Sluneční energieEdit
Světlo na Měsíci trvá přibližně dva týdny, po nichž následují přibližně dva týdny noci, přičemž oba měsíční póly jsou osvětleny téměř neustále. Na jižním pólu Měsíce se nachází oblast s okraji kráterů, které jsou vystaveny téměř neustálému slunečnímu osvětlení, avšak vnitřek kráterů je trvale zastíněn slunečním světlem a uchovává si ve svém nitru značné množství vodního ledu. Umístěním zařízení na zpracování měsíčních zdrojů v blízkosti jižního pólu Měsíce by elektrická energie získaná ze slunečního záření umožnila téměř nepřetržitý provoz v blízkosti zdrojů vodního ledu.
Solární články by mohly být vyrobeny přímo na měsíční půdě pomocí středně velkého (~200 kg) vozítka s možností ohřevu regolitu, odpaření vhodných polovodičových materiálů pro strukturu solárního článku přímo na substrátu regolitu a nanesení kovových kontaktů a propojení pro dokončení kompletního pole solárních článků přímo na zemi.
Jaderný štěpný systém Kilopower je vyvíjen pro spolehlivou výrobu elektrické energie, která by mohla umožnit dlouhodobé základny s posádkou na Měsíci, Marsu a dalších destinacích. Tento systém je ideální pro místa na Měsíci a Marsu, kde je výroba energie ze slunečního záření přerušovaná.
KyslíkEdit
Obsah elementárního kyslíku v regolitu se odhaduje na 45 % hmotnosti. Kyslík se často vyskytuje v měsíčních minerálech a sklech bohatých na železo jako oxid železitý. Bylo popsáno nejméně dvacet různých možných procesů získávání kyslíku z měsíčního regolitu a všechny vyžadují vysoký příkon energie: 2-4 megawatthodiny energie (tj. 6-12×1013 J) na výrobu 1 000 tun kyslíku. Zatímco při extrakci kyslíku z oxidů kovů se získávají i užitečné kovy, při použití vody jako vstupní suroviny nikoliv.
VodaEdit
Snímky pořízené orbitální sondou LCROSS letící kolem jižního pólu Měsíce ukazují oblasti trvalého stínu.
Snímek ukazuje rozložení povrchového ledu na jižním pólu Měsíce (vlevo) a severním pólu (vpravo) podle pohledu spektrometru NASA Moon Mineralogy Mapper (M3) na palubě indické sondy Chandrayaan-1 orbiter
Souhrnné důkazy z několika orbiterů jasně naznačují, že na povrchu na pólech Měsíce se nachází vodní led, ale převážně v oblasti jižního pólu. Výsledky z těchto souborů dat však spolu ne vždy korelují. Bylo zjištěno, že kumulativní plocha trvale zastíněného měsíčního povrchu činí 13 361 km2 na severní polokouli a 17 698 km2 na jižní polokouli, což dává celkovou plochu 31 059 km2. Rozsah, v jakém některá nebo všechny tyto trvale zastíněné oblasti obsahují vodní led a další těkavé látky, není v současné době znám, takže je třeba získat více údajů o měsíčních ložiscích ledu, jeho rozložení, koncentraci, množství, rozmístění, hloubce, geotechnických vlastnostech a všech dalších charakteristikách nezbytných pro návrh a vývoj systémů těžby a zpracování. Při záměrném dopadu sondy LCROSS na oběžnou dráhu do kráteru Cabeus byl sledován vzniklý proud trosek a byl učiněn závěr, že vodní led musí být ve formě malých (< ~10 cm), diskrétních kousků ledu rozmístěných po celém regolitu nebo jako tenký povlak na ledových zrnech. To spolu s monostatickými radarovými pozorováními naznačuje, že vodní led přítomný v trvale zastíněných oblastech měsíčních polárních kráterů pravděpodobně není přítomen ve formě tlustých ložisek čistého ledu.
Voda mohla být na Měsíc dodávána v průběhu geologických časových škál pravidelným bombardováním vodonosnými kometami, asteroidy a meteoroidy nebo průběžně vznikat in situ dopadem vodíkových iontů (protonů) slunečního větru na minerály obsahující kyslík.
Na jižním pólu Měsíce se nachází oblast s okraji kráterů vystavenými téměř stálému slunečnímu osvětlení, kde je vnitřek kráterů trvale zastíněn slunečním světlem, což umožňuje přirozené zachycování a shromažďování vodního ledu, který by mohl být v budoucnu těžen.
Molekuly vody (H
2O) lze rozložit na její prvky, konkrétně vodík a kyslík, a vytvořit molekulární vodík (H
2) a molekulární kyslík (O
2), které lze použít jako raketové bionaftu nebo z nich vyrobit sloučeniny pro metalurgické a chemické výrobní procesy. Jen výroba pohonných hmot byla podle odhadu společného panelu průmyslových, vládních a akademických odborníků identifikována jako krátkodobá roční poptávka po 450 metrických tunách pohonných hmot získaných z Měsíce, což se rovná 2450 metrickým tunám zpracované měsíční vody a generuje roční příjmy ve výši 2,4 miliardy USD.
VodíkEdit
Sluneční vítr implantuje protony na regolit a vytváří protonovaný atom, což je chemická sloučenina vodíku (H). Přestože je vázaný vodík hojný, zůstávají otázky, kolik z něj difunduje do podpovrchových vrstev, uniká do vesmíru nebo difunduje do chladných pastí. Vodík by byl potřebný pro výrobu pohonných hmot a má mnoho průmyslových využití. Vodík lze například využít k výrobě kyslíku vodíkovou redukcí ilmenitu.
MetalsEdit
IronEdit
Železo (Fe) je hojně zastoupeno ve všech kobercových bazaltech (~14-17 % hmotnosti), ale většinou je vázáno na silikátové minerály (tj. pyroxen a olivín) a v nížinách na oxidický minerál ilmenit. Těžba by byla poměrně energeticky náročná, ale existuje podezření, že některé výrazné měsíční magnetické anomálie jsou způsobeny přežívajícími meteoritickými úlomky bohatými na Fe. Teprve další průzkum in situ určí, zda je tato interpretace správná a jak využitelné takové meteoritické úlomky mohou být.
V regolitu se také vyskytuje volné železo (0,5 % hmotnosti) přirozeně legované niklem a kobaltem, které lze po rozemletí snadno extrahovat jednoduchými magnety. Tento železný prach lze zpracovat k výrobě dílů pomocí technik práškové metalurgie, jako je aditivní výroba, 3D tisk, selektivní laserové spékání (SLS), selektivní laserové tavení (SLM) a tavení elektronovým svazkem (EBM).
TitanEdit
Titan (Ti) lze legovat mimo jiné se železem, hliníkem, vanadem a molybdenem a vyrábět tak pevné a lehké slitiny pro letecký průmysl. Vyskytuje se téměř výhradně v minerálu ilmenitu (FeTiO3) v rozsahu 5-8 % hmotnosti. Minerály ilmenitu také zachycují vodík (protony) ze slunečního větru, takže při zpracování ilmenitu vzniká také vodík, cenný prvek na Měsíci. Rozsáhlé povodňové bazalty na severozápadní straně Měsíce (Mare Tranquillitatis) mají jedny z nejvyšších obsahů titanu na Měsíci a ukrývají desetkrát více titanu než horniny na Zemi.
HliníkEdit
Hliník (Al) se vyskytuje s koncentrací v rozmezí 10-18 % hmotnosti a je přítomen v minerálu zvaném anortit (CaAl
2Si
2O
8), vápenatém koncovém členu minerální řady plagioklasových živců. Hliník je dobrým elektrickým vodičem a atomizovaný hliníkový prášek je při spalování s kyslíkem také dobrým pevným raketovým palivem. Extrakce hliníku by také vyžadovala rozbití plagioklasu (CaAl2Si2O8).
KřemíkEdit
Fotografie kousku vyčištěného křemíku
Křemík (Si) je hojný metaloid ve veškerém měsíčním materiálu, jeho koncentrace se pohybuje kolem 20 % hmotnosti. Má obrovský význam pro výrobu solárních panelů pro přeměnu slunečního světla na elektřinu, stejně jako pro výrobu skla, skleněných vláken a různých užitečných keramických výrobků. Dosažení velmi vysoké čistoty pro použití jako polovodiče by bylo náročné, zejména v měsíčním prostředí.
CalciumEdit
Krystaly anorthitu v čedičové vyvřelině z Vesuvu v Itálii (velikost: 6).9 × 4,1 × 3,8 cm)
Vápník (Ca) je čtvrtým nejhojnějším prvkem v měsíčních horninách, vyskytuje se v minerálech anorthitu (vzorec CaAl
2Si
2O
8). Oxidy a křemičitany vápníku jsou užitečné nejen pro výrobu keramiky, ale čistý kovový vápník je pružný a za nepřítomnosti kyslíku vynikající elektrický vodič. Anortit je na Zemi vzácný, ale na Měsíci je hojný.
Vápník lze také použít k výrobě solárních článků na bázi křemíku, k čemuž je zapotřebí měsíční křemík, železo, oxid titaničitý, vápník a hliník.
HořčíkEdit
Hořčík (Mg) je přítomen v magmatech a v měsíčních minerálech pyroxenu a olivínu, takže se předpokládá, že hořčík je ve spodní části měsíční kůry hojnější. Hořčík má mnohostranné využití jako slitina pro letecký a kosmický průmysl, automobilový průmysl a elektroniku.
Prvky vzácných zeminEdit
Prvky vzácných zemin se používají k výrobě všeho možného, od elektrických nebo hybridních vozidel, větrných turbín, elektronických zařízení až po technologie čisté energie. Navzdory svému názvu jsou prvky vzácných zemin – s výjimkou promethia – v zemské kůře poměrně hojné. Vzhledem ke svým geochemickým vlastnostem jsou však prvky vzácných zemin obvykle rozptýlené a nenacházejí se často koncentrované v minerálech vzácných zemin; v důsledku toho jsou ekonomicky využitelná ložiska rud méně častá. Hlavní zásoby existují v Číně, Kalifornii, Indii, Brazílii, Austrálii, Jižní Africe a Malajsii, ale více než 95 % světové produkce vzácných zemin připadá na Čínu. (Viz: Průmysl vzácných zemin v Číně.)
Ačkoli současné důkazy naznačují, že prvky vzácných zemin jsou na Měsíci méně hojné než na Zemi, NASA považuje těžbu minerálů vzácných zemin za životaschopný měsíční zdroj, protože vykazují širokou škálu průmyslově důležitých optických, elektrických, magnetických a katalytických vlastností.
Helium-3Edit
Řada lidí od roku 1986 navrhla využít měsíční regolit a využít helium-3 pro jadernou fúzi, ačkoli od roku 2020 existují již desítky let funkční experimentální reaktory pro jadernou fúzi – žádný z nich zatím neposkytuje elektřinu komerčně. Vzhledem k nízké koncentraci helia-3 by jakékoli těžební zařízení muselo zpracovávat extrémně velké množství regolitu. Podle jednoho odhadu je třeba zpracovat více než 150 tun regolitu, aby se získal 1 gram (0,035 oz) helia 3. Čína zahájila čínský program výzkumu Měsíce a zkoumá možnosti těžby na Měsíci, konkrétně hledání izotopu helia-3 pro využití jako zdroje energie na Zemi. Ne všichni autoři se domnívají, že mimozemská těžba helia-3 je proveditelná, a i kdyby bylo možné získat helium-3 z Měsíce, žádná konstrukce fúzního reaktoru nevyprodukovala více fúzního výkonu než příkonu elektrické energie, což by zmařilo účel. Další nevýhodou je, že se jedná o omezený zdroj, který může být po vytěžení vyčerpán.
Uhlík a dusíkEdit
Uhlík (C) by byl potřebný pro výrobu měsíční oceli, ale v měsíčním regolitu je přítomen ve stopovém množství (82 ppm), ke kterému přispívá sluneční vítr a dopady mikrometeoritů.
Dusík (N) byl změřen ze vzorků půdy přivezených na Zemi a existuje ve stopovém množství menším než 5 ppm. Byl nalezen ve formě izotopů 14N, 15N a 16N. Uhlík a vázaný dusík by byly potřebné pro zemědělskou činnost v uzavřené biosféře.
Regolit pro stavbuUpravit
Rozvoj lunární ekonomiky bude vyžadovat značné množství infrastruktury na povrchu Měsíce, jejíž rozvoj bude do značné míry záviset na technologiích využívání zdrojů in situ (ISRU). Jedním z hlavních požadavků bude zajištění stavebních materiálů pro stavbu habitatů, skladovacích zásobníků, přistávacích plošin, silnic a další infrastruktury. Nezpracovaná měsíční půda, nazývaná také regolit, může být přeměněna na použitelné konstrukční prvky pomocí technik, jako je spékání, lisování za tepla, zkapalňování, metoda litého čediče a 3D tisk. Sklo a skleněná vlákna se na Měsíci zpracovávají jednoduše a bylo zjištěno, že pevnost materiálu regolitu lze výrazně zlepšit použitím skleněných vláken, například směsi 70 % čedičového skla a 30 % PETG. Na Zemi byly provedeny úspěšné testy s použitím některých simulantů měsíčního regolitu, včetně MLS-1 a MLS-2.
Měsíční půda, ačkoli představuje problém pro jakékoli mechanické pohyblivé části, může být smíchána s uhlíkovými nanotrubičkami a epoxidy při konstrukci zrcadel teleskopů o průměru až 50 metrů. Několik kráterů v blízkosti pólů je trvale tmavých a chladných, což je příznivé prostředí pro infračervené teleskopy.
Některé návrhy navrhují vybudovat na povrchu Měsíce základnu pomocí modulů přivezených ze Země a pokrýt je měsíční půdou. Měsíční půda se skládá ze směsi oxidu křemičitého a sloučenin obsahujících železo, které lze pomocí mikrovlnného záření roztavit na pevnou látku podobnou sklu.
Evropská kosmická agentura ve spolupráci s nezávislou architektonickou firmou v roce 2013 testovala 3D tištěnou strukturu, která by mohla být postavena z měsíčního regolitu a použita jako měsíční základna. Měsíční půda vytištěná 3D tiskem by poskytovala „radiační i teplotní izolaci. Uvnitř by se nacházel lehký přetlakový nafukovací objekt stejného kopulovitého tvaru, který by byl životním prostředím pro první lidské osadníky Měsíce.“
Na začátku roku 2014 financovala NASA malou studii na University of Southern California, jejímž cílem bylo dále rozvíjet techniku 3D tisku Contour Crafting. Potenciální využití této technologie zahrnuje konstrukci měsíčních struktur z materiálu, který by se mohl skládat až z 90 procent z měsíčního materiálu, přičemž pouze deset procent materiálu by vyžadovalo dopravu ze Země. NASA také zkoumá jinou techniku, která by zahrnovala spékání měsíčního prachu pomocí nízkovýkonného (1500 wattů) mikrovlnného záření. Měsíční materiál by se spojil zahřátím na teplotu 1 200 až 1 500 °C (2 190 až 2 730 °F), tedy poněkud pod bod tání, aby se nanočástice prachu spojily do pevného bloku, který by byl podobný keramice a nevyžadoval by dopravu pojiva ze Země.
.