Zwycięskie konsorcjum, kierowane przez Thales Alenia Space w Wielkiej Brytanii, otrzymało zadanie wyprodukowania niewielkiego sprzętu, który oceni perspektywę budowy większych elektrowni księżycowych do ekstrakcji paliwa dla statków kosmicznych i powietrza do oddychania dla astronautów – a także surowców metalicznych na sprzęt.
Kompaktowy ładunek będzie musiał wyekstrahować 50-100 gramów tlenu z regolitu księżycowego – celując w 70% ekstrakcji całego dostępnego tlenu w próbce – przy jednoczesnym zapewnieniu precyzyjnych pomiarów wydajności i stężenia gazu. I będzie musiał zrobić to wszystko w pośpiechu, w ciągu 10 dni – korzystając z energii słonecznej dostępnej w ciągu jednego dwutygodniowego księżycowego dnia, przed nadejściem czarnej jak smoła, mroźnej księżycowej nocy.
Dyrekcja ds. Ludzkiej i Robotycznej Eksploracji ESA wybrała kierowany przez firmę Thales zespół złożony z AVS, Metalysis, Open University i Redwire Space Europe po szczegółowym badaniu w zeszłym roku, oceniającym trzy konkurencyjne projekty. Proces przebiegał zgodnie z nowym podejściem do wyboru koncepcji systemu.
„Zastosowanie podejścia "wyzwanie" pozwala nam ocenić konkurujące koncepcje ładunku w precyzyjnej, równoległej podstawie” – komentuje David Binns, inżynier systemowy z najnowocześniejszego Concurrent Design Facility (CDF) firmy ESA. „Teraz nie możemy się doczekać współpracy ze zwycięskim konsorcjum, aby ich projekt stał się praktyczną rzeczywistością.
„Ładunek musi być kompaktowy, o małej mocy i zdolny do lotu na wielu potencjalnych lądownikach księżycowych, w tym na należącym do ESA European Large Logistics Lander europejskim dużym lądowniku logistycznym EL3. Możliwość wydobycia tlenu z księżycowej skały, wraz z użytecznymi metalami, zmieni zasady eksploracji Księżyca, umożliwiając międzynarodowym odkrywcom powrót na Księżyc, aby „żyć z lądu” bez uzależnienia od długich i drogich ziemskich linii zaopatrzenia.”
Giorgio Magistrati, kierownik zespołu ds. badań i technologii w inicjatywie ESA ExPeRT (Exploration Preparation, Research and Technology - Przygotowanie do eksploracji, badania i technologia) dodaje: „Nadszedł właściwy czas, aby rozpocząć pracę nad realizacją demonstratora wykorzystania zasobów In-Situ, pierwszego kroku w naszej większej strategii wdrażania ISRU. Gdy technologia zostanie udowodniona przy użyciu tego początkowego ładunku, nasze podejście osiągnie punkt kulminacyjny w postaci pełnowymiarowej fabryki ISRU na Księżycu na początku następnej dekady”.
Podstawowa koncepcja została już sprawdzona. Próbki zwrócone z powierzchni Księżyca potwierdzają, że regolit księżycowy składa się wagowo z 40-45% tlenu, jego pojedynczego, najliczniejszego pierwiastka. Trudność polega na tym, że tlen ten jest wiązany chemicznie jako tlenki w postaci minerałów lub szkła, więc jest niedostępny do natychmiastowego użycia.
Jednak w Laboratorium Materiałów i Komponentów Elektrycznych ESTEC utworzono prototypową instalację tlenową. Zakład ten wykorzystuje proces elektrolizy do rozdzielania symulowanego regolitu księżycowego na metale i tlen, kluczowe podstawowe zasoby w długoterminowych zrównoważonych misjach kosmicznych.
Po lewej stronie tego obrazu "przed i po" jest stos symulowanej gleby księżycowej lub regolitu; po prawej stronie jest ten sam stos, z którego zasadniczo cały tlen został z niego wydobyty, pozostawiając mieszaninę stopów metali. Zarówno tlen, jak i metal mogą być w przyszłości wykorzystywane przez osadników na Księżycu.
Próbki zwrócone z powierzchni Księżyca potwierdzają, że regolit księżycowy składa się wagowo z 40-45% tlenu, jego pojedynczego, najobfitszego pierwiastka.
„Ten tlen jest niezwykle cennym zasobem, ale jest chemicznie związany w materiale jako tlenki w postaci minerałów lub szkła, a zatem jest niedostępny do natychmiastowego użycia” – wyjaśnia badaczka Beth Lomax z University of Glasgow, której praca doktorska jest wspierana w ramach inicjatywy sieciowej i partnerskiej ESA, wykorzystującej zaawansowane badania akademickie do zastosowań kosmicznych.
„Te badania dostarczają potwierdzenia koncepcji, że możemy wydobyć i wykorzystać cały tlen z regolitu księżycowego, pozostawiając potencjalnie użyteczny metaliczny produkt uboczny.
„Przetwarzanie przeprowadzono metodą zwaną elektrolizą stopionej soli. Jest to pierwszy przykład bezpośredniego przetwarzania proszku na proszek stałego imitującego regolit księżycowy, który może wydobyć praktycznie cały tlen. Alternatywne metody pozyskiwania tlenu z Księżyca zapewniają znacznie niższe plony lub wymagają stopienia regolitu w ekstremalnych temperaturach przekraczających 1600°C”.
Proces polega na umieszczeniu sproszkowanego regolitu w koszu wyłożonym siatką ze stopioną solą chlorku wapnia służącą jako elektrolit, podgrzanym do 950°C. W tej temperaturze regolit pozostaje w stanie stałym.
Przepuszczanie przez nią prądu powoduje, że tlen jest ekstrahowany z regolitu i migruje przez sól w celu zebrania na anodzie. Wydobycie 96% całkowitego tlenu zajęło w sumie 50 godzin, ale 75% można wyekstrahować w ciągu pierwszych 15 godzin.
Beth dodaje: „Ta praca opiera się na procesie FCC – od inicjałów wynalazców z Cambridge – który został rozwinięty przez brytyjską firmę Metallysis do komercyjnej produkcji metali i stopów”.
„Współpracujemy z Metalysis i ESA, aby przełożyć ten proces przemysłowy na kontekst księżycowy, a dotychczasowe wyniki są bardzo obiecujące” — zauważa Mark Symes, kierownik doktoratu Beth na Uniwersytecie w Glasgow.
James Carpenter, specjalista ds. strategii księżycowej ESA, komentuje: „Ten proces zapewniłby osadnikom na Księżycu dostęp do tlenu jako paliwa i podtrzymywania życia, a także szerokiej gamy stopów metali do produkcji na miejscu – dokładny dostępny surowiec zależałby od tego, gdzie na Księżycu wylądujemy.
„Może być również wykorzystany do wydobywania użytecznych materiałów na Marsie, gdzie wstępne przetwarzanie surowca dałoby czyste metale i produkty ze stopów”, dodaje inżynier ds. materiałów ESA Advenit Makaya.
