Holdi erőforrások

NapenergiaSzerkesztés

A Holdon körülbelül két hétig tart a napfény, amit körülbelül két hét éjszaka követ, miközben mindkét holdi pólus szinte folyamatosan világít. A Hold déli pólusán található egy olyan régió, amelynek kráterperemei szinte állandó napfénynek vannak kitéve, a kráterek belseje azonban állandóan árnyékban van a napfénytől, és jelentős mennyiségű vízjeget őriznek a belsejükben. Ha egy holdi nyersanyag-feldolgozó létesítményt a Hold déli pólusának közelében helyeznénk el, a napenergiával előállított elektromos energia lehetővé tenné a vízjégforrásokhoz közeli, közel állandó működést.

A napelemeket közvetlenül a holdi talajon lehetne előállítani egy közepes méretű (~200 kg) roverrel, amely képes a regolit felmelegítésére, a napelem szerkezetéhez szükséges félvezető anyagok bepárlására közvetlenül a regolit szubsztrátumon, valamint a fém érintkezők és összeköttetések felhelyezésére, hogy a teljes napelemtömböt közvetlenül a talajon lehessen befejezni.

A Kilopower atommaghasadási rendszert megbízható elektromos áramtermelésre fejlesztik ki, amely lehetővé tenné a Holdon, a Marson és azon túli célállomásokon a hosszú távú legénységi bázisok létesítését. Ez a rendszer ideális a Holdon és a Marson olyan helyeken, ahol a napfényből történő áramtermelés időszakos.

OxigénSzerkesztés

A regolit elemi oxigéntartalmát 45 tömegszázalékra becsülik. Az oxigén gyakran vasban gazdag holdi ásványokban és üvegekben található meg vas-oxid formájában. Legalább húsz különböző lehetséges eljárást írtak le az oxigén kinyerésére a holdi regolitból, és mindegyik nagy energiabefektetést igényel: 2-4 megawattévnyi energia (azaz 6-12×1013 J) szükséges 1000 tonna oxigén előállításához. Míg a fémoxidokból történő oxigénkivonás hasznos fémeket is termel, addig a víz alapanyagként való felhasználása nem.

VízSzerkesztés

A több űrszonda összesített adatai határozottan arra utalnak, hogy a Hold pólusainál vízjég van a felszínen, de főleg a déli pólus térségében. Ezen adatsorok eredményei azonban nem mindig korrelálnak egymással. Megállapították, hogy az állandóan árnyékban lévő holdfelszín kumulatív területe 13 361 km2 az északi féltekén és 17 698 km2 a déli féltekén, ami összesen 31 059 km2 területet jelent. Jelenleg nem ismert, hogy ezen állandóan árnyékban lévő területek bármelyike vagy mindegyike tartalmaz-e vízjeget és más illékony anyagokat, ezért további adatokra van szükség a holdi jéglelőhelyekről, azok eloszlásáról, koncentrációjáról, mennyiségéről, elrendeződéséről, mélységéről, geotechnikai tulajdonságairól és minden más olyan jellemzőről, amely a kitermelő és feldolgozó rendszerek tervezéséhez és fejlesztéséhez szükséges. Az LCROSS orbiter szándékos becsapódását a Cabeus kráterbe nyomon követték a keletkezett törmelékfúvóka elemzése céljából, és arra a következtetésre jutottak, hogy a vízjég kis (< ~10 cm), diszkrét jégdarabok formájában lehet a regolitban elosztva, vagy vékony bevonatként a jégszemcséken. Ez, valamint a monosztatikus radaros megfigyelések arra utalnak, hogy a holdi sarki kráterek állandóan árnyékban lévő régióiban jelenlévő vízjég valószínűleg nem vastag, tiszta jéglerakódások formájában van jelen.

A vizet geológiai időskálák alatt vízhordozó üstökösök, aszteroidák és meteoroidák rendszeres bombázása juttathatta a Holdra, vagy a napszél oxigéntartalmú ásványokra becsapódó hidrogénionjai (protonjai) folyamatosan termelték a helyszínen.

A Hold déli pólusán található egy olyan régió, ahol a kráterek pereme szinte állandó napfénynek van kitéve, ahol a kráterek belseje állandóan árnyékban van a napfénytől, ami lehetővé teszi a jövőben bányászható vízjég természetes csapdázását és összegyűjtését.

A vízmolekulák (H
2O) elemeire, nevezetesen hidrogénre és oxigénre bonthatók, és molekuláris hidrogént (H
2) és molekuláris oxigént (O
2) alkotnak, amelyeket rakéták biohajtóanyagaként használhatunk, vagy vegyületeket állíthatunk elő kohászati és kémiai gyártási folyamatokhoz. Csak a hajtóanyag előállítása, becslések szerint egy ipari, kormányzati és akadémiai szakértőkből álló közös testület rövid távon évi 450 tonna holdi eredetű hajtóanyag iránti keresletet állapított meg, ami 2450 tonna feldolgozott holdi víznek felel meg, évi 2,4 milliárd dollár bevételt generálva.

HidrogénSzerkesztés

A napszél protonokat ültet a regolitra, protonált atomot képezve, ami a hidrogén (H) kémiai vegyülete. Bár a kötött hidrogén bőséges, továbbra is kérdéses, hogy mennyi diffundál a felszín alatti rétegekbe, szökik az űrbe, vagy diffundál hidegcsapdákba. A hidrogénre szükség lenne a hajtóanyaggyártáshoz, és számos ipari felhasználási területe van. A hidrogén például az ilmenit hidrogénes redukciójával oxigén előállítására használható.

MetalsEdit

IronEdit

A vas (Fe) minden mare bazaltban bőségesen megtalálható (~14-17 tömegszázalék), de többnyire szilikátásványokba (pl. piroxén és olivin), az alföldön pedig az ilmenit nevű oxidásványba záródik. A kitermelés meglehetősen energiaigényes lenne, de néhány kiemelkedő holdi mágneses anomáliáról feltételezhető, hogy a túlélő Fe-gazdag meteorit törmeléknek köszönhető. Csak további helyszíni feltárások fogják eldönteni, hogy ez az értelmezés helytálló-e, és hogy az ilyen meteoritikus törmelék mennyire hasznosítható.

A regolitban is létezik szabad vas (0,5 tömegszázalék), természetesen nikkel és kobalt ötvözve, és őrlés után egyszerű mágnesekkel könnyen kinyerhető. Ez a vaspor feldolgozható alkatrészek készítésére porkohászati eljárásokkal, például additív gyártás, 3D nyomtatás, szelektív lézersinterezés (SLS), szelektív lézerolvasztás (SLM) és elektronsugaras olvasztás (EBM) segítségével.

TitánSzerkesztés

A titán (Ti) ötvözhető többek között vassal, alumíniummal, vanádiummal és molibdénnel, hogy erős és könnyű ötvözeteket állítsanak elő a repülőgépipar számára. Csaknem teljes egészében az ilmenit (FeTiO3) ásványban fordul elő 5-8 tömegszázalékban. Az ilmenit ásványok a napszélből származó hidrogént (protonokat) is befogadják, így az ilmenit feldolgozásával hidrogén is keletkezik, amely értékes elem a Holdon. Az északnyugati oldal (Mare Tranquillitatis) hatalmas árvízi bazaltjai a Holdon az egyik legmagasabb titántartalommal rendelkeznek, tízszer annyi titániumot tartalmaznak, mint a földi kőzetek.

AlumíniumSzerkesztés

Az alumínium (Al) 10-18 tömegszázalékos koncentrációban van jelen az anortit (CaAl
2Si
2O
8) nevű ásványban, amely a plagioklász földpát ásványsorozat kalciumos végtagja. Az alumínium jó elektromos vezető, és a porlasztott alumíniumpor oxigénnel elégetve jó szilárd rakétaüzemanyagot is alkot. Az alumínium kinyeréséhez a plagioklász (CaAl2Si2O8) lebontására is szükség lenne.

SzilíciumSzerkesztés

A szilícium (Si) minden holdi anyagban bőségesen megtalálható metalloid, körülbelül 20 tömegszázalékos koncentrációban. Óriási jelentősége van a napfényt elektromossággá alakító napelemtáblák, valamint az üveg, az üvegszálak és számos hasznos kerámia előállításához. A félvezetőként való felhasználáshoz szükséges nagyon nagy tisztaság elérése nagy kihívást jelentene, különösen a holdi környezetben.

KalciumSzerkesztés

A kalcium (Ca) a negyedik leggyakoribb elem a holdi felföldön, anortit ásványokban van jelen (képlet: CaAl
2Si
2O
8). A kalcium-oxidok és kalcium-szilikátok nemcsak a kerámiákhoz hasznosak, de a tiszta kalcium-fém rugalmas és oxigén hiányában kiváló elektromos vezető. Az anortit ritka a Földön, de bőséges a Holdon.

A kalciumot szilícium alapú napelemek előállítására is fel lehet használni, amihez holdi szilícium, vas, titán-oxid, kalcium és alumínium szükséges.

MagnéziumSzerkesztés

A magnézium (Mg) jelen van a magmákban és a holdi piroxén és olivin ásványokban, ezért feltételezhető, hogy a magnézium nagyobb mennyiségben van jelen az alsó holdkéregben. A magnéziumot többszörösen felhasználják ötvözetekként a repülőgépiparban, az autóiparban és az elektronikában.

RitkaföldfémekSzerkesztés

A ritkaföldfémeket az elektromos vagy hibrid járművek, szélturbinák, elektronikus eszközök és tiszta energiával kapcsolatos technológiák gyártásához használják. Nevük ellenére a ritkaföldfémek – a promécium kivételével – viszonylag nagy mennyiségben fordulnak elő a földkéregben. Geokémiai tulajdonságaik miatt azonban a ritkaföldfémek jellemzően szétszóródnak, és nem gyakran találhatók ritkaföldfém-ásványokba koncentrálva; ennek következtében a gazdaságosan kitermelhető érclelőhelyek ritkábbak. Jelentősebb tartalékok Kínában, Kaliforniában, Indiában, Brazíliában, Ausztráliában, Dél-Afrikában és Malajziában vannak, de a világ ritkaföldfém-termelésének több mint 95%-a Kínából származik. (Lásd: Ritkaföldfém-ipar Kínában.)

Bár a jelenlegi bizonyítékok szerint a ritkaföldfémek a Holdon kevésbé fordulnak elő, mint a Földön, a NASA a ritkaföldfém-ásványok bányászatát életképes holdi erőforrásnak tekinti, mivel iparilag fontos optikai, elektromos, mágneses és katalitikus tulajdonságok széles skáláját mutatják.

Hélium-3Szerkesztés

Egy becslés szerint a napszél több mint 1 millió tonna hélium-3 (3He) rakódott le a Hold felszínén. A Hold felszínén található anyagok hélium-3 koncentrációját a napsütötte területeken 1,4 és 15 ppb (parts per billion) közé becsülik, az állandóan árnyékban lévő területeken pedig akár 50 ppb is lehet. Összehasonlításképpen, a hélium-3 a Föld légkörében 7,2 trillió rész per billió (ppt) koncentrációban fordul elő.

1986 óta többen javasolták a holdi regolit kiaknázását és a hélium-3 felhasználását magfúzióra, bár 2020-tól már évtizedek óta léteznek működő kísérleti magfúziós reaktorok – kereskedelmi forgalomban még egyik sem szolgáltatott áramot. A hélium-3 alacsony koncentrációja miatt bármilyen bányászati berendezésnek rendkívül nagy mennyiségű regolitot kellene feldolgoznia. Egy becslés szerint több mint 150 tonna regolitot kell feldolgozni ahhoz, hogy 1 gramm (0,035 oz) hélium-3-at nyerjünk. Kína megkezdte a Kínai Holdkutatási Programot a Hold felderítésére, és vizsgálja a holdi bányászat lehetőségét, különösen a hélium-3 izotópot keresi a földi energiaforrásként való felhasználás céljából. Nem minden szerző tartja megvalósíthatónak a hélium-3 földön kívüli kitermelését, és még ha lehetséges is lenne a hélium-3 kitermelése a Holdról, egyetlen fúziós reaktorkonstrukció sem termelt nagyobb fúziós teljesítményt, mint a felvett elektromos energia, ami meghiúsítja a célt. A másik hátránya, hogy ez egy korlátozott erőforrás, amely a bányászat után kimerülhet.

Szén és nitrogénSzerkesztés

A holdi acél előállításához szénre (C) lenne szükség, de a holdi regolitban nyomokban (82 ppm) van jelen, amit a napszél és a mikrometeorit-becsapódások okoznak.

A nitrogént (N) a Földre visszahozott talajmintákból mérték, és nyomokban, kevesebb mint 5 ppm mennyiségben van jelen. A 14N, 15N és 16N izotópok formájában találták meg. Szénre és kötött nitrogénre lenne szükség a mezőgazdasági tevékenységekhez egy lezárt bioszférában.

Regolit az építkezéshezSzerkesztés

A holdi gazdaság fejlesztéséhez jelentős mennyiségű infrastruktúrára lesz szükség a holdfelszínen, amelynek kifejlesztéséhez nagymértékben az in situ erőforrás-hasznosítási (ISRU) technológiákra lesz szükség. Az egyik elsődleges követelmény az élőhelyek, tárolótárolók, leszállóhelyek, utak és egyéb infrastruktúra építéséhez szükséges építőanyagok biztosítása lesz. A feldolgozatlan holdi talajból, amelyet regolitnak is neveznek, felhasználható szerkezeti elemeket lehet készíteni olyan technikák segítségével, mint a szinterezés, a forró préselés, a cseppfolyósítás, az öntött bazalt módszer és a 3D nyomtatás. Az üveg és az üvegszálak könnyen feldolgozhatók a Holdon, és megállapították, hogy a regolit anyagszilárdsága drasztikusan javítható üvegszálak használatával, például 70% bazaltüvegszál és 30% PETG keverékével. A Földön sikeres teszteket végeztek néhány holdi regolitszimulánssal, köztük az MLS-1 és MLS-2 anyagokkal.

A holdi talaj, bár problémát jelent minden mechanikus mozgó alkatrész számára, szén nanocsövekkel és epoxikkal keverve akár 50 méter átmérőjű távcsőtükrök építésénél is használható. Számos kráter a pólusok közelében tartósan sötét és hideg, ami kedvező környezet az infravörös teleszkópok számára.

Egyik javaslat szerint a Földről hozott modulok felhasználásával és holdi talajjal való borításával holdi bázist lehetne építeni a felszínen. A holdi talaj szilícium-dioxid és vastartalmú vegyületek keverékéből áll, amelyet mikrohullámú sugárzással üvegszerű szilárd anyaggá lehet olvasztani.

Az Európai Űrügynökség 2013-ban egy független építészirodával együttműködve tesztelt egy 3D-nyomtatott szerkezetet, amelyet holdi regolitból lehetne építeni holdi bázisként. A 3D-nyomtatott holdi talaj “sugárzás- és hőmérsékletszigetelést is biztosítana. Belül egy ugyanilyen kupola alakú, könnyű, nyomás alatt álló felfújható léghajó lenne a lakókörnyezet az első emberi holdlakók számára.”

2014 elején a NASA finanszírozott egy kisebb tanulmányt a Dél-kaliforniai Egyetemen a Contour Crafting 3D nyomtatási technika továbbfejlesztésére. A technológia lehetséges alkalmazásai közé tartozik a holdi szerkezetek olyan anyagból történő megépítése, amely akár 90 százalékban holdi anyagból állhat, és csak tíz százalékban kell a Földről szállítani. A NASA egy másik technikát is vizsgál, amely a holdi por kis teljesítményű (1500 wattos) mikrohullámú sugárzással történő szinterezését jelentené. A holdi anyagot 1200-1500 °C-ra (2190-2730 °F), valamivel az olvadáspontja alatt lévő hőmérsékletre történő hevítéssel kötnék meg, hogy a nanorészecskékből álló porból egy szilárd, kerámiaszerű tömböt olvasztanának, és nem lenne szükség kötőanyag szállítására a Földről.