Energia solareModifica
La luce del giorno sulla Luna dura circa due settimane, seguite da circa due settimane di notte, mentre entrambi i poli lunari sono illuminati quasi costantemente. Il polo sud lunare è caratterizzato da una regione con bordi di crateri esposti a un’illuminazione solare quasi costante, ma l’interno dei crateri è permanentemente all’ombra della luce solare e conserva una quantità significativa di ghiaccio d’acqua al suo interno. Posizionando un impianto di lavorazione delle risorse lunari vicino al polo sud lunare, l’energia elettrica generata dal sole permetterebbe un funzionamento quasi costante vicino alle fonti di ghiaccio d’acqua.
Le celle solari potrebbero essere fabbricate direttamente sul suolo lunare da un rover di medie dimensioni (~200 kg) con la capacità di riscaldare il regolite, l’evaporazione dei materiali semiconduttori appropriati per la struttura della cella solare direttamente sul substrato del regolite, e la deposizione di contatti metallici e interconnessioni per finire un array completo di celle solari direttamente sul terreno.
Il sistema a fissione nucleare Kilopower è in fase di sviluppo per la generazione di energia elettrica affidabile che potrebbe consentire basi con equipaggio di lunga durata sulla Luna, Marte e destinazioni oltre. Questo sistema è ideale per luoghi sulla Luna e su Marte dove la generazione di energia dalla luce solare è intermittente.
OssigenoModifica
Il contenuto elementare di ossigeno nel regolith è stimato al 45% in peso. L’ossigeno si trova spesso nei minerali lunari ricchi di ferro e nei vetri come ossido di ferro. Sono stati descritti almeno venti diversi processi possibili per estrarre l’ossigeno dalla regolite lunare, e tutti richiedono un alto input energetico: tra 2-4 megawatt-anno di energia (cioè 6-12×1013 J) per produrre 1.000 tonnellate di ossigeno. Mentre l’estrazione dell’ossigeno dagli ossidi di metallo produce anche metalli utili, l’utilizzo dell’acqua come materia prima non lo fa.
AcquaModifica
Immagini dell’orbiter LCROSS in volo del polo sud lunare mostrano aree di ombra permanente.
L’immagine mostra la distribuzione del ghiaccio superficiale al polo sud della Luna (a sinistra) e al polo nord (a destra) come visto dallo spettrometro Moon Mineralogy Mapper (M3) della NASA a bordo dell’orbiter indiano Chandrayaan-1
Le prove cumulative di diversi orbiter indicano fortemente che il ghiaccio d’acqua è presente sulla superficie ai poli della Luna, ma soprattutto nella regione del polo sud. Tuttavia, i risultati di queste serie di dati non sono sempre correlati. È stato determinato che l’area cumulativa della superficie lunare permanentemente in ombra è di 13.361 km2 nell’emisfero nord e 17.698 km2 nell’emisfero sud, per un’area totale di 31.059 km2. La misura in cui una o tutte queste aree permanentemente in ombra contengono ghiaccio d’acqua e altri volatili non è attualmente nota, quindi sono necessari più dati sui depositi di ghiaccio lunare, la sua distribuzione, concentrazione, quantità, disposizione, profondità, proprietà geotecniche e qualsiasi altra caratteristica necessaria per progettare e sviluppare sistemi di estrazione e trattamento. L’impatto intenzionale dell’orbiter LCROSS nel cratere Cabeus è stato monitorato per analizzare il pennacchio di detriti risultante, ed è stato concluso che il ghiaccio d’acqua deve essere sotto forma di piccoli (< ~10 cm), pezzi discreti di ghiaccio distribuiti in tutto il regolith, o come rivestimento sottile sui grani di ghiaccio. Questo, insieme alle osservazioni radar monostatiche, suggeriscono che è improbabile che il ghiaccio d’acqua presente nelle regioni permanentemente in ombra dei crateri polari lunari sia presente sotto forma di depositi di ghiaccio spesso e puro.
L’acqua può essere stata portata sulla Luna in tempi geologici dal bombardamento regolare di comete, asteroidi e meteoroidi contenenti acqua o prodotta continuamente in situ dagli ioni di idrogeno (protoni) del vento solare che impattano con minerali contenenti ossigeno.
Il polo sud lunare è caratterizzato da una regione con bordi di crateri esposti a un’illuminazione solare quasi costante, dove l’interno dei crateri è permanentemente ombreggiato dalla luce del sole, permettendo l’intrappolamento naturale e la raccolta di ghiaccio d’acqua che potrebbe essere estratto in futuro.
Le molecole di acqua (H
2O) possono essere scomposte nei suoi elementi, cioè idrogeno e ossigeno, e formare idrogeno molecolare (H
2) e ossigeno molecolare (O
2) da utilizzare come bi-propellente per razzi o produrre composti per processi di produzione metallurgica e chimica. Solo la produzione di propellente, è stata stimata da un gruppo congiunto di esperti dell’industria, del governo e del mondo accademico, ha identificato una domanda annuale a breve termine di 450 tonnellate metriche di propellente derivato dalla Luna che equivale a 2.450 tonnellate metriche di acqua lunare lavorata, generando 2,4 miliardi di dollari di entrate all’anno.
IdrogenoModifica
Il vento solare impianta protoni sul regolith, formando un atomo protonato, che è un composto chimico di idrogeno (H). Sebbene l’idrogeno legato sia abbondante, rimangono domande su quanto di esso si diffonda nel sottosuolo, sfugga nello spazio o si diffonda in trappole fredde. L’idrogeno sarebbe necessario per la produzione di propellente, e ha una moltitudine di usi industriali. Per esempio, l’idrogeno può essere usato per la produzione di ossigeno attraverso la riduzione a idrogeno dell’ilmenite.
MetalliEdit
FerroEdit
Il ferro (Fe) è abbondante in tutti i basalti di mare (~14-17% in peso) ma è per lo più bloccato in minerali silicati (cioè pirosseno e olivina) e nel minerale ossido ilmenite nelle pianure. L’estrazione sarebbe piuttosto dispendiosa in termini di energia, ma alcune importanti anomalie magnetiche lunari sono sospettate di essere dovute a detriti meteoritici ricchi di Fe sopravvissuti. Solo ulteriori esplorazioni in situ determineranno se questa interpretazione è corretta o meno, e quanto sfruttabili possano essere tali detriti meteoritici.
Il ferro libero esiste anche nel regolith (0,5% in peso) in lega naturale con nichel e cobalto e può essere facilmente estratto da semplici magneti dopo la macinazione. Questa polvere di ferro può essere lavorata per fare parti utilizzando tecniche di metallurgia delle polveri, come la produzione additiva, la stampa 3D, la sinterizzazione laser selettiva (SLS), la fusione laser selettiva (SLM) e la fusione a fascio elettronico (EBM).
TitanioModifica
Il titanio (Ti) può essere legato con ferro, alluminio, vanadio e molibdeno, tra altri elementi, per produrre leghe forti e leggere per l’aerospazio. Esiste quasi interamente nel minerale ilmenite (FeTiO3) nel range del 5-8% in peso. I minerali di ilmenite intrappolano anche l’idrogeno (protoni) dal vento solare, così che la lavorazione dell’ilmenite produrrà anche idrogeno, un elemento prezioso sulla Luna. I vasti basalti alluvionali sul lato nord-ovest (Mare Tranquillitatis) possiedono alcuni dei più alti contenuti di titanio sulla Luna, ospitando 10 volte più titanio delle rocce sulla Terra.
AlluminioModifica
L’alluminio (Al) si trova con una concentrazione dell’ordine del 10-18% in peso, presente in un minerale chiamato anortite (CaAl
2Si
2O
8), l’endmember del calcio della serie di minerali feldspatici plagioclasi. L’alluminio è un buon conduttore elettrico, e la polvere di alluminio atomizzata è anche un buon combustibile solido per razzi quando viene bruciato con l’ossigeno. L’estrazione dell’alluminio richiederebbe anche la rottura del plagioclasio (CaAl2Si2O8).
SiliconEdit
Foto di un pezzo di silicio purificato
Il silicio (Si) è un metalloide abbondante in tutto il materiale lunare, con una concentrazione del 20% circa in peso. È di enorme importanza per produrre matrici di pannelli solari per la conversione della luce solare in elettricità, così come vetro, fibra di vetro, e una varietà di ceramiche utili. Raggiungere una purezza molto elevata per l’uso come semiconduttore sarebbe impegnativo, specialmente nell’ambiente lunare.
CalcioModifica
Cristalli di anortite in un vaso di basalto dal Vesuvio, Italia (dimensioni: 6.9 × 4,1 × 3,8 cm)
Il calcio (Ca) è il quarto elemento più abbondante negli altipiani lunari, presente nei minerali di anortite (formula CaAl
2Si
2O
8). Gli ossidi di calcio e i silicati di calcio non sono solo utili per la ceramica, ma il calcio metallico puro è flessibile e un eccellente conduttore elettrico in assenza di ossigeno. L’anortite è rara sulla Terra ma abbondante sulla Luna.
Il calcio può anche essere usato per fabbricare celle solari a base di silicio, che richiedono silicio lunare, ferro, ossido di titanio, calcio e alluminio.
MagnesioModifica
Il magnesio (Mg) è presente nei magmi e nei minerali lunari pirosseno e olivina, quindi si sospetta che il magnesio sia più abbondante nella bassa crosta lunare. Il magnesio ha molteplici usi come leghe per il settore aerospaziale, automobilistico ed elettronico.
Elementi delle terre rareModifica
Gli elementi delle terre rare sono usati per produrre di tutto, dai veicoli elettrici o ibridi, alle turbine eoliche, ai dispositivi elettronici e alle tecnologie dell’energia pulita. Nonostante il loro nome, gli elementi delle terre rare sono – con l’eccezione del promezio – relativamente abbondanti nella crosta terrestre. Tuttavia, a causa delle loro proprietà geochimiche, gli elementi delle terre rare sono tipicamente dispersi e non si trovano spesso concentrati in minerali di terre rare; di conseguenza, i depositi di minerali economicamente sfruttabili sono meno comuni. Grandi riserve esistono in Cina, California, India, Brasile, Australia, Sudafrica e Malesia, ma la Cina rappresenta oltre il 95% della produzione mondiale di terre rare. (Vedi: L’industria delle terre rare in Cina.)
Anche se le prove attuali suggeriscono che gli elementi delle terre rare sono meno abbondanti sulla Luna che sulla Terra, la NASA vede l’estrazione di minerali di terre rare come una risorsa lunare praticabile perché esibiscono una vasta gamma di proprietà ottiche, elettriche, magnetiche e catalitiche importanti a livello industriale.
Elio-3Edit
Secondo una stima, il vento solare ha depositato più di 1 milione di tonnellate di elio-3 (3He) sulla superficie della Luna. I materiali sulla superficie lunare contengono elio-3 in concentrazioni stimate tra 1,4 e 15 parti per miliardo (ppb) nelle aree illuminate dal sole, e possono contenere concentrazioni fino a 50 ppb nelle regioni permanentemente in ombra. Per confronto, l’elio-3 nell’atmosfera terrestre si trova a 7,2 parti per trilione (ppt).
A partire dal 1986 un certo numero di persone ha proposto di sfruttare la regolite lunare e di utilizzare l’elio-3 per la fusione nucleare, anche se dal 2020 esistono reattori a fusione nucleare sperimentali funzionanti da decenni – nessuno di essi ha ancora fornito elettricità a livello commerciale. A causa delle basse concentrazioni di elio-3, qualsiasi attrezzatura mineraria avrebbe bisogno di trattare quantità estremamente grandi di regolite. Secondo una stima, più di 150 tonnellate di regolite devono essere trattate per ottenere 1 grammo (0,035 once) di elio 3. La Cina ha iniziato il Programma Cinese di Esplorazione Lunare per esplorare la Luna e sta studiando la prospettiva dell’estrazione mineraria lunare, in particolare cercando l’isotopo elio-3 da usare come fonte di energia sulla Terra. Non tutti gli autori pensano che l’estrazione extraterrestre dell’elio-3 sia fattibile, e anche se fosse possibile estrarre l’elio-3 dalla Luna, nessun progetto di reattore a fusione ha prodotto più potenza di fusione in uscita che la potenza elettrica in entrata, vanificando lo scopo. Un altro aspetto negativo è che si tratta di una risorsa limitata che può essere esaurita una volta estratta.
Carbonio e azotoModifica
Il carbonio (C) sarebbe necessario per la produzione di acciaio lunare, ma è presente nella regolite lunare in tracce (82 ppm), contribuito dal vento solare e dagli impatti di micrometeoriti.
L’azoto (N) è stato misurato da campioni di suolo riportati sulla Terra, ed esiste in tracce in meno di 5 ppm. È stato trovato come isotopi 14N, 15N e 16N. Il carbonio e l’azoto fisso sarebbero necessari per le attività agricole all’interno di una biosfera sigillata.
Regolith per la costruzioneModifica
Lo sviluppo di un’economia lunare richiederà una quantità significativa di infrastrutture sulla superficie lunare, che si baserà molto sulle tecnologie di utilizzo delle risorse in situ (ISRU) per svilupparsi. Uno dei requisiti principali sarà quello di fornire materiali da costruzione per costruire habitat, contenitori di stoccaggio, piazzole di atterraggio, strade e altre infrastrutture. Il suolo lunare non trattato, chiamato anche regolite, può essere trasformato in componenti strutturali utilizzabili, attraverso tecniche come la sinterizzazione, la pressatura a caldo, la liquefazione, il metodo del basalto fuso e la stampa 3D. Il vetro e la fibra di vetro sono facili da lavorare sulla Luna, e si è scoperto che la resistenza dei materiali del regolith può essere drasticamente migliorata usando la fibra di vetro, come il 70% di fibra di vetro di basalto e il 30% di miscela PETG. Test di successo sono stati eseguiti sulla Terra utilizzando alcuni simulanti di regolite lunare, tra cui MLS-1 e MLS-2.
Il suolo lunare, sebbene ponga un problema per qualsiasi parte meccanica in movimento, può essere mescolato con nanotubi di carbonio ed epossidici nella costruzione di specchi per telescopi fino a 50 metri di diametro. Diversi crateri vicino ai poli sono permanentemente bui e freddi, un ambiente favorevole per telescopi a infrarossi.
Alcune proposte suggeriscono di costruire una base lunare sulla superficie utilizzando moduli portati dalla Terra, e coprendoli con il suolo lunare. Il suolo lunare è composto da una miscela di silice e composti contenenti ferro che possono essere fusi in un solido simile al vetro utilizzando le radiazioni a microonde.
L’Agenzia spaziale europea, lavorando nel 2013 con uno studio di architettura indipendente, ha testato una struttura stampata in 3D che potrebbe essere costruita con la regolite lunare per essere utilizzata come base lunare. Il suolo lunare stampato in 3D fornirebbe sia “l’isolamento dalle radiazioni che dalla temperatura”. All’interno, un leggero gonfiabile pressurizzato con la stessa forma a cupola sarebbe l’ambiente di vita per i primi coloni umani della Luna.”
All’inizio del 2014, la NASA ha finanziato un piccolo studio alla University of Southern California per sviluppare ulteriormente la tecnica di stampa 3D Contour Crafting. Le potenziali applicazioni di questa tecnologia includono la costruzione di strutture lunari di un materiale che potrebbe consistere fino al 90% di materiale lunare con solo il 10% del materiale che richiede il trasporto dalla Terra. La NASA sta anche esaminando una tecnica diversa che comporterebbe la sinterizzazione della polvere lunare utilizzando radiazioni a microonde a bassa potenza (1500 watt). Il materiale lunare verrebbe legato mediante riscaldamento a 1.200-1.500 °C (2.190-2.730 °F), un po’ al di sotto del punto di fusione, al fine di fondere la polvere di nanoparticelle in un blocco solido che è simile alla ceramica, e non richiederebbe il trasporto di un materiale legante dalla Terra.