De maan heeft een overvloed aan zuurstof en mineralen, dingen die onmisbaar zijn voor elke ruimtevarende beschaving. Het probleem is dat ze samen opgesloten zitten in de regolith. Het scheiden van de twee levert een schat aan essentiële bronnen op, maar het scheiden ervan is een knoestig probleem.
De regoliet van de maan varieert van 2 meter diep in merriegebieden tot 20 meter diep in hooglandgebieden. In tegenstelling tot de aarde, waar het oppervlak wordt gevormd en gebouwd door zowel biologische als geologische processen, bestaat de regoliet van de maan grotendeels uit verpulverde, gestraalde fragmenten van de korst veroorzaakt door inslagen. De zuurstof en mineralen worden opgesloten in minerale oxiden en in glasachtige deeltjes die worden gecreëerd door de hitte van schokken.
Zuurstof is het meest voorkomende element in de regoliet van de maan, goed voor 40-45% van de regoliet in gewicht. Wetenschappers bestuderen jarenlang In Situ Resource Utilization (ISRU) en proberen een methode te vinden om de zuurstof van de andere elementen te scheiden, om beide te gebruiken. Meestal kost dat veel energie, wat een aanzienlijke barrière is.
Nieuw onderzoek ondersteund door de European Space Agency schetst een methode voor zuurstofextractie die niet zoveel energie nodig heeft.
"Deze zuurstof is een uiterst waardevolle hulpbron, maar is chemisch in het materiaal gebonden als oxiden in de vorm van mineralen of glas, en is daarom niet beschikbaar voor onmiddellijk gebruik", legt onderzoeker Beth Lomax van de Universiteit van Glasgow uit, wiens promotieonderzoek is wordt ondersteund door ESA's Networking and Partnering Initiative, waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerd academisch onderzoek voor ruimtetoepassingen.
"Dit onderzoek biedt een proof-of-concept dat we alle zuurstof uit de maanregoliet kunnen extraheren en gebruiken, waardoor er een potentieel nuttig metalen bijproduct overblijft", zei Lomax in een persbericht.
De extractiemethode is afhankelijk van elektrolyse, iets waar de meesten van ons op de middelbare school over leren. Maar deze methode gebruikt gesmolten zout als elektrolyt.
"De verwerking is uitgevoerd met behulp van een methode die elektrolyse van gesmolten zout wordt genoemd", zegt Lomax. “Dit is het eerste voorbeeld van directe poeder-tot-poederverwerking van vaste maanregolietsimulanten die vrijwel alle zuurstof kunnen extraheren. Alternatieve methoden voor maanzuurstofextractie bereiken aanzienlijk lagere opbrengsten of vereisen dat de regoliet wordt gesmolten bij extreme temperaturen van meer dan 1600 ° C. ”
Deze methode gebruikt gesmolten calciumchloridezout als elektrolyt. De gesimuleerde regolith wordt in een mesh-mand geplaatst en het is allemaal verwarmd tot 950 C (1740 F.) Bij die temperatuur blijft de regolith solide. Vervolgens wordt stroom aangelegd en wordt de zuurstof onttrokken en verzameld bij een anode. Andere extractiemethoden vereisen dat alles wordt verwarmd tot 1600 C (2900 F), een enorme toename van de benodigde energie.
Deze methode extraheerde 96% van de zuurstof in 50 uur. Maar in slechts 15 uur wist het 75% te halen. Aangezien zuurstof zo overvloedig aanwezig is in de maanregoliet, zien deze resultaten er veelbelovend uit.
"Dit werk is gebaseerd op het FCC-proces - van de initialen van de in Cambridge gevestigde uitvinders - dat is opgeschaald door een Brits bedrijf genaamd Metalysis voor commerciële metaal- en legeringsproductie," zei Lomax.
Metalysis ontwikkelde de elektrolyse-methode voor gesmolten zout juist omdat deze minder energie-intensief is. Het te scheiden materiaal hoeft niet vloeibaar te zijn, dus er is minder energie nodig. Ze beweren ook dat hun systeem geen giftige bijproducten produceert.
"We werken samen met Metalysis en ESA om dit industriële proces te vertalen naar de maancontext, en de resultaten tot dusver zijn veelbelovend", merkt Mark Symes, Beth's PhD-supervisor aan de Universiteit van Glasgow, op.
De beschikbaarheid van verschillende mineralen verandert afhankelijk van de locatie op de maan. Er wordt veel werk verzet om de bronnen van de maan in kaart te brengen en te verkennen.
James Carpenter, ESA's maanstrategieofficier, merkt op: “Dit proces zou maanbezitters toegang geven tot zuurstof voor brandstof en levensondersteuning, evenals tot een breed scala aan metaallegeringen voor in-situ productie - de exacte beschikbare grondstof zou afhangen van waar op de Maan ze landen. '
Met herbruikbare raketten die zijn ontwikkeld door bedrijven als SpaceX, zijn de kosten voor het transporteren van materiaal uit de zwaartekracht van de aarde gedaald. Maar het is nog steeds duur. Het kan tienduizenden dollars kosten om een kilo naar de maan te vervoeren. Die kosten betekenen dat alle realistische plannen voor een buitenpost of kolonie van de maan financieel een enorme afvoer zouden zijn.
Zonder een manier om middelen voor brandstof en bouw te onttrekken, en zonder een zuurstofbron op de maan, lijkt het onwaarschijnlijk dat mensen daar enige vorm van aanwezigheid kunnen vestigen. Technologische vooruitgang zoals deze zal een grote rol spelen in de toekomst van ruimteverkenning.
Meer:
- Persbericht: ZUURSTOF EN METAAL VAN LUNAR REGOLITH
- Onderzoekspaper: Bewijs van de levensvatbaarheid van een elektrochemisch proces voor de gelijktijdige extractie van zuurstof en de productie van metaallegeringen uit maanregolieten
- NASA: In Situ Resource Benutting
- Space Magazine: Oogsten van hulpbronnen uit het zonnestelsel. In Situ Resource Benutting
