AurinkoenergiaEdit
Päivänvalo Kuulla kestää noin kaksi viikkoa, minkä jälkeen on noin kaksi viikkoa yötä, ja Kuun molemmat navat ovat lähes jatkuvasti valaistuja. Kuun etelänavalla on alue, jonka kraatterien reunat ovat alttiina lähes jatkuvalle auringonvalolle, mutta kraatterien sisäpuoli on pysyvästi varjossa auringonvalolta, ja niiden sisällä on huomattavia määriä vesijäätä. Sijoittamalla kuun luonnonvarojen käsittelylaitos lähelle kuun etelänapaa aurinkoenergialla tuotettu sähköenergia mahdollistaisi lähes jatkuvan toiminnan lähellä vesijäälähteitä.
Aurinkokennot voitaisiin valmistaa suoraan kuun maaperässä keskikokoisella (~200 kg) kulkuneuvolla, jolla on valmiudet lämmittää regoliittia, höyrystää aurinkokennorakenteeseen sopivia puolijohdemateriaaleja suoraan regoliittisubstraatille ja laskea metallikontaktit ja liitännät, jotka viimeistelevät täydellisen aurinkokennoasennelman suoranaisesti maanpinnalla.
Kilopower-ydinfissiojärjestelmää kehitetään luotettavaa sähköntuotantoa varten, joka voisi mahdollistaa pitkäkestoiset miehitetyt tukikohdat Kuussa, Marsissa ja muissa kohteissa. Järjestelmä sopii erinomaisesti Kuun ja Marsin paikkoihin, joissa auringonvalon tuottama sähköntuotanto on katkonaista.
HappiEdit
Regoliitin alkuainehappipitoisuuden arvioidaan olevan 45 painoprosenttia. Happi esiintyy usein rautapitoisissa kuun mineraaleissa ja laseissa rautaoksidina. On kuvattu ainakin kaksikymmentä erilaista mahdollista prosessia hapen talteenottamiseksi kuun regoliitista, ja kaikki vaativat paljon energiaa: 2-4 megawattivuotta energiaa (eli 6-12×1013 J) 1000 tonnin hapen tuottamiseen. Vaikka hapen uuttaminen metallioksideista tuottaa myös käyttökelpoisia metalleja, veden käyttäminen raaka-aineena ei sitä tee.
VesiEdit
Kuun etelänavalta lentävän LCROSS-orbiterin ottamissa kuvissa näkyy pysyvän varjon alueita.
Kuvassa näkyy Kuun etelänavan (vasemmalla) ja pohjoisnavan (oikealla) pintajään jakaantuminen intialaisen Chandrayaan-1-radan kiertoradalla
Monien kiertolaiskarttojen keräämät todisteet viittaavat vahvasti siihen, että Kuun pinnalla Kuun navoilla on vesijää, mutta enimmäkseen etelänavan alueella. Näiden tietokokonaisuuksien tulokset eivät kuitenkaan aina korreloi keskenään. On todettu, että Kuun pysyvästi varjostetun pinnan kumulatiivinen pinta-ala on 13 361 km2 pohjoisella pallonpuoliskolla ja 17 698 km2 eteläisellä pallonpuoliskolla, jolloin kokonaispinta-ala on 31 059 km2. Tällä hetkellä ei tiedetä, missä määrin nämä pysyvästi varjostetut alueet tai kaikki niistä sisältävät vesijäätä ja muita haihtuvia aineita, joten tarvitaan lisää tietoa Kuun jääesiintymistä, niiden jakautumisesta, pitoisuudesta, määrästä, sijoittumisesta, syvyydestä, geoteknisistä ominaisuuksista ja muista ominaisuuksista, jotka ovat välttämättömiä louhinta- ja käsittelyjärjestelmien suunnittelussa ja kehittämisessä. LCROSS-kiertoradion tarkoituksellista törmäystä Cabeus-kraatteriin seurattiin, jotta saatiin analysoitua syntynyt roskapilvi, ja tultiin siihen tulokseen, että vesijään on oltava pieninä (< ~10 cm), erillisinä jääpaloina, jotka ovat jakautuneet ympäri regoliittia, tai ohuena pinnoitteena jäänjyvillä. Tämä yhdistettynä monostaattisiin tutkahavaintoihin viittaa siihen, että Kuun napakraattereiden pysyvästi varjostetuilla alueilla esiintyvä vesijää ei todennäköisesti ole paksujen, puhtaiden jääkerrostumien muodossa.
Vettä on saattanut kulkeutua Kuuhun geologisten aikaskaalojen aikana vettä sisältävien komeettojen, asteroidien ja meteoroidien säännöllisen pommituksen kautta tai sitä on voitu tuottaa jatkuvasti paikan päällä Aurinkotuulesta peräisin olevien, happea sisältäviin mineraaleihin iskeytyneiden vetyionien (protonien) vaikutuksesta.
Kuun etelänavalla on alue, jonka kraatterien reunat ovat alttiina lähes jatkuvalle auringonvalolle, jolloin kraatterien sisäpuoli on pysyvästi varjossa auringonvalolta, mikä mahdollistaa vesijään luonnollisen vangitsemisen ja keräämisen, jota voitaisiin louhia tulevaisuudessa.
Vesimolekyylit (H
2O) voidaan hajottaa alkuaineisiinsa eli vetyyn ja happiin ja muodostaa molekulaarista vetyä (H
2) ja molekulaarista happea (O
2), joita voidaan käyttää rakettien biopolttoaineena tai tuottaa yhdisteitä metallurgisiin ja kemiallisiin tuotantoprosesseihin. Pelkästään polttoaineen tuotannon arvioi teollisuuden, hallituksen ja akateemisten asiantuntijoiden yhteinen paneeli, joka määritteli lähitulevaisuudessa 450 metrisen tonnin vuotuisen kysynnän kuusta peräisin olevaa polttoainetta, joka vastaa 2450 metristä tonnia käsiteltyä kuun vettä ja tuottaa 2,4 miljardin Yhdysvaltain dollarin tulot vuosittain.
VetyEdit
Aurinkotuuli istuttaa protoneja regoliittiin muodostaen protonoituneen atomin, joka on kemiallinen yhdiste vetyä (H). Vaikka sitoutunutta vetyä on runsaasti, on edelleen kysymyksiä siitä, kuinka paljon sitä diffundoituu maanpinnan alle, karkaa avaruuteen tai diffundoituu kylmiin loukkuihin. Vetyä tarvittaisiin polttoaineen valmistukseen, ja sillä on monia teollisia käyttötarkoituksia. Vetyä voidaan käyttää esimerkiksi hapen tuottamiseen ilmeniitin vetypelkistyksellä.
MetalsEdit
IronEdit
Rautaa (Fe) on runsaasti kaikissa mare-basalteissa (~14-17 painoprosenttia), mutta se on enimmäkseen lukittunut silikaattimineraaleihin (eli pyrokseeniin ja oliviiniin) ja matalikoissa oksidimineraaliin ilmeniittiin. Louhinta olisi melko energiaintensiivistä, mutta joidenkin merkittävien kuun magneettisten anomalioiden epäillään johtuvan eloonjääneistä Fe-rikkaista meteoriittijätteistä. Vasta jatkotutkimukset paikan päällä ratkaisevat, pitääkö tämä tulkinta paikkansa ja kuinka hyödynnettävissä tällaiset meteoriittijäänteet voivat olla.
Regoliitissa on myös vapaata rautaa (0,5 painoprosenttia), joka on luonnostaan seostettu nikkelin ja koboltin kanssa, ja se voidaan helposti irrottaa yksinkertaisilla magneeteilla jauhamisen jälkeen. Tätä rautapölyä voidaan käsitellä osien valmistamiseksi jauhemetallurgisilla tekniikoilla, kuten additiivisella valmistuksella, 3D-tulostuksella, valikoivalla lasersintrauksella (SLS), valikoivalla lasersulatuksella (SLM) ja elektronisuihkusulatuksella (EBM).
Titaani Muokkaa
Titaania (Ti) voidaan seostaa raudan, alumiinin, vanadiinin ja molybdeenin kanssa muiden alkuaineiden ohella vahvojen ja kevyiden seosten tuottamiseksi ilmailu- ja avaruusalalle. Sitä esiintyy lähes kokonaan ilmeniittimineraalissa (FeTiO3) 5-8 painoprosenttia. Ilmeniittimineraalit sitovat myös aurinkotuulesta peräisin olevaa vetyä (protoneja), joten ilmeniitin jalostaminen tuottaa myös vetyä, joka on arvokas alkuaine Kuussa. Kuun luoteispuolen (Mare Tranquillitatis) valtavat tulvabasaltit ovat Kuun korkeimpia titaanipitoisuuksia, ja niissä on 10 kertaa enemmän titaania kuin Maan kivissä.
AlumiiniEdit
Alumiinia (Al) esiintyy 10-18 paino-%:n pitoisuuksina anortiitiksi kutsutussa mineraalissa (CaAl
2Si
2O
8), joka on plagioklaasimaasälpämineraalien sarjan kalsium-pääjäsen. Alumiini on hyvä sähkönjohdin, ja sumutettu alumiinijauhe on myös hyvää kiinteää rakettipolttoainetta, kun sitä poltetaan hapen kanssa. Alumiinin talteenotto edellyttäisi myös plagioklaasin (CaAl2Si2O8) hajottamista.
SiliconEdit
Kuva palasta puhdistettua piitä
Piitä (Si) on runsaana esiintyvänä metalloidina kaikessa kuun materiaalissa, pitoisuus on noin 20 painoprosenttia. Sillä on valtava merkitys aurinkopaneelien valmistuksessa, joilla auringonvalo muunnetaan sähköksi, sekä lasin, lasikuidun ja monenlaisen käyttökelpoisen keramiikan valmistuksessa. Erittäin korkean puhtauden saavuttaminen puolijohteena käytettäväksi olisi haastavaa erityisesti kuun ympäristössä.
KalsiumEdit
Anortiittikiteitä basalttikourussa Vesuviuksesta, Italiasta (koko: 6.9 × 4.1 × 3.8 cm)
Kalsium (Ca) on neljänneksi runsain alkuaine Kuun ylängöillä ja esiintyy anortiittimineraaleissa (kaava CaAl
2Si
2O
8). Kalsiumoksidit ja kalsiumsilikaatit ovat käyttökelpoisia keramiikassa, mutta puhdas kalsiummetalli on joustavaa ja erinomainen sähkönjohdin ilman happea. Anortiitti on harvinaista Maassa, mutta sitä on runsaasti Kuussa.
Kalsiumia voidaan käyttää myös piipohjaisten aurinkokennojen valmistukseen, johon tarvitaan kuun piitä, rautaa, titaanioksidia, kalsiumia ja alumiinia.
MagnesiumEdit
Magnesiumia (Mg) esiintyy magmoissa ja kuun mineraaleissa pyrokseenissa ja oliviinissa, joten on epäilty, että magnesiumia on runsaammin Kuun alemmassa kuoressa. Magnesiumia käytetään moniin eri tarkoituksiin seoksina ilmailu- ja avaruusalalla, autoteollisuudessa ja elektroniikassa.
Harvinaiset maametallitMuutos
Harvinaisia maametalleja käytetään kaikenlaisten sähkö- tai hybridiajoneuvojen, tuuliturbiinien, elektroniikkalaitteiden ja puhtaan energian teknologioiden valmistukseen. Nimestään huolimatta harvinaisia maametalleja on – prometiumia lukuun ottamatta – suhteellisen runsaasti maankuoressa. Geokemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi harvinaiset maametallit ovat kuitenkin tyypillisesti hajallaan eikä niitä useinkaan löydy keskittyneinä harvinaisten maametallien mineraaleihin, minkä vuoksi taloudellisesti hyödynnettävissä olevat malmiesiintymät ovat harvinaisempia. Merkittäviä varantoja on Kiinassa, Kaliforniassa, Intiassa, Brasiliassa, Australiassa, Etelä-Afrikassa ja Malesiassa, mutta Kiinan osuus maailman harvinaisten maametallien tuotannosta on yli 95 prosenttia. (Katso: Harvinaisten maametallien teollisuus Kiinassa.)
Vaikka nykyiset todisteet viittaavat siihen, että harvinaisia maametalleja on Kuussa vähemmän kuin Maassa, NASA pitää harvinaisten maametallien mineraalien louhintaa käyttökelpoisena kuuvaresurssina, koska niillä on monenlaisia teollisesti tärkeitä optisia, sähköisiä, magneettisia ja katalyyttisiä ominaisuuksia.
Helium-3 Muokkaa
Erään arvion mukaan aurinkotuuli on laskeuttanut Kuun pinnalle yli miljoona tonnia helium-3:a (3He). Kuun pinnalla olevat materiaalit sisältävät helium-3:a arviolta 1,4-15 ppb:n (parts per billion) pitoisuuksina auringon valaisemilla alueilla ja jopa 50 ppb:n pitoisuuksina pysyvästi varjoisilla alueilla. Vertailun vuoksi mainittakoon, että Maan ilmakehässä helium-3:n pitoisuus on 7,2 osaa biljoonassa (ppt).
Vuoden 1986 jälkeen useat ihmiset ovat ehdottaneet Kuun regoliitin hyödyntämistä ja helium-3:n käyttämistä ydinfuusiossa, vaikka vuodesta 2020 lähtien toimivia kokeellisia ydinfuusioreaktoreita on ollut olemassa jo vuosikymmeniä – yksikään niistä ei ole vielä tuottanut sähköä kaupallisesti. Koska helium-3:n pitoisuudet ovat alhaiset, kaikkien kaivoslaitteiden olisi käsiteltävä erittäin suuria määriä regoliittia. Erään arvion mukaan yli 150 tonnia regoliittia on käsiteltävä, jotta saadaan 1 gramma (0,035 oz) helium 3:a. Kiina on aloittanut Kiinan kuututkimusohjelman (Chinese Lunar Exploration Program) Kuun tutkimiseksi, ja se tutkii mahdollisuutta louhia kuusta, erityisesti etsimällä isotooppia helium-3 käytettäväksi energialähteenä Maassa. Kaikki kirjoittajat eivät pidä helium-3:n louhintaa maan ulkopuolelta toteuttamiskelpoisena, ja vaikka helium-3:n louhinta Kuusta olisikin mahdollista, mikään fuusioreaktorirakenne ei ole tuottanut enemmän fuusiotehoa kuin sähkötehoa, mikä tekee tarkoituksen tyhjäksi. Toinen haittapuoli on se, että se on rajallinen resurssi, joka voi loppua, kun se on kerran louhittu.
Hiili ja typpiEdit
Hiiltä (C) tarvittaisiin Kuun teräksen valmistukseen, mutta sitä on Kuun regoliitissa vain pieniä määriä (82 ppm), ja se on peräisin aurinkotuulesta ja mikrometeoriittitörmäysten vaikutuksesta.
Typpeä (N) mitattiin maapallolle tuoduista maannosnäytteistä, ja sitä on hivenaineena alle 5 ppm:ssä. Sitä löydettiin isotooppeina 14N, 15N ja 16N. Hiiltä ja kiinteää typpeä tarvittaisiin viljelytoimintaan suljetussa biosfäärissä.
Regoliittia rakentamiseenEdit
Kuuhun perustuvan talouden kehittäminen vaatii merkittävän määrän infrastruktuuria Kuun pinnalla, jonka kehittäminen on vahvasti riippuvainen In situ resurssien hyödyntämisen (ISRU) teknologioista. Yksi ensisijaisista vaatimuksista tulee olemaan rakennusmateriaalien tuottaminen elinympäristöjen, varastosäiliöiden, laskeutumisalustojen, teiden ja muun infrastruktuurin rakentamiseen. Käsittelemättömästä kuun maaperästä, jota kutsutaan myös regoliitiksi, voidaan valmistaa käyttökelpoisia rakenneosia esimerkiksi sintraamalla, kuumapuristamalla, nesteyttämällä, valetulla basaltilla ja 3D-tulostamalla. Lasia ja lasikuitua on helppo käsitellä kuussa, ja on havaittu, että regoliittimateriaalin lujuutta voidaan parantaa huomattavasti käyttämällä lasikuitua, esimerkiksi 70-prosenttista basalttilasikuitua ja 30-prosenttista PETG-seosta. Maassa on tehty menestyksekkäitä testejä, joissa on käytetty joitakin kuun regoliittisimulantteja, kuten MLS-1 ja MLS-2.
Kuun maaperää voidaan sekoittaa hiilinanoputkien ja epoksien kanssa halkaisijaltaan jopa 50 metrin teleskooppipeilien rakentamisessa, vaikka se onkin ongelma kaikille mekaanisesti liikkuville osille. Useat napojen lähellä olevat kraatterit ovat pysyvästi pimeitä ja kylmiä, mikä on suotuisa ympäristö infrapunateleskoopeille.
Joissain ehdotuksissa ehdotetaan kuutukikohdan rakentamista Kuun pinnalle käyttäen Maasta tuotuja moduuleja ja peittämällä ne kuun maaperällä. Kuun maaperä koostuu piidioksidin ja rautaa sisältävien yhdisteiden seoksesta, joka voidaan sulattaa lasimaiseksi kiinteäksi aineeksi mikroaaltosäteilyn avulla.
Euroopan avaruusjärjestö testasi vuonna 2013 yhdessä riippumattoman arkkitehtitoimiston kanssa 3D-tulostettua rakennetta, joka voitaisiin rakentaa kuun regoliitista Kuun tukikohdaksi. 3D-tulostettu kuun maaperä tarjoaisi sekä ”säteily- että lämpötilaeristyksen. Sisällä olisi kevyt paineistettu puhallettava ilmatyyny, jolla olisi sama kupolimuoto, joka muodostaisi asuinympäristön ensimmäisille kuun asukkeille.”
Vuoden 2014 alussa NASA rahoitti Etelä-Kalifornian yliopistossa tehtävää pientä tutkimusta, jossa kehitettiin edelleen Contour Crafting 3D-tulostustekniikkaa. Tämän tekniikan mahdollisiin sovelluksiin kuuluu Kuun rakenteiden rakentaminen materiaalista, joka voisi koostua jopa 90-prosenttisesti Kuun materiaalista, ja vain kymmenen prosenttia materiaalista tarvitsisi kuljettaa Maasta. NASA tutkii myös erilaista tekniikkaa, jossa kuupölyä sintrattaisiin pienitehoisella (1500 watin) mikroaaltosäteilyllä. Kuumateriaali sidottaisiin kuumentamalla se 1 200-1 500 °C:een (2 190-2 730 °F), joka on hieman sulamispisteen alapuolella, jotta nanohiukkaspöly sulautuisi kiinteäksi kappaleeksi, joka muistuttaisi keramiikkaa ja joka ei edellyttäisi sideaineen kuljettamista Maasta.