Зачем добывать кислород из лунной пыли? Объясняем простыми словами

Около 45% массы лунного реголита составляет кислород. Это не газ, а химически связанный элемент в оксидах металлов. Если научиться его извлекать прямо на Луне, отпадёт необходимость везти с Земли тысячи тонн воздуха, воды и топлива. Американская программа «Артемида» и китайские лунные миссии уже встроили технологию in-situ resource utilization (ISRU) в свои дорожные карты. Вопрос не в том, будем ли мы добывать кислород на Луне, а в том — какой метод окажется достаточно простым и эффективным, чтобы работать в вакууме при тысяче градусов.

Как разорвать связи в лунной пыли

Реголит — это смесь мелких обломков пород и стекла, в которой доминируют силикаты, ильменит и оливин. Кислород там «заперт» в оксидах кремния, железа, кальция и магния. Чтобы его высвободить, нужно разорвать химические связи. Самый прямой путь — пиролиз: нагрев реголита до температур свыше 2000°C, при которых оксиды испаряются и диссоциируют на кислород и металлы. Реакция требует огромной энергии, но у Луны есть два козыря: естественный вакуум (давление порядка 10^-15 бар) и почти полное отсутствие атмосферы, поглощающей солнечное излучение. Вакуум смещает равновесие реакции в сторону выделения газов, а значит, для пиролиза нужно меньше энергии, чем на Земле.

Солнечная энергия на Луне доступна почти круглосуточно в районах Южного полюса, где освещённость достигает 90% времени. Это делает солнечную концентрацию идеальным источником тепла для разложения реголита.

Солнечная печь: дешёвый и надёжный метод

Чтобы получить тысячи градусов без сжигания топлива, используют параболические зеркала. В лаборатории PROMES-CNRS (Франция) на площадке крупнейшей в мире солнечной печи в Одейло такие зеркала диаметром 2 метра концентрируют солнечный свет в 10 000 раз. Пятно диаметром около 2 см достигает температуры более 3000°C. Луч направляется в вакуумную камеру, где на медном поддоне лежит таблетка имитатора лунного реголита. Насос поддерживает давление около 10 миллибар, а электрохимическая ячейка непрерывно замеряет концентрацию выделяющегося кислорода. При нагреве до 1200°C образец плавится, а при 2000°C начинается активное испарение оксидов — именно в этот момент кислород переходит в газовую фазу.

Эксперимент в Одейло: первые цифры

В первых опытах из таблетки массой 3,38 г удалось выделить 35 мг кислорода. Это около 1% от массы образца и 2,5% от всего кислорода, содержащегося в имитаторе. Цифры скромные, но концепция доказана. После завершения нагрева вместо таблетки остаётся стекловидная бусина, а летучие оксиды конденсируются на холодных стенках реактора. Именно эти конденсаты представляют особый интерес: они содержат более лёгкие элементы, которые можно использовать как сырьё для строительных материалов или инструментов. Такой «дистилляционный» подход позволяет не только получать кислород, но и разделять минералы прямо на месте.

Не только кислород: побочные продукты

Анализ конденсата показал, что в нём накапливаются оксиды натрия, калия и кремния — то есть те соединения, которые испаряются при высоких температурах. Оставшаяся бусина обогащена тугоплавкими оксидами, например, алюминия и кальция. Значит, пиролиз работает как фракционная перегонка. Извлечённые минералы можно использовать для 3D-печати конструкций, создания теплозащиты или даже производства стекла. Таким образом, установка по добыче кислорода одновременно становится мини-заводом по переработке реголита.

Сейчас учёные планируют снизить давление в камере до уровня, близкого к лунному (миллибары вместо десятков миллибар), что должно повысить выход кислорода и позволить образцу испариться полностью. Кроме того, предстоит опробовать разные типы реголита — ведь в разных районах Луны состав грунта различается.

От лаборатории к Луне: что ещё предстоит

Переход от прототипа к промышленной установке потребует решения нескольких инженерных задач.

• Непрерывность работы: реактор должен функционировать большую часть лунного дня (около 14 земных суток);
• Точный контроль температуры: слишком быстрый нагрев ухудшает селективность реакций, слишком медленный — снижает производительность;
• Сбор и очистка газа: нужно отделить кислород от других летучих веществ, таких как угарный газ или пары металлов;
• Стойкость к абразивной пыли: реголит — мелкий и острый, он забивает механизмы и царапает оптику;
• Самостоятельная подача сырья: роверы должны автономно доставлять свежий реголит к реактору и увозить отходы.

Все эти проблемы решаемы, но требуют времени и испытаний. Как сообщается в статье на Phys.org, лаборатория PROMES-CNRS уже начала тесты с пониженным давлением и новыми материалами для тиглей.

Почему это меняет правила игры

Сегодня доставка одного килограмма груза на поверхность Луны обходится в десятки тысяч долларов. Кислород — самый тяжёлый компонент ракетного топлива и систем жизнеобеспечения. Если мы сможем производить его на месте, масса полезного груза, который нужно запускать с Земли, сократится в разы. А наличие собственного источника кислорода и сырья для строительства превращает лунную базу из дорогой научной станции в самодостаточное поселение.

Солнечный вакуумный пиролиз — не единственный метод (NASA изучает также электролиз расплавленной соли и восстановление ильменита водородом), но у него есть преимущество — минимальная зависимость от реагентов, которые нужно везти с Земли. Только зеркала и камера — и почти бесконечная солнечная энергия.

Сможет ли человечество наладить промышленную добычу кислорода на Луне до того, как ресурсы, привезённые с Земли, станут слишком дорогими? Первые килограммы лунного воздуха могут быть получены уже в ближайшее десятилетие. А значит, следующий шаг — Марс — станет на шаг ближе.