Zasoby księżycowe

Energia słonecznaEdit

Światło dzienne na Księżycu trwa około dwóch tygodni, po których następuje około dwóch tygodni nocy, podczas gdy oba bieguny księżycowe są oświetlone niemal bez przerwy. Na księżycowym biegunie południowym znajduje się region z brzegami kraterów wystawionych na niemal stałe oświetlenie słoneczne, jednak wnętrza kraterów są stale zacienione od światła słonecznego i zachowują znaczne ilości lodu wodnego w swoich wnętrzach. Umieszczenie księżycowego zakładu przetwarzania zasobów w pobliżu bieguna południowego pozwoliłoby na niemal ciągłą pracę w pobliżu źródeł lodu wodnego.

Ogniwa słoneczne mogłyby być wytwarzane bezpośrednio na gruncie księżycowym przez średniej wielkości (~200 kg) łazik posiadający możliwości podgrzewania regolitu, odparowywania odpowiednich materiałów półprzewodnikowych do budowy ogniw słonecznych bezpośrednio na podłożu regolitu oraz osadzania metalicznych styków i połączeń w celu wykończenia kompletnego układu ogniw słonecznych bezpośrednio na ziemi.

System rozszczepienia jądrowego Kilopower jest rozwijany w celu niezawodnego wytwarzania energii elektrycznej, która mogłaby umożliwić długotrwałe działanie baz załogowych na Księżycu, Marsie i w innych miejscach. System ten jest idealny dla miejsc na Księżycu i Marsie, gdzie wytwarzanie energii ze światła słonecznego jest przerywane.

TlenEdit

Zawartość elementarnego tlenu w regolicie szacuje się na 45% wagowych. Tlen jest często spotykany w bogatych w żelazo księżycowych minerałach i szkłach jako tlenek żelaza. Opisano co najmniej dwadzieścia różnych możliwych procesów pozyskiwania tlenu z regolitu księżycowego, ale wszystkie wymagają dużych nakładów energii: od 2-4 megawatolat energii (tj. 6-12×1013 J) do wyprodukowania 1000 ton tlenu. Podczas gdy ekstrakcja tlenu z tlenków metali również produkuje użyteczne metale, użycie wody jako surowca nie.

WodaEdit

Kumulatywne dowody z kilku orbiterów silnie wskazują, że lód wodny jest obecny na powierzchni na biegunach Księżyca, ale głównie w rejonie bieguna południowego. Jednak wyniki z tych zestawów danych nie zawsze są ze sobą skorelowane. Ustalono, że łączny obszar stale zacienionej powierzchni Księżyca wynosi 13 361 km2 na półkuli północnej i 17 698 km2 na półkuli południowej, co daje łączny obszar 31 059 km2. Stopień, w jakim którykolwiek lub wszystkie z tych trwale zacienionych obszarów zawierają lód wodny i inne lotne substancje, nie jest obecnie znany, dlatego potrzeba więcej danych o złożach lodu księżycowego, jego rozmieszczeniu, koncentracji, ilości, rozmieszczeniu, głębokości, właściwościach geotechnicznych i wszelkich innych cechach niezbędnych do zaprojektowania i opracowania systemów wydobycia i przetwarzania. Celowe uderzenie orbitera LCROSS w krater Cabeus było monitorowane w celu analizy powstałego pióropusza odłamków i stwierdzono, że lód wodny musi być w postaci małych (< ~10 cm), dyskretnych kawałków lodu rozmieszczonych w regolicie, lub jako cienka powłoka na ziarnach lodu. To, w połączeniu z monostatycznymi obserwacjami radarowymi, sugeruje, że jest mało prawdopodobne, aby lód wodny obecny w stale zacienionych regionach księżycowych kraterów polarnych występował w postaci grubych, czystych złóż lodu.

Woda mogła być dostarczona na Księżyc w geologicznych skalach czasowych przez regularne bombardowanie wodonośnymi kometami, asteroidami i meteoroidami lub stale produkowana in situ przez jony wodoru (protony) wiatru słonecznego uderzające w minerały zawierające tlen.

Księżycowy biegun południowy charakteryzuje się regionem z brzegami kraterów wystawionych na niemal stałe oświetlenie słoneczne, gdzie wnętrza kraterów są stale zacienione od światła słonecznego, co pozwala na naturalne uwięzienie i gromadzenie lodu wodnego, który mógłby być wydobywany w przyszłości.

Cząsteczki wody (H
2O) mogą być rozbite na jej elementy, mianowicie wodór i tlen, i tworzyć wodór cząsteczkowy (H
2) i tlen cząsteczkowy (O
2), które mogą być wykorzystane jako biopaliwo rakietowe lub wytwarzać związki dla metalurgicznych i chemicznych procesów produkcyjnych. Tylko produkcja materiałów pędnych, została oszacowana przez wspólny panel ekspertów przemysłowych, rządowych i akademickich, zidentyfikowała krótkoterminowe roczne zapotrzebowanie na 450 ton metrycznych materiałów pędnych pochodzących z Księżyca, co odpowiada 2450 tonom metrycznym przetworzonej wody księżycowej, generując 2,4 mld USD przychodów rocznie.

WodórEdit

Wiatr słoneczny implikuje protony na regolicie, tworząc protonowany atom, który jest związkiem chemicznym wodoru (H). Chociaż związany wodór jest obfity, pozostają pytania o to, jak wiele z niego dyfunduje do podpowierzchni, ucieka w przestrzeń lub dyfunduje do zimnych pułapek. Wodór będzie potrzebny do produkcji materiałów pędnych, ma też wiele zastosowań przemysłowych. Na przykład, wodór może być używany do produkcji tlenu przez redukcję wodorem ilmenitu.

MetalsEdit

IronEdit

Żelazo (Fe) jest obfite we wszystkich bazaltach mare (~14-17% wagowo), ale jest głównie zamknięte w minerałach krzemianowych (tj. piroksen i oliwin) oraz w minerale tlenkowym ilmenicie na nizinach. Ekstrakcja byłaby dość energochłonna, ale podejrzewa się, że niektóre wybitne księżycowe anomalie magnetyczne są wynikiem przetrwałych, bogatych w Fe odłamków meteorytów. Tylko dalsze badania in situ określą, czy ta interpretacja jest poprawna, czy nie, i jak bardzo takie odłamki meteorytowe mogą być przydatne do eksploatacji.

W regolicie występuje również wolne żelazo (0,5% wagowo) naturalnie stopione z niklem i kobaltem, które po zmieleniu można łatwo wydobyć za pomocą prostych magnesów. Ten pył żelazny może być przetwarzany na części przy użyciu technik metalurgii proszków, takich jak wytwarzanie przyrostowe, druk 3D, selektywne spiekanie laserowe (SLS), selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów (EBM).

TytanEdit

Tytan (Ti) może być stopiony z żelazem, aluminium, wanadem i molibdenem, wśród innych pierwiastków, w celu wytworzenia mocnych, lekkich stopów dla lotnictwa i kosmonautyki. Istnieje prawie całkowicie w ilmenitu mineralnego (FeTiO3) w zakresie 5-8% wagowych. Minerały ilmenitu wychwytują również wodór (protony) z wiatru słonecznego, tak więc przetwarzanie ilmenitu będzie również produkować wodór, cenny pierwiastek na Księżycu. Rozległe bazalty powodziowe na północno-zachodniej stronie (Mare Tranquillitatis) mają jedne z najwyższych zawartości tytanu na Księżycu, zawierają go 10 razy więcej niż skały na Ziemi.

GlinEdit

Glin (Al) występuje w stężeniu 10-18% wagowych, obecny w minerale zwanym anortytem (CaAl
2Si
2O
8), wapniowym członie serii minerałów skaleni plagioklazowych. Aluminium jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, a rozpylony proszek aluminiowy jest również dobrym stałym paliwem rakietowym, gdy jest spalany z tlenem. Ekstrakcja aluminium wymagałaby również rozbicia plagioklazu (CaAl2Si2O8).

KrzemEdit

Krzem (Si) jest obfitym metaloidem we wszystkich materiałach księżycowych, o koncentracji około 20% wagowych. Ma on ogromne znaczenie w produkcji paneli słonecznych do konwersji światła słonecznego na energię elektryczną, a także szkła, włókna szklanego i różnych użytecznych materiałów ceramicznych. Osiągnięcie bardzo wysokiej czystości do zastosowania jako półprzewodnik byłoby wyzwaniem, zwłaszcza w środowisku księżycowym.

WapńEdit

Wapń (Ca) jest czwartym najobficiej występującym pierwiastkiem na wyżynach księżycowych, obecnym w minerałach anortytu (wzór CaAl
2Si
2O
8). Tlenki wapnia i krzemiany wapnia są nie tylko użyteczne w ceramice, ale czysty metal wapnia jest elastyczny i jest doskonałym przewodnikiem elektrycznym w nieobecności tlenu. Anortyt jest rzadki na Ziemi, ale obfity na Księżycu.

Wapń może być również wykorzystywany do produkcji ogniw słonecznych opartych na krzemie, wymagających księżycowego krzemu, żelaza, tlenku tytanu, wapnia i aluminium.

MagnezEdit

Magnez (Mg) jest obecny w magmach i w księżycowych minerałach piroksenie i oliwinie, więc podejrzewa się, że magnez jest bardziej obfity w niższej skorupie księżycowej. Magnez ma wiele zastosowań jako stopy dla przemysłu lotniczego, samochodowego i elektronicznego.

Pierwiastki ziem rzadkichEdit

Pierwiastki ziem rzadkich są wykorzystywane do produkcji wszystkiego, od pojazdów elektrycznych lub hybrydowych, turbin wiatrowych, urządzeń elektronicznych i technologii czystej energii. Pomimo swojej nazwy, pierwiastki ziem rzadkich są – z wyjątkiem promethium – stosunkowo obfite w skorupie ziemskiej. Jednak ze względu na ich właściwości geochemiczne, pierwiastki ziem rzadkich są zazwyczaj rozproszone i nieczęsto występują w postaci skoncentrowanej w minerałach ziem rzadkich, w związku z czym złoża rud nadających się do gospodarczego wykorzystania są mniej powszechne. Główne rezerwy istnieją w Chinach, Kalifornii, Indiach, Brazylii, Australii, RPA i Malezji, ale Chiny stanowią ponad 95% światowej produkcji metali ziem rzadkich. (Patrz: Przemysł ziem rzadkich w Chinach.)

Ale obecne dowody sugerują, że pierwiastki ziem rzadkich są mniej obfite na Księżycu niż na Ziemi, NASA widzi wydobycie minerałów ziem rzadkich jako opłacalne zasoby księżycowe, ponieważ wykazują one szeroki zakres przemysłowo ważnych właściwości optycznych, elektrycznych, magnetycznych i catalytic.

Helium-3Edit

Według jednego z szacunków wiatr słoneczny zdeponował na powierzchni Księżyca ponad 1 milion ton helu-3 (3He). Materiały na powierzchni Księżyca zawierają hel-3 w stężeniach szacowanych na 1,4 do 15 części na miliard (ppb) w obszarach oświetlonych słońcem, a w regionach stale zacienionych mogą zawierać stężenia nawet do 50 ppb. Dla porównania, hel-3 w atmosferze ziemskiej występuje w stężeniu 7,2 części na bilion (ppt).

Od 1986 roku wiele osób zaproponowało eksploatację regolitu księżycowego i wykorzystanie helu-3 do fuzji jądrowej, chociaż od 2020 roku funkcjonujące eksperymentalne reaktory fuzji jądrowej istnieją od dziesięcioleci – żaden z nich nie dostarczył jeszcze energii elektrycznej komercyjnie. Ze względu na niskie stężenie helu-3, każdy sprzęt górniczy musiałby przetwarzać niezwykle duże ilości regolitu. Według jednego z szacunków, aby uzyskać 1 gram (0,035 oz) helu-3, należy przetworzyć ponad 150 ton regolitu. Chiny rozpoczęły Chiński Program Eksploracji Księżyca w celu zbadania Księżyca i badają perspektywę górnictwa księżycowego, w szczególności poszukując izotopu helu-3 do wykorzystania jako źródło energii na Ziemi. Nie wszyscy autorzy uważają, że pozaziemskie wydobycie helu-3 jest realne, a nawet jeśli byłoby możliwe wydobycie helu-3 z Księżyca, to żadna konstrukcja reaktora termojądrowego nie wytworzyła więcej mocy syntezy jądrowej niż energii elektrycznej, co mija się z celem. Innym minusem jest to, że jest to ograniczony zasób, który może zostać wyczerpany po wydobyciu.

Węgiel i azotEdit

Węgiel (C) byłby wymagany do produkcji stali księżycowej, ale jest obecny w regolicie księżycowym w ilościach śladowych (82 ppm), wniesiony przez wiatr słoneczny i uderzenia mikrometeorytów.

Zazot (N) został zmierzony w próbkach gleby przywiezionych z powrotem na Ziemię i występuje w ilościach śladowych, poniżej 5 ppm. Ono znajdować jako izotop 14N, 15N, i 16N. Węgiel i stały azot byłyby wymagane do działalności rolniczej w zamkniętej biosferze.

Regolit do budowyEdit

Rozwój gospodarki księżycowej będzie wymagał znacznej ilości infrastruktury na powierzchni Księżyca, której rozwój będzie w dużej mierze zależał od technologii wykorzystania zasobów in situ (ISRU). Jednym z podstawowych wymagań będzie dostarczenie materiałów budowlanych do budowy siedlisk, magazynów, lądowisk, dróg i innej infrastruktury. Nieprzetworzoną glebę księżycową, zwaną regolitem, można przekształcić w nadające się do użytku elementy konstrukcyjne za pomocą takich technik, jak spiekanie, prasowanie na gorąco, upłynnianie, metoda odlewania bazaltu oraz druk 3D. Szkło i włókno szklane są łatwe w obróbce na Księżycu. Stwierdzono, że wytrzymałość materiału regolitu może zostać drastycznie poprawiona poprzez zastosowanie włókna szklanego, np. 70% bazaltowego włókna szklanego i 30% mieszanki PETG. Na Ziemi przeprowadzono udane testy z wykorzystaniem niektórych symulantów regolitu księżycowego, w tym MLS-1 i MLS-2.

Gleba księżycowa, choć stanowi problem dla wszelkich ruchomych części mechanicznych, może być mieszana z nanorurkami węglowymi i epoksydami w konstrukcji zwierciadeł teleskopów o średnicy do 50 metrów. Kilka kraterów w pobliżu biegunów jest stale ciemnych i zimnych, co stanowi korzystne środowisko dla teleskopów na podczerwień.

Niektóre propozycje sugerują budowę bazy księżycowej na powierzchni przy użyciu modułów przywiezionych z Ziemi i pokrycie ich księżycową glebą. Gleba księżycowa składa się z mieszanki krzemionki i związków zawierających żelazo, które mogą być stopione w szklistą bryłę przy użyciu promieniowania mikrofalowego.

Europejska Agencja Kosmiczna współpracująca w 2013 roku z niezależną firmą architektoniczną, przetestowała wydrukowaną w 3D strukturę, która mogłaby być zbudowana z księżycowego regolitu do wykorzystania jako baza księżycowa. Wydrukowany w 3D księżycowy grunt zapewniłby zarówno „izolację od promieniowania, jak i temperatury”. Wewnątrz, lekkie nadmuchiwane pod ciśnieniem urządzenie o tym samym kształcie kopuły byłoby środowiskiem życia dla pierwszych ludzkich osadników na Księżycu.”

Na początku 2014 roku NASA sfinansowała małe badanie na Uniwersytecie Południowej Kalifornii w celu dalszego rozwoju techniki druku 3D Contour Crafting. Potencjalne zastosowania tej technologii obejmują konstruowanie struktur księżycowych z materiału, który mógłby składać się nawet z 90 procent materiału księżycowego, przy czym tylko dziesięć procent materiału wymagałoby transportu z Ziemi. NASA rozważa również inną technikę, która polegałaby na spiekaniu pyłu księżycowego przy użyciu promieniowania mikrofalowego o niskiej mocy (1500 watów). Materiał księżycowy byłby związany przez ogrzewanie do 1.200 do 1.500 °C (2.190 do 2.730 °F), nieco poniżej temperatury topnienia, w celu stopienia pyłu nanocząstek w stały blok, który jest ceramiczny, i nie wymagałby transportu materiału wiążącego z Ziemi.

.