Resurse lunare

Energia solarăEdit

Lumina zilei pe Lună durează aproximativ două săptămâni, urmate de aproximativ două săptămâni de noapte, în timp ce ambii poli lunari sunt iluminați aproape constant. Polul sud lunar prezintă o regiune cu margini de cratere expuse la o iluminare solară aproape constantă, însă interiorul craterelor este permanent umbrit de lumina solară și păstrează în interior cantități semnificative de gheață de apă. Prin amplasarea unei instalații de procesare a resurselor lunare în apropierea polului sudic lunar, energia electrică generată de energia solară ar permite funcționarea aproape constantă în apropierea surselor de gheață de apă.

Celele solare ar putea fi fabricate direct pe solul lunar de către un rover de dimensiuni medii (~200 kg) cu capacități de încălzire a regolitului, de evaporare a materialelor semiconductoare adecvate pentru structura celulei solare direct pe substratul regolitului și de depunere a contactelor metalice și a interconexiunilor pentru a finaliza o matrice completă de celule solare direct pe sol.

Sistemul de fisiune nucleară Kilopower este în curs de dezvoltare pentru generarea fiabilă de energie electrică care ar putea permite existența unor baze cu echipaj de lungă durată pe Lună, Marte și alte destinații ulterioare. Acest sistem este ideal pentru locațiile de pe Lună și Marte unde generarea de energie din lumina solară este intermitentă.

OxigenEdit

Conținutul de oxigen elementar în regolit este estimat la 45% în greutate. Oxigenul se găsește adesea în mineralele și vetrele lunare bogate în fier, sub formă de oxid de fier. Au fost descrise cel puțin douăzeci de procese diferite posibile pentru extragerea oxigenului din regolitul lunar și toate necesită un consum mare de energie: între 2 și 4 megawați-ani de energie (adică 6-12×1013 J) pentru a produce 1.000 de tone de oxigen. În timp ce extracția oxigenului din oxizi metalici produce, de asemenea, metale utile, utilizarea apei ca materie primă nu produce acest lucru.

ApăEdit

Dovezile cumulate de la mai multe orbitale indică în mod clar că la suprafața polilor Lunii este prezentă gheață de apă, dar mai ales în regiunea polului sud. Cu toate acestea, rezultatele din aceste seturi de date nu sunt întotdeauna corelate. S-a stabilit că suprafața cumulată a suprafeței lunare umbrite permanent este de 13.361 km2 în emisfera nordică și de 17.698 km2 în emisfera sudică, ceea ce dă o suprafață totală de 31.059 km2. Măsura în care una sau toate aceste zone permanent umbrite conțin gheață de apă și alte substanțe volatile nu este cunoscută în prezent, astfel încât sunt necesare mai multe date despre depozitele de gheață lunară, distribuția, concentrația, cantitatea, dispoziția, adâncimea, proprietățile geotehnice și orice alte caracteristici necesare pentru a proiecta și dezvolta sisteme de extracție și procesare. Impactul intenționat al orbiterului LCROSS în craterul Cabeus a fost monitorizat pentru a analiza pana de resturi rezultată și s-a ajuns la concluzia că gheața de apă trebuie să fie sub formă de bucăți mici (< ~10 cm), discrete de gheață distribuite în regolit, sau sub formă de strat subțire pe granule de gheață. Acest lucru, coroborat cu observațiile radar monostatice, sugerează că este puțin probabil ca gheața de apă prezentă în regiunile permanent umbrite ale craterelor polare lunare să fie prezentă sub forma unor depozite groase de gheață pură.

Este posibil ca apa să fi fost livrată pe Lună de-a lungul timpului geologic prin bombardarea regulată a cometelor, asteroizilor și meteoroizilor purtători de apă sau să fi fost produsă continuu in situ de către ionii de hidrogen (protoni) ai vântului solar care impactează minerale purtătoare de oxigen.

Polul sudic lunar prezintă o regiune cu margini de cratere expuse la o iluminare solară aproape constantă, în care interiorul craterelor este permanent umbrit de lumina solară, permițând captarea și colectarea naturală a gheții de apă care ar putea fi exploatată în viitor.

Moleculele de apă (H
2O) pot fi descompuse în elementele sale, și anume hidrogen și oxigen, și formează hidrogen molecular (H
2) și oxigen molecular (O
2) pentru a fi utilizate ca bi-propulsor de rachetă sau pentru a produce compuși pentru procesele de producție metalurgică și chimică. Doar producția de propulsoare, a fost estimată de un grup comun de experți din industrie, guvernamentali și universitari, a identificat o cerere anuală pe termen scurt de 450 de tone de propulsoare derivate de pe Lună care echivalează cu 2.450 de tone de apă lunară prelucrată, generând venituri anuale de 2,4 miliarde de dolari SUA.

HidrogenEdit

Vântul solar implantează protoni pe regolit, formând un atom protonat, care este un compus chimic de hidrogen (H). Deși hidrogenul legat este abundent, rămân întrebări cu privire la cât de mult difuzează în subsol, scapă în spațiu sau difuzează în capcane reci. Hidrogenul ar fi necesar pentru producția de propulsoare și are o multitudine de utilizări industriale. De exemplu, hidrogenul poate fi folosit pentru producerea de oxigen prin reducerea cu hidrogen a ilmenitului.

MetalsEdit

IronEdit

Fierul (Fe) este abundent în toate bazaltele mari (~14-17 % în greutate), dar este în cea mai mare parte blocat în minerale de silicat (de exemplu, piroxen și olivină) și în mineralul oxid ilmenit în zonele joase. Extracția ar fi destul de costisitoare din punct de vedere energetic, dar se bănuiește că unele anomalii magnetice lunare proeminente se datorează resturilor meteoritice bogate în Fe care au supraviețuit. Numai explorările ulterioare in situ vor determina dacă această interpretare este corectă sau nu și cât de exploatabile pot fi astfel de resturi meteoritice.

Fierul liber există, de asemenea, în regolit (0,5% în greutate) aliat natural cu nichel și cobalt și poate fi extras cu ușurință cu ajutorul unor magneți simpli după măcinare. Acest praf de fier poate fi prelucrat pentru a realiza piese folosind tehnici de metalurgie a pulberilor, cum ar fi fabricarea aditivă, imprimarea 3D, sinterizarea selectivă cu laser (SLS), topirea selectivă cu laser (SLM) și topirea cu fascicul de electroni (EBM).

TitanEdit

Titaniul (Ti) poate fi aliat cu fier, aluminiu, vanadiu și molibden, printre alte elemente, pentru a produce aliaje rezistente și ușoare pentru industria aerospațială. Se găsește aproape în întregime în mineralul ilmenit (FeTiO3) în proporție de 5-8% în greutate. Mineralele de ilmenit rețin, de asemenea, hidrogenul (protoni) din vântul solar, astfel încât prelucrarea ilmenitului va produce, de asemenea, hidrogen, un element valoros pe Lună. Vastele bazalte de inundație de pe latura nord-vestică (Mare Tranquillitatis) posedă unele dintre cele mai ridicate conținuturi de titan de pe Lună, adăpostind de 10 ori mai mult titan decât rocile de pe Pământ.

AluminiuEdit

Aluminiul (Al) se găsește cu o concentrație cuprinsă între 10-18% din greutate, prezent într-un mineral numit anorthit (CaAl
2Si
2O
8), membrul terminal de calciu al seriei de minerale de feldspat de plagioclase. Aluminiul este un bun conductor electric, iar pulberea de aluminiu atomizată constituie, de asemenea, un bun combustibil solid pentru rachete atunci când este arsă cu oxigen. Extracția aluminiului ar necesita, de asemenea, descompunerea plagioclasului (CaAl2Si2O8).

SiliciuEdit

Siliciul (Si) este un metaloid abundent în tot materialul lunar, cu o concentrație de aproximativ 20% din greutate. Are o importanță enormă în producerea de panouri solare pentru transformarea luminii solare în electricitate, precum și a sticlei, a fibrei de sticlă și a unei varietăți de ceramică utilă. Obținerea unei purități foarte ridicate pentru utilizarea ca semiconductor ar fi o provocare, mai ales în mediul lunar.

CalciuEdit

Calciul (Ca) este al patrulea cel mai abundent element din zonele înalte lunare, prezent în mineralele de anorthit (formula CaAl
2Si
2O
8). Oxizii de calciu și silicații de calciu nu sunt utili doar pentru ceramică, dar calciul metalic pur este flexibil și un excelent conductor electric în absența oxigenului. Anorthita este rară pe Pământ, dar abundentă pe Lună.

Calciul poate fi, de asemenea, folosit pentru a fabrica celule solare pe bază de siliciu, necesitând siliciu lunar, fier, oxid de titan, calciu și aluminiu.

MagneziuEdit

Magneziul (Mg) este prezent în magme și în mineralele lunare piroxen și olivină, astfel încât se bănuiește că magneziul este mai abundent în crusta lunară inferioară. Magneziul are utilizări multiple sub formă de aliaje pentru industria aerospațială, auto și electronică.

Elemente din pământuri rareEdit

Elementele din pământuri rare sunt folosite pentru a fabrica orice, de la vehicule electrice sau hibride, turbine eoliene, dispozitive electronice și tehnologii energetice curate. În ciuda numelui lor, elementele de pământuri rare sunt – cu excepția promețiului – relativ abundente în scoarța terestră. Cu toate acestea, din cauza proprietăților lor geochimice, elementele de pământuri rare sunt de obicei dispersate și nu se găsesc adesea concentrate în minerale de pământuri rare; ca urmare, depozitele de minereuri exploatabile din punct de vedere economic sunt mai puțin frecvente. Rezerve importante există în China, California, India, Brazilia, Australia, Africa de Sud și Malaezia, dar China reprezintă peste 95% din producția mondială de pământuri rare. (Vezi: Industria pământurilor rare în China.)

Deși dovezile actuale sugerează că elementele de pământuri rare sunt mai puțin abundente pe Lună decât pe Pământ, NASA consideră că mineritul mineralelor de pământuri rare este o resursă lunară viabilă, deoarece acestea prezintă o gamă largă de proprietăți optice, electrice, magnetice și catalitice importante din punct de vedere industrial.

Heliu-3Edit

Potrivit unei estimări, vântul solar a depus mai mult de 1 milion de tone de heliu-3 (3He) la suprafața Lunii. Materialele de pe suprafața Lunii conțin heliu-3 la concentrații estimate între 1,4 și 15 părți pe miliard (ppb) în zonele luminate de soare și pot conține concentrații de până la 50 ppb în regiunile permanent umbrite. Pentru comparație, heliu-3 în atmosfera terestră se găsește la 7,2 părți pe trilion (ppt).

Încă din 1986, mai multe persoane și-au propus să exploateze regolitul lunar și să folosească heliu-3 pentru fuziune nucleară, deși, începând cu 2020, există de zeci de ani reactoare experimentale de fuziune nucleară funcționale – niciunul dintre ele nu a furnizat încă electricitate în scop comercial. Din cauza concentrațiilor scăzute de heliu-3, orice echipament de minerit ar trebui să proceseze cantități extrem de mari de regolit. Conform unei estimări, trebuie prelucrate peste 150 de tone de regolit pentru a obține 1 gram (0,035 oz) de heliu 3. China a demarat Programul chinezesc de explorare lunară pentru explorarea Lunii și investighează perspectiva exploatării miniere lunare, căutând în special izotopul heliu-3 pentru a-l utiliza ca sursă de energie pe Pământ. Nu toți autorii sunt de părere că extracția extraterestră a heliu-3 este fezabilă și, chiar dacă ar fi posibilă extragerea heliu-3 de pe Lună, niciun proiect de reactor de fuziune nu a produs o putere de fuziune mai mare decât puterea electrică de intrare, ceea ce contrazice scopul. Un alt dezavantaj este faptul că este o resursă limitată care poate fi epuizată odată ce a fost extrasă.

Carbon și azotEdit

Carbonatul (C) ar fi necesar pentru producerea oțelului lunar, dar este prezent în regolitul lunar în cantități infime (82 ppm), cu contribuția vântului solar și a impactului cu micrometeoriți.

Nitrogenul (N) a fost măsurat din eșantioanele de sol aduse pe Pământ și există în cantități infime, la mai puțin de 5 ppm. A fost găsit sub formă de izotopi 14N, 15N și 16N. Carbonul și azotul fixat ar fi necesare pentru activitățile agricole în cadrul unei biosfere sigilate.

Regulit pentru construcțiiEdit

Dezvoltarea unei economii lunare va necesita o cantitate semnificativă de infrastructură pe suprafața lunară, a cărei dezvoltare se va baza în mare măsură pe tehnologiile de utilizare a resurselor in situ (ISRU). Una dintre cerințele principale va fi furnizarea de materiale de construcție pentru a construi habitate, containere de depozitare, platforme de aterizare, drumuri și alte infrastructuri. Solul lunar neprelucrat, numit și regolit, poate fi transformat în componente structurale utilizabile, prin tehnici precum sinterizarea, presarea la cald, lichefierea, metoda bazaltului turnat și imprimarea 3D. Sticla și fibra de sticlă sunt ușor de prelucrat pe Lună și s-a constatat că rezistența materialelor de regolit poate fi îmbunătățită drastic prin utilizarea fibrei de sticlă, cum ar fi un amestec de 70% fibră de sticlă de bazalt și 30% PETG. Pe Pământ au fost efectuate teste de succes cu ajutorul unor simulanți de regolit lunar, inclusiv MLS-1 și MLS-2.

Solul lunar, deși reprezintă o problemă pentru orice piese mecanice în mișcare, poate fi amestecat cu nanotuburi de carbon și epoxidice în construcția oglinzilor de telescop cu diametrul de până la 50 de metri. Mai multe cratere din apropierea polilor sunt permanent întunecate și reci, un mediu favorabil pentru telescoapele în infraroșu.

Câteva propuneri sugerează construirea unei baze lunare la suprafață, folosind module aduse de pe Pământ și acoperirea lor cu sol lunar. Solul lunar este compus dintr-un amestec de siliciu și compuși care conțin fier, care pot fi fuzionați într-un solid asemănător sticlei cu ajutorul radiațiilor cu microunde.

Agenția Spațială Europeană, lucrând în 2013 cu o firmă de arhitectură independentă, a testat o structură tipărită 3D care ar putea fi construită din regolitul lunar pentru a fi folosită ca bază lunară. Solul lunar tipărit 3D ar asigura atât „izolarea împotriva radiațiilor, cât și a temperaturii”. În interior, o gonflabilă presurizată ușoară cu aceeași formă de cupolă ar fi mediul de viață pentru primii coloniști umani pe Lună.”

La începutul anului 2014, NASA a finanțat un mic studiu la Universitatea din California de Sud pentru a dezvolta în continuare tehnica de imprimare 3D Contour Crafting. Printre aplicațiile potențiale ale acestei tehnologii se numără construirea de structuri lunare dintr-un material care ar putea consta în proporție de până la 90 la sută din material lunar, cu doar zece la sută din material care necesită transport de pe Pământ. NASA analizează, de asemenea, o altă tehnică care ar implica sinterizarea prafului lunar cu ajutorul radiațiilor cu microunde de mică putere (1500 de wați). Materialul lunar ar fi legat prin încălzire la o temperatură cuprinsă între 1.200 și 1.500 °C (2.190 și 2.730 °F), ceva mai mică decât punctul de topire, pentru a fuziona praful de nanoparticule într-un bloc solid asemănător ceramicii, care nu ar necesita transportul unui material liant de pe Pământ.

.