Простое устройство превратило лунный грунт в воду, кислород и топливо
Используя образцы, собранные миссией «Чанъэ-5», китайские ученые нашли способ извлекать воду из лунного грунта и перерабатывать выдыхаемый астронавтами углекислый газ. Это делается за счет небольшого устройства, работающего на солнечной энергии. Авторы нового исследования уверены: в будущем их прибор сможет обеспечить лунные поселения водой, кислородом и топливом.
Человечество давно рассматривает Луну как потенциальную площадку для обитаемой базы. Но доставка ресурсов с Земли делает этот проект чрезвычайно дорогим и сложным. Поэтому ученые во всем мире ищут способы обеспечить будущих астронавтов воздухом, водой и топливом на месте — используя то, что уже есть на спутнике.
Лунный реголит, то есть поверхностный слой пыли и камней, покрывающий всю Луну, содержит определенное количество воды, «запертой» внутри минералов. Однако методы извлечения этой воды отличаются высокой энергозатратностью и технологическими сложностями. Такие подходы трудно применять в экстремальных лунных условиях.
Теперь команда химиков и инженеров под руководством Лу Вана (Lu Wang) из Китайского университета Гонконга нашла решение, которое может значительно упростить задачу.
Исследователи построили компактную установку, работающую на солнечной энергии, в которой в качестве сырья применяется лунный грунт и углекислый газ, выдыхаемый человеком. В экспериментах ученые использовали настоящие лунные образцы, доставленные на Землю китайской миссией «Чанъэ-5» в 2020 году, а также их земные аналоги (породы и материалы, которые по составу и текстуре во многом напоминают лунные образцы).
Принцип работы аппарата достаточно прост. Солнечное тепло нагревает реголит до температуры, при которой содержащаяся в нем вода (как адсорбционная, так и связанная в минералах) переходит в газовую фазу и становится доступной для сбора. Затем начинается химическая реакция: вода и углекислый газ вступают во взаимодействие. Грунт в этом процессе выступает катализатором.
В результате получаются три важных продукта: кислород, водород и монооксид углерода. Все они могут использоваться как топливо или как продукты для жизнеобеспечения. Кислород нужен для дыхания, водород и монооксид углерода можно применять как компоненты ракетного топлива.
Главную роль в химической реакции, по словам Вана, играет минерал под названием ильменит (FeTiO3) — титанистый железняк. Он содержится в лунном реголите в заметных количествах и способен ускорять нужные процессы под действием солнечного света. То есть каталитические свойства ильменита делают химическую реакцию эффективной под солнечными лучами без дополнительных реагентов или сложной аппаратуры.
Правда, Ван признал, что нынешний прибор — всего лишь компактный образец, демонстрирующий идею. До полноразмерной системы, способной обеспечивать лунную колонию, еще далеко. Увеличить размер установки, достаточной для практического применения, — пока очень сложная задача. Необходимо решить множество проблем.
В частности, учесть экстремальные условия на Луне: резкие перепады температур (примерно от минус 173 градусов ночью до плюс 127 днем), отсутствие атмосферы, убийственную солнечную радиацию и слабую гравитацию. Дополнительную сложность добавляет сам лунный грунт — он неоднороден, в разных регионах Луны его состав может сильно различаться.
Еще одна загвоздка — на Луне почти нет углекислого газа. А он нужен, чтобы реактор начал работать. Его можно получить только из воздуха, который выдыхают астронавты. Из-за этого установка сможет хорошо выполнять свои функции только внутри замкнутой системы, где все взаимосвязано: отходы от одних процессов становятся ресурсами для других.
Однако сам факт, что устройство использует доступную солнечную энергию и работает на реальном лунном грунте без необходимости привозить сложное оборудование с Земли, открывает новую главу в лунной науке.
Подробнее с технологией можно ознакомиться в статье, опубликованной в журнале Joule.