Minedrift i månens vand vil kræve en massiv infrastrukturinvestering, men skal vi?

Vi lever i en verden, hvor betydningsfulde beslutninger træffes af mennesker, ofte uden omtanke. Men nogle ting er forudsigelige, herunder at hvis du konstant forbruger en begrænset ressource uden genbrug, vil den til sidst løbe tør.

Alligevel, når vi sætter vores mål på at gå tilbage til månen, vil vi tage alle vores dårlige vaner med os, inklusive vores trang til uhæmmet forbrug.

Siden Clementine-rumfartøjets opdagelse af vandis på månen i 1994, har spænding hersket over udsigten til en tilbagevenden til månen. Dette fulgte to årtier med dvaletid efter afslutningen på Apollo, et utilpashed, der var symptomatisk for en underliggende mangel på incitament til at vende tilbage.

Det vand ændrede alt. Isaflejringerne er placeret ved månens poler skjult i dybet af kratere, der for evigt er blottet for sollys.

Siden da har vi, ikke mindst på grund af den internationale rumstation, udviklet avancerede teknikker, der giver os mulighed for at genbruge vand og ilt med høj effektivitet. Dette gør værdien af ​​at levere lokalt vand til konsum mere spinkel, men hvis den menneskelige befolkning på Månen vokser, vil det efterspørge. Så hvad skal man gøre med vandet på månen?

Der er to almindeligt foreslåede svar:energilagring ved hjælp af brændselsceller og brændstof og oxidationsmiddel til fremdrift. Det første er let at undvære:brændselsceller genbruger deres brint og ilt gennem elektrolyse, når de genoplades, med meget lidt lækage.

Energi og brændstof

Den anden – i øjeblikket den primære raison d'être for minedrift af vand på månen – er mere kompleks, men ikke mere overbevisende. Det er værd at bemærke, at SpaceX bruger en metan/ilt-blanding i sine raketter, så de ville ikke kræve brintdrivmidlet.

Så det, der bliver foreslået, er at udvinde en værdifuld og begrænset ressource og brænde den, ligesom vi har gjort med petroleum og naturgas på Jorden. Teknologien til minedrift og brug af ressourcer i rummet har et teknisk navn:in-situ ressourceudnyttelse.

Og selvom der ikke er mangel på ilt på månen (omkring 40 procent af månens mineraler omfatter oxygen), er brint det helt sikkert.

Udvinding af vand fra månen

Brint er meget nyttigt som et reduktionsmiddel såvel som et brændstof. Månen er et stort lager af ilt i dens mineraler, men det kræver brint eller andre reduktionsmidler for at blive befriet.

For eksempel er ilmenit et oxid af jern og titanium og er et almindeligt mineral på månen. Opvarmning af det til omkring 1.000 C med brint reducerer det til vand, jernmetal (hvorfra en jernbaseret teknologi kan udnyttes) og titaniumoxid. Vandet kan elektrolyseres til brint - som genbruges - og ilt; sidstnævnte effektivt befriet fra ilmenitten. Ved at brænde brint udvundet af vand kompromitterer vi udsigterne for fremtidige generationer:dette er kernen i bæredygtighed.

Men der er andre, mere pragmatiske spørgsmål, der dukker op. Hvordan får vi adgang til disse vandisressourcer begravet nær månens overflade? De er placeret i terræn, der er fjendtligt i enhver betydning af ordet, i dybe kratere skjult for sollys - ingen solenergi er tilgængelig - ved temperaturer på omkring 40 Kelvin eller -233 C. Ved sådanne kryogene temperaturer har vi ingen erfaring med udfører omfattende minedrift.

Toppe af evigt lys er bjergtoppe beliggende i regionen af ​​sydpolen, der er udsat for næsten konstant sollys. Et forslag fra NASA's Jet Propulsion Lab forestiller sig at udstråle sollys fra gigantiske reflektorer placeret på disse toppe til kratere.

Disse gigantiske spejle skal transporteres fra Jorden, landes på disse toppe og installeres og fjernstyres for at oplyse de dybe kratere. Så kan robotkøretøjer til minedrift vove sig ind i de nu oplyste dybe kratere for at genvinde vandisen ved hjælp af den reflekterede solenergi.

Vandis kan sublimeres til damp til genvinding ved direkte termisk eller mikrobølgeopvarmning - på grund af dens høje varmekapacitet vil dette forbruge meget energi, som skal tilføres af spejlene. Alternativt kan det graves fysisk ud og efterfølgende smeltes ved knapt mere beskedne temperaturer.

Brug af vandet

Efter at have genvundet vandet, skal det elektrolyseres til brint og ilt. For at opbevare dem skal de gøres flydende for mindst mulig lagertankvolumen.

Selvom oxygen let kan gøres flydende, bliver brint flydende ved 30 Kelvin (-243 C) ved et tryk på minimum 15 bar. Dette kræver ekstra energi for at gøre brint flydende og holde det som flydende uden afkogning. Dette kryogenisk afkølede brint og oxygen (LH2/LOX) skal transporteres til dets anvendelsessted, mens dets lave temperatur opretholdes.

Så nu har vi vores drivmiddellagre til at affyre ting fra månen.

Dette vil kræve en affyringsrampe, som kan være placeret ved månens ækvator for maksimal fleksibilitet ved opsendelse i enhver kredsløbshældning, da et polært opsendelsessted vil være begrænset til polære opsendelser - kun til den planlagte Lunar Gateway. En måneaffyringsrampe vil kræve omfattende infrastrukturudvikling.

Sammenfattende modsiger den tilsyneladende lethed ved at udvinde vandis fra månepolerne en kompleks infrastruktur, der kræves for at opnå det. Omkostningerne til installation af infrastruktur vil ophæve omkostningsbesparelsesrationalet for ressourceudnyttelse på stedet.

Alternativer til udvinding

Der er flere foretrukne muligheder. Hydrogenreduktion af ilmenit til at give jernmetal, rutil og oxygen giver de fleste fordele ved at udnytte vand. Ilt udgør broderparten af ​​LH2/LOX-blandingen. Det involverer ingen stor infrastruktur:termisk energi kan genereres af solcellekoncentratorer af beskeden størrelse integreret i behandlingsenhederne. Hver enhed kan indsættes, hvor det er nødvendigt - der er ikke behov for lange traverseringer mellem udbud og efterspørgsel.

Derfor kan vi opnå næsten den samme funktion gennem en anden, lettere opnåelig vej til in-situ ressourceudnyttelse, som også er bæredygtig ved at udvinde rigelige mængder ilmenit og andre månemineraler.

Lad os ikke blive ved med at gentage de samme uholdbare fejl, som vi har begået på Jorden – vi har en chance for at få det rigtigt, når vi spreder os ind i solsystemet.