Jak działa pozyskiwanie tlenu z Księżyca – od pyłu do powietrza

Ukryty rezerwuar pod stopami

Paliwo rakietowe, powietrze do oddychania i woda mają jeden kluczowy składnik: tlen. Wyniesienie go z Ziemi na Księżyc kosztuje tysiące dolarów za kilogram. Tymczasem Księżyc już posiada ogromne ilości tlenu – uwięzionego w drobnym, pylistym gruncie pokrywającym jego powierzchnię. Regolit księżycowy, jak nazywają go naukowcy, składa się w przybliżeniu w 41–45% z tlenu (wagowo), ściśle związanego z metalami, takimi jak krzem, żelazo, aluminium i tytan.

Wyzwanie nie polega na znalezieniu tlenu na Księżycu. Chodzi o uwolnienie go ze skały. Rodzina technologii znanych zbiorczo jako Wykorzystanie Zasobów In-Situ (ISRU) ma na celu właśnie to, a ostatnie osiągnięcia inżynieryjne sugerują, że pierwsze działające księżycowe instalacje tlenowe mogłyby zacząć działać w ciągu dekady.

Jak działa elektroliza stopionego regolitu

Wiodącym podejściem jest elektroliza stopionego regolitu (MRE). Koncepcja jest zwodniczo prosta: podgrzewa się rozdrobnioną glebę księżycową, aż się stopi, a następnie przepuszcza prąd elektryczny przez stopioną masę, aby oddzielić tlen od metali – podobnie jak w przypadku przemysłowego wytopu aluminium na Ziemi.

W praktyce robotyczny koparka nabiera regolit i dostarcza go do reaktora. Wewnątrz elektrody podgrzewają proszek do temperatury około 1600 °C, tworząc jarzący się basen ciekłego tlenku. Kiedy prąd przepływa między anodą a katodą, jony tlenu migrują do anody, gdzie łączą się w gaz O₂, który można wychwycić, oczyścić i przechowywać. Tymczasem stopione stopy metali – żelazo, aluminium, krzem – gromadzą się na katodzie jako cenne produkty uboczne.

Sprytna sztuczka inżynieryjna sprawia, że proces jest samoizolujący: regolit na krawędziach reaktora pozostaje stały, tworząc naturalny tygiel, który chroni ściany naczynia przed ekstremalnym ciepłem. Nie są potrzebne żadne egzotyczne materiały do obudowy.

Alternatywne metody

MRE to nie jedyna gra w mieście. Elektroliza stopionych soli, zaadaptowana z procesu FFC Cambridge, opracowanego pierwotnie w latach 90. XX wieku do ekstrakcji tytanu, zanurza regolit w stopionym chlorku wapnia podgrzanym do około 950 °C. Sól działa jako przewodnik cieczy, a gdy przepływa przez nią prąd, tlen migruje do anody w celu zebrania. ESA sfinansowała rozwój tego podejścia w ramach swojego programu demonstracyjnego ISRU.

Trzecia technika, redukcja wodorem, polega na przepuszczaniu gazowego wodoru nad podgrzanym regolitem. Wodór usuwa tlen z minerałów tlenku żelaza, tworząc wodę, która jest następnie elektrolizowana na wodór (poddawany recyklingowi) i tlen. Chociaż ogólnie mniej wydajna, działa w niższych temperaturach i jest testowana przez NASA od początku XXI wieku.

Dlaczego to ma znaczenie dla eksploracji kosmosu

Tlen stanowi około 80% masy paliwa rakietowego w popularnych silnikach dwupaliwowych. Wytwarzanie go na Księżycu zamiast transportowania z Ziemi mogłoby obniżyć koszt lądowania na Księżycu nawet o 60%, według Blue Origin, która opracowuje własny reaktor MRE o nazwie Blue Alchemist. Firma poinformowała, że jej reaktor „Air Pioneer” z powodzeniem wydobył tlen klasy medycznej i paliwowej ze stopionego symulantu regolitu księżycowego na Ziemi.

Oprócz paliwa, lokalnie produkowany tlen zasilałby systemy podtrzymywania życia dla siedlisk, zmniejszając stałe obciążenie zaopatrzeniowe, które obecnie ogranicza czas pobytu załóg na powierzchni. Metalowe produkty uboczne z procesu elektrolizy mogłyby być wykorzystywane do budowy i produkcji, przekształcając regolit w kompleksowe zasoby.

Jak blisko jesteśmy?

Wiele organizacji ściga się w kierunku demonstracji. Blue Origin zakończyła Krytyczny Przegląd Projektu dla Blue Alchemist i planuje pełną autonomiczną demonstrację naziemną w komorach próżniowych, które symulują warunki księżycowe. ESA nawiązała współpracę z belgijską firmą Space Applications Services w celu zbudowania eksperymentalnych reaktorów do misji demonstracyjnej ISRU na powierzchni Księżyca. NASA nadal finansuje badania nad MRE za pośrednictwem swojej Dyrekcji Misji Technologii Kosmicznych.

Pozostają istotne przeszkody. Pył księżycowy jest ścierny i naładowany elektrostatycznie, co stwarza zagrożenie dla systemów mechanicznych. Reaktory muszą działać autonomicznie przez miesiące przy minimalnej konserwacji. A przejście od laboratoryjnych gramów do ton tlenu potrzebnych do stałej bazy wymaga znacznych postępów inżynieryjnych.

Mimo to fizyka jest udowodniona, chemia działa na Ziemi, a argument ekonomiczny jest przekonujący. Księżyc nie jest jałowy – to kopalnia tlenu czekająca na odpowiednie narzędzia.