Maanbronnen

Zonne-energieEdit

Daglicht op de Maan duurt ongeveer twee weken, gevolgd door ongeveer twee weken nacht, terwijl beide maanpolen vrijwel constant verlicht zijn. De zuidpool van de maan heeft een gebied met kraterranden die bijna constant door de zon worden verlicht, maar de binnenkant van de kraters is permanent in de schaduw van het zonlicht en bevat nog steeds grote hoeveelheden waterijs in het binnenste van de kraters. Door het plaatsen van een maangrondstof verwerkingsfaciliteit in de buurt van de zuidpool van de maan, zou door zonne-energie opgewekte elektrische energie een bijna constante werking in de buurt van waterijsbronnen mogelijk maken.

Zonnecellen zouden direct op de maanbodem kunnen worden vervaardigd door een middelgrote (~200 kg) rover met de mogelijkheden voor het verwarmen van de regolith, verdamping van de juiste halfgeleidermaterialen voor de zonnecelstructuur direct op het regolith substraat, en afzetting van metalen contacten en interconnecties om een complete zonnecel array direct op de grond af te maken.

Het Kilopower kernsplijting systeem wordt ontwikkeld voor betrouwbare opwekking van elektrische energie die bemande bases voor lange duur op de Maan, Mars en bestemmingen daarbuiten mogelijk zou kunnen maken. Dit systeem is ideaal voor locaties op de Maan en Mars waar stroomopwekking uit zonlicht intermitterend is.

ZuurstofEdit

Het elementair zuurstofgehalte in de regolith wordt geschat op 45 gewichtspercenten. Zuurstof wordt vaak aangetroffen in ijzerrijke maanmineralen en -glazen als ijzeroxide. Er zijn ten minste twintig verschillende processen beschreven om zuurstof uit maanregolithium te winnen, en deze vergen allemaal een hoge energie-input: tussen de 2-4 megawattjaren energie (d.w.z. 6-12×1013 J) om 1.000 ton zuurstof te produceren. Terwijl zuurstofwinning uit metaaloxiden ook nuttige metalen oplevert, doet het gebruik van water als grondstof dat niet.

WaterEdit

Cumulatief bewijsmateriaal van verscheidene orbiters wijst er sterk op dat er waterijs aanwezig is op het oppervlak aan de Maanpolen, maar vooral op de zuidpool. De resultaten van deze datasets zijn echter niet altijd gecorreleerd. Er is vastgesteld dat de gecumuleerde oppervlakte van het permanent beschaduwde maanoppervlak 13.361 km2 bedraagt op het noordelijk halfrond en 17.698 km2 op het zuidelijk halfrond, wat een totale oppervlakte geeft van 31.059 km2. In hoeverre deze permanent beschaduwde gebieden waterijs en andere vluchtige stoffen bevatten is op dit moment niet bekend, dus zijn er meer gegevens nodig over ijsafzettingen op de maan, de verspreiding, concentratie, hoeveelheid, dispositie, diepte, geotechnische eigenschappen en alle andere kenmerken die nodig zijn om winnings- en verwerkingssystemen te ontwerpen en te ontwikkelen. De opzettelijke inslag van de LCROSS orbiter in de Cabeus krater werd gemonitord om de resulterende puinpluim te analyseren, en men kwam tot de conclusie dat het waterijs de vorm moet hebben van kleine (< ~10 cm), discrete stukjes ijs die verspreid zijn over het regolith, of als dunne laag op ijskorrels. Dit, in combinatie met monostatische radarwaarnemingen, suggereert dat het waterijs dat aanwezig is in de permanent beschaduwde gebieden van maankraters waarschijnlijk niet aanwezig is in de vorm van dikke, zuivere ijsafzettingen.

Water kan op geologische tijdschalen op de Maan terecht zijn gekomen door het regelmatige bombardement van waterhoudende kometen, asteroïden en meteoroïden of continu ter plaatse zijn geproduceerd door de waterstofionen (protonen) van de zonnewind die inslaan op zuurstofhoudende mineralen.

Op de zuidpool van de maan bevindt zich een gebied met kraterranden die blootstaan aan een bijna constante verlichting door de zon, waar de binnenkant van de kraters permanent in de schaduw van het zonlicht staat, waardoor waterijs op natuurlijke wijze kan worden gevangen en verzameld, dat in de toekomst zou kunnen worden gedolven.

Watermoleculen (H
2O) kunnen worden afgebroken tot zijn elementen, namelijk waterstof en zuurstof, en vormen moleculaire waterstof (H
2) en moleculaire zuurstof (O
2) om te worden gebruikt als bi-stuwstof voor raketten of verbindingen te produceren voor metallurgische en chemische productieprocessen. Alleen al de productie van drijfgas, werd geschat door een gezamenlijk panel van industrie, overheid en academische deskundigen, identificeerde een jaarlijkse vraag op korte termijn van 450 ton van de maan afgeleid drijfgas, wat overeenkomt met 2.450 ton verwerkt maanwater, wat jaarlijks 2,4 miljard dollar aan inkomsten genereert.

WaterstofEdit

De zonnewind implanteert protonen op de regoliet, waardoor een geprotoneerd atoom wordt gevormd, dat een chemische verbinding van waterstof (H) is. Hoewel gebonden waterstof overvloedig aanwezig is, blijft de vraag hoeveel daarvan in de ondergrond diffundeert, in de ruimte ontsnapt of in koude vallen terechtkomt. Waterstof is nodig voor de productie van stuwstoffen en kent een groot aantal industriële toepassingen. Waterstof kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor de productie van zuurstof door waterstofreductie van ilmeniet.

MetalsEdit

IronEdit

Iron (Fe) is overvloedig aanwezig in alle merriebasalten (~14-17 % per gewicht), maar zit meestal opgesloten in silicaatmineralen (d.w.z. pyroxeen en olivijn) en in het oxidemineraal ilmeniet in de laagvlakten. Extractie zou veel energie vergen, maar van sommige opvallende magnetische anomalieën op de maan wordt vermoed dat ze te wijten zijn aan overlevende Fe-rijke meteorietpuinresten. Alleen verder onderzoek ter plaatse zal uitwijzen of deze interpretatie juist is, en hoe exploiteerbaar dergelijke meteorietpuin is.

Vrij ijzer komt ook voor in de regolith (0,5 gewichtsprocent), van nature gelegeerd met nikkel en kobalt, en het kan er gemakkelijk uitgehaald worden met eenvoudige magneten na het malen. Dit ijzerstof kan worden verwerkt tot onderdelen met behulp van poedermetallurgietechnieken, zoals additive manufacturing, 3D-printen, selectief lasersinteren (SLS), selectief lasersmelten (SLM) en elektronenstraalsmelten (EBM).

TitaniumEdit

Titanium (Ti) kan worden gelegeerd met ijzer, aluminium, vanadium en molybdeen, onder andere elementen, om sterke, lichtgewicht legeringen voor de ruimtevaart te produceren. Het komt bijna volledig voor in het mineraal ilmeniet (FeTiO3) met een gewichtspercentage van 5-8%. Ilmenietmineralen houden ook waterstof (protonen) uit de zonnewind vast, zodat verwerking van ilmeniet ook waterstof oplevert, een waardevol element op de Maan. De uitgestrekte vloedbasalten aan de noordwestelijke rand (Mare Tranquillitatis) bezitten enkele van de hoogste titaniumgehalten op de Maan, en bevatten 10 maal zoveel titanium als gesteenten op Aarde.

AluminiumEdit

Aluminium (Al) wordt gevonden met een concentratie in het bereik van 10-18 gewichtspercenten, aanwezig in een mineraal genaamd anorthiet (CaAl
2Si
2O
8), het calcium eindlid van de plagioklaas veldspaat mineraalreeks. Aluminium is een goede elektrische geleider, en verneveld aluminiumpoeder is ook een goede vaste raketbrandstof wanneer het met zuurstof wordt verbrand. Voor de extractie van aluminium zou ook plagioklaas (CaAl2Si2O8) moeten worden afgebroken.

SiliciumEdit

Silicium (Si) is een overvloedige metalloïde in al het maanmateriaal, met een concentratie van ongeveer 20% van het gewicht. Het is van enorm belang voor de productie van zonnepanelen voor de omzetting van zonlicht in elektriciteit, alsook voor de productie van glas, vezelglas en een verscheidenheid aan nuttige keramische producten. Het bereiken van een zeer hoge zuiverheid voor gebruik als halfgeleider zou een uitdaging zijn, vooral in de maanomgeving.

CalciumEdit

Calcium (Ca) is het op drie na meest voorkomende element in de maanhooglanden, aanwezig in anorthietmineralen (formule CaAl
2Si
2O
8). Calciumoxiden en calciumsilicaten zijn niet alleen nuttig voor keramiek, maar zuiver calciummetaal is flexibel en een uitstekende elektrische geleider in afwezigheid van zuurstof. Anorthiet is zeldzaam op de Aarde maar overvloedig op de Maan.

Calcium kan ook worden gebruikt om zonnecellen op basis van silicium te fabriceren, waarvoor maansilicium, ijzer, titaniumoxide, calcium en aluminium nodig zijn.

MagnesiumEdit

Magnesium (Mg) is aanwezig in magma’s en in de maanmineralen pyroxeen en olivijn, zodat vermoed wordt dat magnesium overvloediger aanwezig is in de lagere maankorst. Magnesium heeft meerdere toepassingen als legeringen voor de ruimtevaart, automobielindustrie en elektronica.

Zeldzame aardelementenEdit

Zeldzame aardelementen worden gebruikt voor de fabricage van alles van elektrische of hybride voertuigen, windturbines, elektronische apparaten en schone energietechnologieën. Ondanks hun naam zijn zeldzame aardelementen – met uitzondering van promethium – relatief overvloedig aanwezig in de aardkorst. Door hun geochemische eigenschappen zijn zeldzame aardelementen echter over het algemeen verspreid en niet vaak geconcentreerd in zeldzame aardmineralen te vinden; als gevolg daarvan komen economisch exploiteerbare ertsafzettingen minder vaak voor. Er zijn grote reserves in China, Californië, India, Brazilië, Australië, Zuid-Afrika en Maleisië, maar China neemt meer dan 95% van de wereldproductie van zeldzame aardmetalen voor zijn rekening. (Zie: Zeldzame aardmetalenindustrie in China.)

Hoewel het huidige bewijsmateriaal suggereert dat zeldzame aardmetalen minder overvloedig aanwezig zijn op de Maan dan op Aarde, beschouwt NASA de ontginning van zeldzame aardmetalen als een levensvatbare maanbron omdat zij een breed scala van industrieel belangrijke optische, elektrische, magnetische en katalytische eigenschappen vertonen.

Helium-3Edit

Volgens één schatting heeft de zonnewind meer dan 1 miljoen ton helium-3 (3He) op het Maanoppervlak afgezet. Materialen op het maanoppervlak bevatten helium-3 in concentraties die worden geschat tussen 1,4 en 15 deeltjes per miljard (ppb) in zonverlichte gebieden, en kunnen concentraties bevatten die oplopen tot 50 ppb in permanent beschaduwde gebieden. Ter vergelijking, helium-3 in de atmosfeer van de aarde komt voor bij 7,2 delen per triljoen (ppt).

Een aantal mensen heeft sinds 1986 voorgesteld om het maanregolith te exploiteren en het helium-3 te gebruiken voor kernfusie, hoewel er vanaf 2020 al tientallen jaren functionerende experimentele kernfusiereactoren bestaan – geen van hen heeft nog commercieel elektriciteit geleverd. Vanwege de lage concentraties helium-3 zouden mijnbouwinstallaties extreem grote hoeveelheden regoliet moeten verwerken. Volgens één schatting moet meer dan 150 ton regolith worden verwerkt om 1 gram helium-3 te verkrijgen. China is begonnen met het Chinese Maanverkenningsprogramma voor verkenning van de Maan en onderzoekt de mogelijkheid van mijnbouw op de Maan, met name op zoek naar de isotoop helium-3 voor gebruik als energiebron op Aarde. Niet alle auteurs denken dat extraterrestriale winning van helium-3 haalbaar is, en zelfs als het mogelijk zou zijn helium-3 van de Maan te winnen, heeft geen enkel ontwerp van fusiereactor meer fusievermogen geproduceerd dan het elektrisch vermogen, waardoor het doel teniet wordt gedaan. Een ander nadeel is dat het een beperkte hulpbron is die kan worden uitgeput zodra hij is gedolven.

Koolstof en stikstofEdit

Koolstof (C) zou nodig zijn voor de produktie van maanstaal, maar het is aanwezig in maanregolith in sporenhoeveelheden (82 ppm), bijgedragen door de zonnewind en micrometeorietinslagen.

Stikstof (N) werd gemeten uit bodemmonsters die naar de Aarde werden teruggebracht, en het bestaat in sporenhoeveelheden met minder dan 5 ppm. Het werd gevonden als isotopen 14N, 15N, en 16N. Koolstof en vaste stikstof zouden nodig zijn voor landbouwactiviteiten binnen een verzegelde biosfeer.

Regolith voor constructieEdit

De ontwikkeling van een maaneconomie zal een aanzienlijke hoeveelheid infrastructuur op het maanoppervlak vereisen, die sterk afhankelijk zal zijn van In situ resource utilization (ISRU) technologieën om te ontwikkelen. Een van de primaire vereisten zal zijn om bouwmaterialen te leveren voor de bouw van habitats, opslagbakken, landingsplatforms, wegen en andere infrastructuur. Onbewerkte maangrond, ook wel regolith genoemd, kan worden omgezet in bruikbare structurele componenten, door middel van technieken als sinteren, warm persen, vloeibaar maken, de gegoten basaltmethode, en 3D-printen. Glas en glasvezels zijn gemakkelijk te verwerken op de maan, en men heeft ontdekt dat de sterkte van regolith-materiaal drastisch kan worden verbeterd door glasvezels te gebruiken, zoals een mengsel van 70% basaltglasvezels en 30% PETG. Op aarde zijn succesvolle proeven uitgevoerd met enkele maangesteentesimulanten, waaronder MLS-1 en MLS-2.

De maangrond vormt weliswaar een probleem voor alle mechanisch bewegende delen, maar kan worden gemengd met koolstofnanobuisjes en epoxy’s bij de constructie van telescoopspiegels met een diameter tot 50 meter. Verscheidene kraters in de buurt van de polen zijn permanent donker en koud, een gunstige omgeving voor infraroodtelescopen.

Sommige voorstellen suggereren om een maanbasis op het oppervlak te bouwen met behulp van modules die van de aarde worden meegebracht, en deze met maanaarde te bedekken. De maangrond bestaat uit een mengsel van siliciumdioxide en ijzerhoudende verbindingen die met behulp van microgolfstraling tot een glasachtige vaste stof kunnen worden gesmolten.

Het Europees Ruimteagentschap testte in 2013 in samenwerking met een onafhankelijk architectenbureau een 3D-geprinte structuur die zou kunnen worden opgebouwd uit maangranuliet voor gebruik als een maanbasis. 3D-geprinte maangrond zou zowel “straling als temperatuurisolatie” bieden. Binnenin zou een lichtgewicht opblaasbaar onder druk met dezelfde koepelvorm de leefomgeving zijn voor de eerste menselijke maankolonisten.”

In het begin van 2014 financierde NASA een kleine studie aan de University of Southern California om de Contour Crafting 3D-printtechniek verder te ontwikkelen. Potentiële toepassingen van deze technologie zijn onder meer het bouwen van maanstructuren van een materiaal dat tot 90 procent uit maanmateriaal zou kunnen bestaan met slechts tien procent van het materiaal dat vanaf de aarde hoeft te worden vervoerd. De NASA bestudeert ook een andere techniek waarbij maanstof wordt gesinterd met behulp van microgolfstraling met een laag vermogen (1500 watt). Het maanstof zou worden gebonden door verhitting tot 1.200 tot 1.500 °C, iets onder het smeltpunt, om het nanodeeltjesstof te versmelten tot een vast blok dat keramiekachtig is, en waarvoor geen transport van een bindmiddel vanaf de aarde nodig zou zijn.