprafață decât regolitul, praful a rămas de la impacturi minuscule constante care, de -a lungul timpului, au erodat roci lunare. Regolitul este compus dintr -o varietate de minerale, multe dintre ele conțin oxigen, de obicei componenta mai grea a combustibilului rachetă. Și o varietate de oameni și -au dat seama de chimia implicată în separarea oxigenului de aceste minerale pe scara necesară pentru producția de combustibili de rachetă.
Dar cunoașterea chimiei este diferită de a ști ce fel de infrastructură este necesară pentru ca această chimie să fie făcută la o scară semnificativă. Pentru a înțelege acest lucru, cercetătorii au decis să se concentreze pe izolarea oxigenului dintr -un mineral numit ilmenit sau fetio3. Nu este cel mai simplu mod de a obține oxigenul – oxizii de la oxizi câștigă acolo – dar este bine înțeles. Cineva a brevetat de fapt producția de oxigen de la Ilmenit în anii ’70 și au fost dezvoltate două prototipuri hardware, dintre care unul poate fi trimis pe Lună într -o viitoare misiune NASA.
Cercetătorii propun un sistem care să recolteze regolitul, să purifice parțial ilmenitul, apoi să -l combine cu hidrogen la temperaturi ridicate, ceea ce ar elimina oxigenul ca apă, lăsând în urmă fier și titan purificat (ambele ar putea fi utile). Apa rezultată ar fi apoi împărțită pentru a alimenta hidrogenul înapoi în sistem, în timp ce oxigenul poate fi trimis pentru a fi utilizat în rachete.
(Acest lucru nu ar rezolva problema ceea ce oxigenul se va oxida în cele din urmă pentru a alimenta o rachetă. Dar oxigenul este de obicei componenta mai grea a combinațiilor de combustibili de rachetă – de obicei aproximativ 80 la sută din masă – și astfel provocarea mai mare de a ajunge la un combustibil depozit.)
Evident, acest proces va necesita multă infrastructură, cum ar fi recoltoarele, separatoarele, camerele de reacție la temperaturi ridicate și multe altele. Dar cercetătorii se concentrează pe un singur element: câtă putere va suge?
Mai multă putere!
Pentru a -și obține numărul, cercetătorii au făcut câteva presupuneri simplificatoare. Acestea includ presupunând că este posibil să purificați ilmenitul din regolit brut și că va fi prezent în particule suficient de mici încât aproximativ jumătate din materialul prezent va participa la reacții chimice. Aceștia au ignorat atât potențialul de a obține și mai mult oxigen din fier și oxizi de titan prezent, precum și potențialul de contaminare din materiale problematice precum sulfura de hidrogen sau acid clorhidric.
Echipa a constatat că aproape toată energia este consumată la trei pași în proces: reacția de hidrogen la temperatură ridicată care produce apă (55 la sută), împărțind apa după aceea (38 la sută) și transformând oxigenul rezultat în forma sa lichidă (Cinci la sută). Utilizarea totală tipică, în funcție de factori precum concentrația de ilmenit în regolit, a fost de aproximativ 24 kW-HR pentru fiecare kilogram de oxigen lichid.
Evident, numerele sunt sensibile la cât de eficient puteți face lucruri precum căldura amestecul de reacție. (S -ar putea să se facă această încălzire cu solar concentrat, evitând utilizarea energiei electrice pentru acest lucru în întregime, dar autorii nu au analizat asta.) Dar a fost, de asemenea, sensibil la eficiențe mai puțin evidente. De exemplu, o mai bună separare a ilmenitului de restul regolitului înseamnă că utilizați mai puțină energie pentru a încălzi contaminanții. Deci, în timp ce costul energetic al acestei separații este mic, plătește să o facă eficient.
Pe baza observațiilor orbitale, cercetătorii mizează zonele în care ilmenitul este prezent la concentrații suficient de mari pentru ca această abordare să aibă sens. Acestea includ unele dintre iepele din partea apropiată a lunii, așa că sunt ușor de accesat.
O hartă a suprafeței lunare, cu zone cu concentrații ridicate de ilmenit prezentate în albastru.
Credit: Leger, et. al.
O hartă a suprafeței lunare, cu zone cu concentrații ridicate de ilmenit prezentate în albastru. Credit: Leger, et. al.
De unul singur, 24 kWh nu pare a fi multă putere. Problema este că vom avea nevoie de o mulțime de kilograme. Cercetătorii estimează că obținerea unei nave de stea SpaceX goale de la suprafața lunară până la punctul Lagrange Earth-Moon ia 80 de tone de oxigen lichid. Și o navă de stele complet alimentată poate ține peste 500 de tone de oxigen lichid.
Putem compara asta cu ceva precum tabloul solar de pe Stația Spațială Internațională, care are o capacitate de aproximativ 100 kW. Asta înseamnă că ar putea alimenta producerea a aproximativ patru kilograme de oxigen pe oră. În acest ritm, va dura puțin peste 10 zile pentru a produce o tonă și puțin mai mult de doi ani pentru a obține suficient oxigen pentru a obține o navă de stele goale la punctul Lagrange-asumând producția de 24-7. Fiind pe partea apropiată, vor produce doar jumătate din timp, având în vedere ziua lunară.
Evident, putem construi tablouri mai mari decât asta, dar crește cantitatea de material care trebuie trimis pe Lună de pe Pământ. Poate avea mai mult sens să folosești energie nucleară. În timp ce acest lucru ar implica probabil mai multă infrastructură decât tablourile solare, aceasta ar permite facilităților să funcționeze pe ceas, obținând astfel mai multă producție din orice altceva pe care l -am expediat de pe Pământ.
Această lucrare nu este menită să fie ultimul cuvânt cu privire la posibilitățile de alimentare cu lunar; Este pur și simplu o încercare timpurie de a pune numere grele pe ceea ce în cele din urmă ar putea fi cea mai bună modalitate de a explora sistemul nostru solar. Totuși, oferă o perspectivă asupra cât de mult efort va trebui să depunem înainte de a deveni posibilă acest tip de explorare.
PNAS2025. Doi: 10.1073/pnas.2306146122 (Despre Dois)
John este editorul științific al ARS Technica. Are un licențiat în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când se desparte fizic de tastatura sa, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru comunicarea cu cizmele sale de drumeție.
Comentarii recente