Zasoby księżycowe

energia słoneczna, tlen i metale są obfite zasoby na Księżycu. Do pierwiastków znanych z występowania na powierzchni Księżyca należą m.in. Wodór (H), tlen (O), krzem (Si), żelazo (Fe), magnez (Mg), Wapń (Ca), glin (Al), mangan (Mn) i tytan (Ti). Wśród bardziej obfitych są tlen, żelazo i krzem. Zawartość tlenu atomowego w regolicie szacuje się na 45% wagowo.

energia słoneczna

światło dzienne na Księżycu trwa około dwóch tygodni, po czym następuje około dwóch tygodni nocy, podczas gdy oba bieguny księżyca są oświetlone niemal stale. Na księżycowym Biegunie Południowym znajduje się obszar z obręczami kraterów wystawionymi na niemal stałe oświetlenie słoneczne, jednak wnętrze kraterów jest trwale zacienione przed światłem słonecznym i zatrzymuje znaczne ilości lodu wodnego we wnętrzu. Dzięki zlokalizowaniu zakładu przetwarzania zasobów księżycowych w pobliżu księżycowego bieguna południowego, energia elektryczna wytwarzana przez słońce umożliwiłaby niemal stałą pracę w pobliżu źródeł lodu wodnego.

ogniwa słoneczne mogą być wytwarzane bezpośrednio na ziemi księżycowej przez średniej wielkości (~200 kg) Łazik z możliwością ogrzewania regolitu, odparowania odpowiednich materiałów półprzewodnikowych do budowy ogniw słonecznych bezpośrednio na podłożu regolitu oraz osadzania metalowych styków i połączeń w celu wykończenia kompletnego układu ogniw słonecznych bezpośrednio na ziemi.

System rozszczepienia jądrowego Kilopower jest opracowywany do niezawodnego wytwarzania energii elektrycznej, która mogłaby umożliwić długotrwałe załogowe bazy na Księżycu, Marsie i innych miejscach. System ten jest idealny do miejsc na Księżycu i Marsie, gdzie wytwarzanie energii ze światła słonecznego jest przerywane.

OxygenEdit

zawartość pierwiastkowego tlenu w regolicie szacowana jest na 45% wagowo. Tlen jest często spotykany w bogatych w żelazo minerałach księżycowych i szkłach jako tlenek żelaza. Opisano co najmniej dwadzieścia różnych możliwych procesów ekstrakcji tlenu z księżycowego regolitu, a wszystkie wymagają dużego nakładu energii: między 2-4 megawat-lat energii (tj. 6-12×1013 J), aby wyprodukować 1000 ton tlenu. Podczas gdy ekstrakcja tlenu z tlenków metali również wytwarza przydatne metale, użycie wody jako surowca nie.

Watereditt

Odtwórz Multimedia

zdjęcia z lotu LCROSS orbiter księżycowego bieguna południowego pokazują obszary stałego cienia.

obraz przedstawia rozkład lodu powierzchniowego na Biegunie Południowym (po lewej) i Biegunie Północnym (po prawej), oglądany przez spektrometr NASA Moon Mineralogy Mapper (m3) na indyjskim orbiterze Chandrayaan-1

skumulowane dane z kilku orbiterów silnie wskazują, że lód wodny jest obecny na powierzchni na biegunach Księżyca, ale głównie w regionie bieguna południowego. Jednak wyniki z tych zbiorów danych nie zawsze są skorelowane. Ustalono, że łączna powierzchnia trwale zacienionej powierzchni księżyca wynosi 13 361 km2 na półkuli północnej i 17 698 km2 na półkuli południowej, co daje łączną powierzchnię 31 059 km2. Zakres, w jakim wszystkie lub wszystkie z tych trwale zacienionych obszarów zawierają lód wodny i inne substancje lotne, nie jest obecnie znany, więc potrzebne są więcej danych na temat złóż lodu księżycowego, jego rozkładu, koncentracji, ilości, rozmieszczenia, głębokości, właściwości geotechnicznych i wszelkich innych cech niezbędnych do zaprojektowania i opracowania systemów ekstrakcji i przetwarzania. Celowy wpływ orbitera LCROSS na Krater Cabeus był monitorowany w celu analizy powstałego pióropuszu gruzu i stwierdzono, że lód wodny musi mieć postać 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 lód wodny obecny w trwale zacienionych regionach księżycowych kraterów polarnych jest mało prawdopodobny w postaci gęstych, czystych złóż lodu.

woda mogła być dostarczona na Księżyc w geologicznych skalach czasowych przez regularne bombardowanie komet, planetoid i meteoroidów zawierających wodę lub w sposób ciągły wytwarzana in situ przez jony wodorowe (protony) wiatru słonecznego wpływające na minerały zawierające tlen.

księżycowy Biegun Południowy zawiera obszar z obręczami kraterów wystawionymi na niemal stałe oświetlenie słoneczne, gdzie wnętrze kraterów jest trwale zacienione przed światłem słonecznym, co pozwala na naturalne wychwytywanie i gromadzenie lodu wodnego, który może być wydobywany w przyszłości.

cząsteczki wody (H
2O) można podzielić na pierwiastki, a mianowicie wodór i tlen, tworząc Wodór cząsteczkowy (h
2) i tlen cząsteczkowy (O
2), które mają być stosowane jako BI-propelent rakietowy lub wytwarzać związki w procesach produkcji metalurgicznej i chemicznej. Tylko produkcja materiału pędnego, została oszacowana przez wspólny panel ekspertów przemysłu, rządu i akademickich, zidentyfikowała krótkoterminowe roczne zapotrzebowanie na 450 ton metrycznych materiału pędnego pochodzącego z księżyca, co odpowiada 2450 ton metrycznych przetworzonej wody księżycowej, generując przychody w wysokości 2,4 miliarda USD rocznie.

HydrogenEdit

wiatr słoneczny wszczepia 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 w podpowierzchni, ucieka w Przestrzeń Kosmiczną lub dyfunduje w zimne pułapki. Wodór byłby potrzebny do produkcji materiałów pędnych i ma wiele zastosowań przemysłowych. Na przykład wodór może być użyty do produkcji tlenu przez redukcję wodorową ilmenitu.

MetalsEdit

IronEdit

żelazo (Fe) jest obfite we wszystkich bazaltach mare (~14-17% na wagę), ale jest głównie zamknięte w minerałach krzemianowych (tj. piroksen i oliwin) i do tlenkowego minerału ilmenitu na nizinach. Wydobycie byłoby dość wymagające energetycznie, ale niektóre znaczące anomalie magnetyczne księżyca są podejrzewane jako spowodowane przetrwaniem bogatych w Fe szczątków meteorytowych. Dopiero dalsza eksploracja in situ określi, czy ta interpretacja jest poprawna i jak można wykorzystać takie szczątki meteorytowe.

wolne żelazo istnieje również w regolicie (0,5% wagowych) naturalnie stopowym z niklem i kobaltem i może być łatwo ekstrahowane za pomocą prostych magnesów po zmieleniu. Ten Pył żelazny może być przetwarzany w celu wytwarzania części przy użyciu technik metalurgii proszków, takich jak wytwarzanie addytywne, druk 3D, selektywne spiekanie laserowe (SLS), selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów (EBM).

TitaniumEdit

Tytan (Ti) może być stopiony żelazem, aluminium, wanadem i molibdenem, między innymi w celu uzyskania mocnych, lekkich stopów dla przemysłu lotniczego. Występuje prawie w całości w ilmenicie mineralnym (FeTiO3) w zakresie 5-8% wagowych. Minerały ilmenitu również wychwytywają Wodór (protony) z wiatru słonecznego, dzięki czemu przetwarzanie ilmenitu spowoduje również produkcję wodoru, cennego pierwiastka na Księżycu. Rozległe bazalty zalewowe na północno-zachodnim wybrzeżu (Mare Tranquillitatis) posiadają jedne z najwyższych zawartości tytanu na Księżycu, skrywając 10 razy więcej tytanu niż skały na Ziemi.

AluminiumEdit

glin (Al) znajduje się w stężeniu w zakresie 10-18% wagowych, obecnym w minerale zwanym anortrytem (CaAl
2SI
2O
8), wapniowym końcu serii minerałów plagioklazu skaleniowego. Aluminium jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, a rozpylony proszek aluminiowy stanowi również dobre stałe paliwo rakietowe po spaleniu z tlenem. Ekstrakcja aluminium wymagałaby również rozbicia plagioklazu (CaAl2Si2O8).

Silikonedytuj

Zdjęcie kawałka oczyszczonego krzemu

krzem (Si) jest obfitym metaloidem we wszystkich materiałach księżycowych, o stężeniu około 20% wagowych. Ogromne znaczenie ma produkcja paneli słonecznych do konwersji światła słonecznego na energię elektryczną, a także szkło, włókno szklane i wiele użytecznych ceramik. Osiągnięcie bardzo wysokiej czystości jako półprzewodnika byłoby wyzwaniem, szczególnie w środowisku księżycowym.

Calciumedytuj

kryształy Anortytu w vug bazaltowym z Wezuwiusza we Włoszech (rozmiar: 6,9 × 4,1 × 3,8 cm)

wapń (Ca) jest czwartym najobficiej występującym pierwiastkiem na Wyżynie księżycowej, występującym w minerałach anorthytu (wzór CaAl
2SI
2O
8). Tlenki wapnia i krzemiany wapnia są nie tylko przydatne dla ceramiki, ale czysty metal wapniowy jest elastyczny i doskonały przewód elektryczny w przypadku braku tlenu. Anorthite jest rzadki na Ziemi, ale obfity na Księżycu.

wapń może być również stosowany do wytwarzania krzemowych ogniw słonecznych, wymagających księżycowego krzemu, żelaza, tlenku tytanu, wapnia i aluminium.

MagnesiumEdit

magnez (Mg) jest obecny w magmach i minerałach księżycowych piroksen i oliwin, dlatego podejrzewa się, że magnez jest bardziej obfity w dolnej skorupie Księżyca. Magnez ma wiele zastosowań jako STOPY dla przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego i elektronicznego.

pierwiastki ziem rzadkich edytuj

pierwiastki ziem rzadkich są używane 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 prometu-stosunkowo obfite w skorupie ziemskiej. Jednak ze względu na swoje właściwości geochemiczne pierwiastki ziem rzadkich są zazwyczaj rozproszone i nieczęsto występują w minerałach ziem rzadkich, w wyniku czego ekonomicznie eksploatowane złoża rud są mniej powszechne. Główne rezerwaty istnieją w Chinach, Kalifornii, Indiach, Brazylii, Australii, RPA i Malezji, ale Chiny stanowią ponad 95% światowej produkcji ziem rzadkich. (Patrz: Przemysł Ziem Rzadkich w Chinach.)

chociaż obecne dowody sugerują, że pierwiastki ziem rzadkich są mniej obfite na Księżycu niż na Ziemi, NASA postrzega wydobycie minerałów ziem rzadkich jako żywotny zasób księżycowy, ponieważ wykazują one szeroki zakres przemysłowych właściwości optycznych, elektrycznych, magnetycznych i katalitycznych.

Hel-300 >

artykuł główny: Hel-3 § wydobycie ze źródeł pozaziemskich

według jednego z szacunków wiatr słoneczny zdeponował na powierzchni Księżyca ponad 1 milion ton helu-3 (3He). Materiały znajdujące się na powierzchni Księżyca zawierają hel-3 w stężeniach szacowanych na 1,4-15 części na miliard (ppb) w miejscach nasłonecznionych i mogą zawierać nawet 50 ppb w miejscach stale zacienionych. Dla porównania, hel-3 w ziemskiej atmosferze występuje w ilości 7,2 części na trylion (ppt).

Wiele osób od 1986 roku zaproponowało wykorzystanie księżycowego regolitu i wykorzystanie helu-3 do syntezy jądrowej, chociaż od 2020 roku funkcjonujące eksperymentalne reaktory jądrowe istnieją od dziesięcioleci – żaden z nich nie dostarczył jeszcze energii elektrycznej komercyjnie. Ze względu na niskie stężenie helu-3, każdy sprzęt górniczy musiałby przetwarzać bardzo duże ilości regolitu. Według szacunków, ponad 150 ton regolitu musi zostać przetworzone, aby uzyskać 1 gram (0,035 uncji) helu 3. Chiny rozpoczęły Chiński program eksploracji Księżyca i badają perspektywę księżycowego wydobycia, w szczególności poszukując izotopu helu-3 do wykorzystania jako źródło energii na Ziemi. Nie wszyscy autorzy uważają, że ekstrakcja helu-3 przez istoty pozaziemskie jest możliwa, a nawet gdyby możliwe było wydobycie helu-3 z Księżyca, żaden projekt reaktora termojądrowego nie wytworzył większej mocy termojądrowej niż pobierana energia elektryczna. Kolejną wadą jest to, że jest to ograniczony zasób, który można wyczerpać po wydobyciu.

węgiel i nitrogenedytuj

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

azot (N) został zmierzony z próbek gleby przywiezionych z powrotem na ziemię i występuje w ilościach śladowych przy mniej niż 5 ppm. Został znaleziony jako izotopy 14N, 15N i 16N. węgiel i stały azot byłyby potrzebne do działalności rolniczej w zamkniętej biosferze.

regolit dla budownictwa

rozwój gospodarki księżycowej będzie wymagał znacznej infrastruktury na powierzchni Księżyca, która będzie w dużym stopniu polegać na technologiach in situ resource utilization (ISRU). Jednym z podstawowych wymogów Będzie dostarczenie materiałów budowlanych do budowy siedlisk, pojemników magazynowych, lądowisk, dróg i innej infrastruktury. Nieprzetworzona Ziemia księżycowa, zwana również regolitem, może być przekształcana w użytkowe elementy konstrukcyjne, za pomocą takich technik jak spiekanie, prasowanie na gorąco, upłynnianie, metoda odlewania bazaltu i drukowanie 3D. Szkło i włókno szklane są łatwe do obróbki na Księżycu, a stwierdzono, że moc materiału regolith można drastycznie poprawić, stosując włókno szklane, takie jak 70% włókna szklanego bazaltowego i 30% mieszaniny PETG. Udane testy zostały przeprowadzone na ziemi przy użyciu niektórych symulantów regolitu księżycowego, w tym MLS-1 i MLS-2.

Ziemia księżycowa, choć stanowi problem dla jakichkolwiek mechanicznych części ruchomych, może być mieszana z nanorurkami węglowymi i epoksyd w konstrukcji luster teleskopu o średnicy do 50 metrów. Kilka kraterów w pobliżu biegunów jest trwale ciemnych i zimnych, sprzyjających środowisku dla teleskopów podczerwieni.

niektóre propozycje sugerują, aby zbudować bazę księżycową na powierzchni przy użyciu modułów przywiezionych z ziemi i przykryć je księżycową ziemią. Księżycowa gleba składa się z mieszanki krzemionki i związków zawierających żelazo, które mogą być stapiane w szklane ciało stałe za pomocą promieniowania mikrofalowego.

Europejska Agencja Kosmiczna, współpracując w 2013 roku z niezależną firmą architektoniczną, przetestowała konstrukcję drukowaną w 3D, która mogłaby być zbudowana z księżycowego regolitu do wykorzystania jako baza Księżycowa. Wydrukowany w 3D księżycowy Grunt zapewniłby zarówno ” izolację radiacyjną, jak i temperaturową. Wewnątrz lekki nadmuchiwany pod ciśnieniem o tym samym kształcie kopuły byłby środowiskiem życia pierwszych ludzkich księżycowych osadników.”

na początku 2014 roku NASA sfinansowała małe badania na Uniwersytecie Południowej Kalifornii w celu dalszego rozwoju techniki druku 3D Contour Crafting. Potencjalne zastosowania tej technologii obejmują konstruowanie struktur księżycowych z materiału, który może składać się do 90 procent materiału księżycowego, z zaledwie dziesięcioma procentami materiału wymagającego transportu z ziemi. NASA bada również inną technikę polegającą na spiekaniu pyłu księżycowego przy użyciu promieniowania mikrofalowego o małej mocy (1500 W). Materiał księżycowy byłby związany przez ogrzewanie do temperatury od 1200 do 1500 °C (2190 do 2730 °f), nieco poniżej temperatury topnienia, w celu stopienia pyłu nanocząstek w stały blok, który jest podobny do ceramiki i nie wymagałby transportu materiału wiążącego z ziemi.