Kuun luonnonvarat

aurinkoenergia, happi ja metallit ovat kuussa runsaat luonnonvarat. Kuun pinnalla tunnettuja alkuaineita ovat muun muassa vety (H), happi (O), pii (Si), rauta (Fe), magnesium (Mg), kalsium (Ca), alumiini (Al), mangaani (Mn) ja titaani (Ti). Runsaampia ovat muun muassa happi, rauta ja pii. Regoliitin atomin happipitoisuus on arviolta 45 painoprosenttia.

aurinkoenergia

Päivänvalo kuussa kestää noin kaksi viikkoa, jota seuraa noin kaksi viikkoa yötä, kun molemmat kuunavat valaistaan lähes jatkuvasti. Kuun etelänavalla on alue, jonka kraatterit ovat alttiina lähes jatkuvalle auringon valaistukselle, mutta kraatterien sisäosat ovat pysyvästi varjoisat auringonvalolta, ja niiden sisuksissa on huomattavia määriä vesijäätä. Sijoittamalla kuuresurssien käsittelylaitoksen lähelle Kuun etelänapaa aurinkoenergialla tuotettu sähkö mahdollistaisi lähes jatkuvan toiminnan lähellä vesijään lähteitä.

aurinkokennot voidaan valmistaa suoraan kuun maaperälle keskikokoisella (~200 kg) kulkijalla, jolla on kyky kuumentaa regoliitti, haihduttaa aurinkokennorakenteeseen soveltuvat puolijohdemateriaalit suoraan regoliittialustalle ja laskeuttaa metallisia kontakteja ja kytkentöjä, jotta täydellinen aurinkokennoryhmä voidaan viimeistellä suoraan maahan.

Kilopower-ydinfissiojärjestelmää kehitetään luotettavaa sähköntuotantoa varten, joka voisi mahdollistaa pitkäaikaiset miehitetyt tukikohdat Kuuhun, Marsiin ja sen ulkopuolisiin kohteisiin. Tämä järjestelmä on ihanteellinen paikkoihin kuussa ja Marsissa, joissa sähköntuotanto auringonvalosta on ajoittaista.

OxygenEdit

regoliitin alkuainehappipitoisuudeksi on arvioitu 45 painoprosenttia. Happea esiintyy usein rautapitoisissa Kuun mineraaleissa ja laseissa rautaoksidina. On kuvattu ainakin kaksikymmentä erilaista mahdollista prosessia hapen erottamiseksi Kuun regolithista, ja kaikki vaativat suurta energiaa: 2-4 megawattivuoden energiaa (eli 6-12×1013 J) 1 000 tonnin hapen tuottamiseksi. Vaikka hapen uuttaminen metallioksideista tuottaa myös hyödyllisiä metalleja, veden käyttäminen raaka-aineena ei.

WaterEdit

Play media

LCROSS orbiter-lentäjän kuvissa Kuun etelänavalta näkyy pysyvän varjon alueita.

kuvassa näkyy pintajään jakauma Kuun etelänavalla (vasemmalla) ja pohjoisnavalla (oikealla) Nasan Moon Mineralogy Mapper (m3) – spektrometrillä Intian Chandrayaan – 1-kiertoradalla

useiden kiertoratojen kumulatiiviset todisteet viittaavat vahvasti siihen, että vesijäätä on pinnalla Kuun napojen kohdalla, mutta enimmäkseen etelänavan alueella. Näiden aineistojen tulokset eivät kuitenkaan aina korreloi keskenään. On määritetty, että pysyvästi varjoisan Kuun pinnan kumulatiivinen pinta-ala on pohjoisella pallonpuoliskolla 13 361 km2 ja eteläisellä pallonpuoliskolla 17 698 km2, jolloin kokonaispinta-ala on 31 059 km2. Tällä hetkellä ei tiedetä, missä määrin jokin tai kaikki näistä pysyvästi varjoon jääneistä alueista sisältää vesijäätä ja muita haihtuvia aineita, joten tarvitaan lisää tietoa Kuun jääkerrostumista, sen jakautumisesta, pitoisuudesta, määrästä, sijoittumisesta, syvyydestä, geoteknisistä ominaisuuksista ja muista ominaisuuksista, joita tarvitaan louhinta-ja käsittelyjärjestelmien suunnitteluun ja kehittämiseen. LCROSS-Orbiterin tahallista törmäystä Cabeus-kraatteriin seurattiin tuloksena olevan romupilven analysoimiseksi, ja pääteltiin, että vesijään täytyy olla pieninä (< ~10 cm), diskreetteinä jääpaloina, jotka ovat jakautuneet koko regoliitin alueelle, tai ohuina pinnoituksina jääjyväsissä. Tämä yhdistettynä monostaattisiin tutkahavaintoihin viittaa siihen, että kuun napakraatterien pysyvästi varjoisilla alueilla esiintyvä vesijää tuskin esiintyy paksuina, puhtaina jääkerrostumina.

vettä on saattanut kulkeutua Kuuhun geologisten aikajänteiden aikana vettä sisältävien komeettojen, asteroidien ja meteoroidien säännöllisessä pommituksessa tai happea sisältäviin mineraaleihin törmäävien aurinkotuulen vetyionien (protonien) jatkuvasti in situ-tuotoksena.

Kuun etelänavalla on alue, jonka kraatterit ovat alttiina lähes jatkuvalle auringon valaistukselle ja jossa kraatterien sisukset ovat pysyvästi varjoisat auringonvalolta, mikä mahdollistaa luonnollisen ansastuksen ja vesijään keräämisen, jota voitaisiin louhia tulevaisuudessa.

vesimolekyylit (H
2o) voidaan jaotella alkuaineisiinsa eli vetyyn ja happeen, ja ne muodostavat molekyylivetyä (h
2) ja molekulaarista happea (O
2) käytettäväksi rakettien bi-ajoaineena tai tuottamaan yhdisteitä metallurgisiin ja kemiallisiin tuotantoprosesseihin. Teollisuuden, hallituksen ja akateemisten asiantuntijoiden yhteinen paneeli arvioi pelkästään ajoaineen tuotannon tunnistaneen 450 metrisen tonnin vuosittaisen kysynnän kuusta johdetulle ajoaineelle, joka vastaa 2450 metristä tonnia kuusta tuotettua vettä, mikä tuottaa 2,4 miljardia dollaria tuloja vuosittain.

HydrogenEdit

Aurinkotuuli istuttaa protoneja regoliitin päälle muodostaen protonoidun atomin, joka on vedyn kemiallinen yhdiste (H). Vaikka sitoutunutta vetyä on runsaasti, jäljelle jää kysymyksiä siitä, kuinka suuri osa siitä leviää maan alle, karkaa avaruuteen tai hajoaa kylmiin ansoihin. Vetyä tarvittaisiin ponneaineiden tuotantoon, ja sillä on lukuisia teollisia käyttötarkoituksia. Esimerkiksi vetyä voidaan käyttää hapen tuottamiseen vedyllä pelkistämällä ilmeniittiä.

MetalsEdit

IronEdit

rautaa (Fe) on runsaasti kaikissa mare basalteissa (~14-17% / paino), mutta se on enimmäkseen lukkiutunut silikaattimineraaleihin (ts. pyrokseeni ja oliviini) ja alankojen oksidimineraaliksi ilmeniittiin. Louhinta vaatisi melko paljon energiaa, mutta joidenkin huomattavien Kuun magneettisten poikkeamien epäillään johtuvan säilyneistä Fe-rikkaista meteoriittijätteistä. Vasta jatkotutkimus paikan päällä ratkaisee, onko tämä tulkinta oikea ja kuinka hyödynnettävissä tällaiset meteoriittiset roskat voivat olla.

vapaata rautaa on myös regoliitissa (0,5 painoprosenttia), joka on luonnollisesti seostettu nikkelillä ja koboltilla, ja se voidaan helposti uuttaa yksinkertaisilla magneeteilla jauhamisen jälkeen. Tämä rautapöly voidaan käsitellä osien valmistamiseksi jauhemetallurgiatekniikoilla, kuten lisäaineiden valmistuksella, 3D-tulostuksella, selektiivisellä lasersintrauksella (SLS), selektiivisellä lasersulatuksella (SLM) ja elektronisuihkusulatuksella (EBM).

titaani (Ti) voidaan seostaa muun muassa raudalla, alumiinilla, vanadiinilla ja molybdeenillä vahvojen ja kevyiden seosten valmistamiseksi ilmailu-ja avaruusteollisuutta varten. Sitä esiintyy lähes kokonaan ilmeniittimineraalissa (FeTiO3) 5-8 painoprosenttia. Ilmeniittimineraalit sitovat aurinkotuulesta myös vetyä (protoneja), jolloin ilmeniitin prosessointi tuottaa myös vetyä, joka on arvokas alkuaine kuussa. Luoteispuolella sijaitsevilla laajoilla tulva-altailla (Mare Tranquillitatis) on joitakin Kuun korkeimmista titaanipitoisuuksista, ja niissä on 10 kertaa niin paljon titaania kuin maan kivissä.

AluminiumEdit

alumiinia (Al) esiintyy anortiitti-nimisessä mineraalissa (CaAl
2si
2o
8), joka on plagioklaasin maasälpämineraalisarjan kalsiumpää. Alumiini on hyvä sähköjohdin, ja sumutetusta alumiinijauheesta saa myös hyvää kiinteää rakettipolttoainetta, kun sitä poltetaan hapen kanssa. Alumiinin uuttaminen vaatisi myös plagioklaasin (CaAl2Si2O8) hajottamista.

SiliconEdit

Kuva puhdistetusta piistä

pii (Si) on kaikissa kuuaineksissa esiintyvä runsas metalloidi, jonka pitoisuus on noin 20 painoprosenttia. On valtavan tärkeää tuottaa aurinkopaneelijärjestelmiä auringonvalon muuntamiseksi sähköksi sekä lasia, kuitulasia ja erilaisia hyödyllisiä keramiikkaa. Erittäin korkean puhtauden saavuttaminen puolijohteena käytettäväksi olisi haastavaa, erityisesti kuun ympäristössä.

CalciumEdit

Anortiittikiteitä basalttisessa vugissa Vesuviuksesta Italiasta (koko: 6,9 × 4,1 × 3,8 cm)

kalsium (Ca) on kuun ylängön neljänneksi runsain alkuaine, jota esiintyy anortiittimineraaleissa (formula_6412>2si
2o
8). Kalsiumoksidit ja kalsiumsilikaatit eivät ole vain hyödyllisiä keramiikassa, vaan puhdas kalsiummetalli on joustava ja erinomainen sähköjohtimen ilman happea. Anorthiitti on maassa harvinaista, mutta kuussa runsasta.

kalsiumia voidaan käyttää myös piipohjaisten aurinkokennojen valmistamiseen, jolloin tarvitaan Kuun piitä, rautaa, titaanioksidia, kalsiumia ja alumiinia.

MagnesiumEdit

magnesiumia (Mg) esiintyy magmoissa ja kuun mineraaleissa pyrokseenissa ja oliviinissa, joten magnesiumin epäillään olevan runsaampaa Kuun alemmassa kuoressa. Magnesiumilla on useita käyttötarkoituksia seoksina ilmailu -, auto-ja elektroniikkateollisuudessa.

harvinaisten maametallien elementsEdit

harvinaisia maametalleja käytetään kaiken valmistamiseen sähkö-tai hybridiajoneuvoista, tuuliturbiineista, elektronisista laitteista ja puhtaasta energiateknologiasta. Nimestään huolimatta harvinaisia maametalleja on-prometiumia lukuun ottamatta – maankuoressa suhteellisen runsaasti. Geokemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi harvinaiset maametallit ovat kuitenkin tyypillisesti hajallaan, eikä niitä usein esiinny keskittyneinä harvinaisiin maametalleihin, minkä vuoksi taloudellisesti hyödynnettävissä olevat malmiesiintymät ovat harvinaisempia. Merkittäviä luonnonvaroja on Kiinassa, Kaliforniassa, Intiassa, Brasiliassa, Australiassa, Etelä-Afrikassa ja Malesiassa, mutta Kiinassa tuotetaan yli 95 prosenttia maailman harvinaisten maametallien tuotannosta. (Katso: harvinaisten maametallien teollisuus Kiinassa.)

vaikka nykyiset todisteet viittaavat siihen, että harvinaisia maametalleja on kuussa vähemmän kuin Maassa, NASA pitää harvinaisten maametallien louhintaa elinkelpoisena kuuresurssina, koska niillä on monia teollisesti tärkeitä optisia, sähköisiä, magneettisia ja katalyyttisiä ominaisuuksia.

Helium-3Edit

erään arvion mukaan Aurinkotuuli on tallettanut Kuun pinnalle yli miljoona tonnia helium-3: a (3He). Materiaalit Kuun pinnalla sisältävät helium-3 pitoisuuksina arviolta 1,4-15 parts per billion (ppb) auringon valaisemilla alueilla, ja voi sisältää jopa 50 ppb pitoisuuksia pysyvästi varjoisilla alueilla. Vertailun vuoksi, helium-3 esiintyy Maan ilmakehässä 7,2 biljoonasosaa (ppt).

joukko ihmisiä on vuodesta 1986 lähtien ehdottanut Kuun regoliitin hyödyntämistä ja helium-3: n käyttämistä ydinfuusioon, vaikka vuodesta 2020 lähtien toimivia kokeellisia ydinfuusioreaktoreita on ollut olemassa vuosikymmeniä – yksikään niistä ei ole vielä tuottanut sähköä kaupallisesti. Helium-3: n alhaisten pitoisuuksien vuoksi kaivoslaitteissa jouduttaisiin käsittelemään erittäin suuria määriä regoliittia. Erään arvion mukaan yli 150 tonnia regoliittia on käsiteltävä, jotta saadaan 1 gramma (0,035 oz) heliumia 3. Kiina on aloittanut Kiinan kuun tutkimusohjelman Kuun tutkimiseksi ja tutkii mahdollisuutta Kuun louhintaan, erityisesti etsien isotooppia helium-3 käytettäväksi energianlähteenä maapallolla. Kaikki kirjoittajat eivät pidä helium-3: n ekstraterrestriaalista uuttamista mahdollisena, ja vaikka Helium-3: n uuttaminen kuusta olisikin mahdollista, Mikään fuusioreaktorin suunnittelu ei ole tuottanut suurempaa fuusiotehoa kuin sähköteho, mikä on tuhonnut tarkoituksen. Toinen haittapuoli on, että se on rajallinen resurssi, joka voidaan käyttää loppuun, kun louhitaan.

hiiltä ja typpeä

hiiltä (C) tarvittaisiin kuuteräksen valmistukseen, mutta sitä esiintyy Kuun regoliitissa vähäisissä määrissä (82 ppm) aurinkotuulen ja mikrometeoriittien vaikutuksesta.

typpi (N) mitattiin takaisin maahan tuoduista maaperänäytteistä, ja sitä esiintyy jääminä alle 5 ppm. Se löydettiin isotooppeina 14N, 15N ja 16N.hiiltä ja kiinteää typpeä tarvittaisiin maatalouteen suljetussa biosfäärissä.

Regolith for constructionEdit

lunar Economyn kehittäminen vaatii kuun pinnalla huomattavan määrän infrastruktuuria, jonka kehittäminen perustuu vahvasti in situ resource utilization (isru) – teknologiaan. Yksi ensisijaisista vaatimuksista on rakennusmateriaalien tarjoaminen elinympäristöjen, varastoaltaiden, laskutelineiden, teiden ja muun infrastruktuurin rakentamiseen. Käsittelemätön Kuun maa, jota kutsutaan myös regoliitiksi, voidaan muuttaa käyttökelpoisiksi rakenneosiksi esimerkiksi sintraamalla, kuumapuristamalla, nesteytyksellä, valetulla basalttimenetelmällä ja 3D-tulostuksella. Lasi ja lasikuitu on helppo käsitellä kuussa, ja todettiin regolith materiaalin vahvuuksia voidaan merkittävästi parantaa käyttämällä lasikuitua, kuten 70% basalttilasikuitu ja 30% PETG seos. Maassa on tehty onnistuneita kokeita käyttäen joitakin Kuun regoliittisimulantteja, kuten MLS-1 ja MLS-2.

Kuun maa-aines, vaikka se aiheuttaakin ongelmia mille tahansa mekaaniselle liikkuvalle osalle, voidaan hiilinanoputkiin ja epokseihin sekoittaa jopa 50 metrin läpimittaisia teleskooppipeilejä rakennettaessa. Useat napojen lähellä olevat kraatterit ovat pysyvästi tummia ja kylmiä, mikä on suotuisa ympäristö infrapunateleskoopeille.

joissakin ehdotuksissa ehdotetaan kuutukikohdan rakentamista pinnalle maasta tuotujen moduulien avulla ja niiden peittämistä Kuun maaperällä. Kuun maaperä koostuu piidioksidin ja rautaa sisältävien yhdisteiden sekoituksesta, joka voidaan fuusioida lasimaiseksi kiinteäksi aineeksi mikroaaltosäteilyn avulla.

Euroopan avaruusjärjestö testasi vuonna 2013 riippumattoman arkkitehtitoimiston kanssa 3D-Tulostettua rakennelmaa, joka voitaisiin rakentaa Kuun regolithista Kuutukikohdaksi. 3D-tulostettu kuunmulta tarjoaisi sekä ” säteilyä että lämpötilaeristystä. Sisällä kevyt paineistettu puhallettava, jossa on sama kupolin muoto, olisi ensimmäisten ihmisten kuusiirtolaisten elinympäristö.”

alkuvuodesta 2014 NASA rahoitti pienen tutkimuksen Etelä-Kalifornian yliopistossa Contour Crafting 3D-tulostustekniikan kehittämiseksi edelleen. Tämän tekniikan mahdollisiin sovellutuksiin kuuluu Kuun rakenteiden rakentaminen materiaalista,joka voisi koostua jopa 90-prosenttisesti kuusta ja vain kymmenen prosenttia maasta kuljetettavaa materiaalia. NASA tutkii myös erilaista tekniikkaa, jossa kuupöly sintrattaisiin pienitehoisella (1500 watin) mikroaaltosäteilyllä. Kuuaines sidottaisiin kuumentamalla 1 200-1 500 °C: seen (2 190-2 730 °F), hieman sulamispisteen alapuolelle, jotta nanohiukkaspöly saataisiin sulamaan kiinteäksi lohkoksi, joka on keramiikkaa muistuttava, eikä se vaatisi sideaineen kuljettamista maasta.