Кислород из реголита: в Sierra Space придумали способ дышать на Луне

В Центре космических исследований NASA имени Джонсона инженеры компании Sierra Space испытали технологию получения кислорода из лунного грунта. В огромной сферической камере, имитирующей условия на поверхности спутника Земли, разместили серебристую металлическую установку, оплетенную множеством разноцветных проводов. Это оборудование предназначено для переработки реголита - смеси пыли и острого гравия, которая по химическому составу полностью соответствует лунной породе.

Эксперимент начался после того, как все специалисты покинули камеру. Установка приступила к забору небольших порций искусственного реголита, постепенно нагревая его до экстремальной температуры - более 1650 градусов Цельсия. При такой температуре грунт превращался в вязкую массу, а после добавления специальных реагентов из расплава начинали выделяться пузырьки, содержащие молекулы с кислородом.

Сферическая камера для испытаний способна в точности воспроизводить давление и температуру лунной поверхности, создавая необходимый вакуум. По словам руководителя программы Sierra Space Бранта Уайта, команда провела все возможные тесты в земных условиях. Теперь предстоит самый важный этап - проверка технологии непосредственно на Луне.

Разработка Sierra Space - не единственная в своем роде. Множество исследовательских групп работают над технологиями жизнеобеспечения для будущих лунных баз. Астронавтам потребуется кислород не только для дыхания: он необходим как окислитель в ракетном топливе для кораблей, которые будут стартовать с поверхности Луны к другим космическим целям, включая Марс. Кроме того, из лунной пыли можно будет извлекать различные металлы для производства на месте.

Если планы удастся реализовать, мы сможем сэкономить миллиарды долларов на транспортировке ресурсов с Земли. К счастью, лунный реголит содержит большое количество оксидов металлов. Однако процесс извлечения из них кислорода, хорошо отточенный на Земле, на Луне реализовать будет сложнее.

Одна из главных проблем - крайне абразивная структура реголита. Инженерам пришлось многократно дорабатывать конструкцию установки, поскольку острые частицы проникают повсюду и быстро изнашивают механизмы. При этом самое важное условие - лунную гравитацию, составляющую всего одну шестую от земной, невозможно воспроизвести ни на Земле, ни на орбите.

Испытания Sierra Space в реальных условиях на поверхности спутника с использованием настоящего реголита планируются не ранее 2028 года, когда NASA в рамках миссии Артемис осуществит высадку астронавтов. До этого момента ученым приходится полагаться на компьютерное моделирование и лабораторные эксперименты.

Исследователь Пол Берк из Университета Джонса Хопкинса подчеркивает : пониженная гравитация может серьезно осложнить работу некоторых систем. В апреле его команда опубликовала результаты компьютерного моделирования, демонстрирующие влияние слабой гравитации на процесс электролиза расплавленного грунта - один из методов прямого извлечения кислорода.

Проблема в том, что на поверхности электродов, погруженных глубоко в расплавленный реголит, образуются холодные пузырьки. Этот расплав по консистенции напоминает мед - он очень вязкий. В условиях пониженной гравитации пузырьки поднимаются значительно медленнее и могут надолго задерживаться на электродах, нарушая процесс.

Для решения этой проблемы исследователи предлагают несколько подходов. Можно заставить пузырьки отрываться с помощью вибрации всей установки. Другой вариант - использование особо гладких электродов, от которых воздух будет отделяться легче.

Sierra Space применяет принципиально иной метод - карботермический процесс. В их технологии пузырьки кислорода формируются свободно во всем объеме расплава, а не на поверхности электродов, то есть риск их застревания сильно снижается. Хотя в процессе нужно добавлять углерод, инженеры научились использовать его повторно после каждого цикла.

Берк попытался вычислить, сколько именно кислорода потребуется для функционирования лунной базы. По его оценкам, одному астронавту в сутки необходимо количество кислорода, содержащееся в 2-3 килограммах реголита - точная цифра зависит от уровня физической активности. При этом системы жизнеобеспечения будут постоянно очищать и перерабатывать выдыхаемый воздух, что существенно сократит потребность в производстве нового кислорода для дыхания.

Всё же основной объем производимого кислорода планируется использовать как окислитель для топлива. Космические корабли смогут дозаправляться на лунной базе перед долгими миссиями.

Палак Патель, аспирантка Массачусетского технологического института, вместе с коллегами разрабатывает альтернативную систему электролиза расплавленного реголита. Их установка позволяет одновременно получать и кислород, и металлы. "Наша главная цель - максимально сократить зависимость от поставок ресурсов с Земли", - объясняет исследовательница.

Для борьбы с застреванием пузырьков в условиях низкой гравитации команда Патель применила еще одно оригинальное решение - ультразвуковой излучатель. Звуковые волны эффективно отделяют пузырьки от поверхности электродов. В перспективе такие установки смогут производить из реголита железо, титан и литий. Эти металлы пригодятся для 3D-печати запасных частей как для самой лунной базы, так и для космических аппаратов.

В ходе дополнительных экспериментов Патель обнаружила еще одно перспективное направление использования лунного грунта. При плавлении имитатора реголита получается прочный стеклоподобный материал насыщенного темного цвета. Из него можно производить полые кирпичи с высокой прочностью. Такие строительные блоки могли бы стать основой для различных сооружений на Луне, прочных и монолитных.