به نظر میرسد این موضوع درباره استفاده از خاک ماه (lunar regolith) برای تأمین مواد خام مورد نیاز جهت پشتیبانی از یک پایگاه قمری نیز صادق باشد.
بر اساس مقالهای جدید که توسط گروهی از دانشمندان چینی در نشریه Joule منتشر شده، ترکیب نور و گرما مؤثرترین روش برای استخراج هیدروژن، اکسیژن و مونوکسید کربن از خاک ماه است — و برای اثبات این موضوع، آنها سیستم خود را بر نمونههای واقعی از خاک ماه که توسط مأموریت Chang’E-5 بازگردانده شده بودند، آزمایش کردند.
استخراج هیدروژن و اکسیژن از سطح ماه، به جای حمل آنها از زمین، برای هر مأموریت طولانیمدت در ماه حیاتی است. اکسیژن برای سیستمهای پشتیبانی حیات ضروری است. هیدروژن نیز نهتنها یک سوخت موشکی مهم بهشمار میرود، بلکه میتواند با مونوکسید کربن ترکیب شود و هیدروکربنهایی بسازد که در تولید سوختها یا موادی مانند پلاستیک به کار میروند.
برای دستیابی به این سه ماده (هیدروژن، اکسیژن، مونوکسید کربن)، به دو ورودی و یک کاتالیزگر نیاز است. یکی از این ورودیها—آب—در مقادیر کم در بخشهایی از خاک ماه یافت میشود. ورودی دیگر—دیاکسید کربن—از بازدم فضانوردان حاصل میشود و میتوان آن را بهعنوان بخشی از این فرایند جمعآوری و بازیافت کرد. کاتالیزگر نیز از خود خاک ماه بهدست میآید. در این تحقیق، کانی ایلمنیت که یکی از فراوانترین کانیهای موجود در خاک ماه است، بهعنوان یک کاتالیزگر مناسب معرفی شده که با این فناوری بهخوبی کار میکند و بهعنوان بخشی حیاتی از موفقیت این فرایند شناخته میشود.
فرایزر در گفتوگویی به موضوع بهرهبرداری درونسیارهای (ISRU) میپردازد که این فناوری میتواند نقش مهمی در آن ایفا کند.
این فرایند شامل چند مرحله است، و ویژگی منحصربهفرد روش فوتوترمال که محققان از آن استفاده کردهاند، این است که تمام این مراحل را در یک سیستم یکپارچه انجام میدهد. نخست، آب باید از خاک ماه استخراج شود. در خاک ماه، آب معمولاً بهصورت ترکیبات مرتبط با هیدروژن مانند گروههای هیدروکسیل یا بهصورت مولکولهای آب بهدامافتاده در ساختار شیشهای یافت میشود. آزادسازی آن از این حالتها نیازمند گرمای زیادی است—که بخش “ترمال” در روش فوتوترمال به همین دلیل نقش مهمی دارد.
برآوردها نشان میدهند که شکستن برخی از پیوندهای موجود در نمونهی Chang’E-5 به دمای حدود ۴۳۰ درجه سانتیگراد نیاز دارد—دمایی بسیار بالاتر از نقطه جوش آب روی زمین، و دشوار برای دستیابی در خلأ شدید ماه، حتی زیر تابش مستقیم خورشید. برای رسیدن به این دما، خاک ماه در یک محفظه واکنش قرار داده شد که با یک «ژاکت حرارتی» احاطه شده بود.
پس از آزادسازی آب، مرحله بعدی «کاتالیز نوری-حرارتی» واقعی آغاز میشود. در این مرحله، انرژی اعمالشده به سیستم باعث میشود الکترونهای موجود در ایلمنیت به سطح انرژی بالاتری منتقل شوند و در نوار ظرفیت الکترونی حفرهای ایجاد شود. این حفره خاصیت اکسایشی بالایی دارد و باعث اکسایش آب شده و آن را به یک مولکول اکسیژن (O₂) و یک پروتون (اتم هیدروژن) تجزیه میکند. این اتمهای هیدروژن سپس با الکترونهای برانگیختهشده واکنش میدهند و به مولکول آشنای H₂ تبدیل میشوند. همان حفرهها نیز موجب اکسایش مولکولهای دیاکسید کربن شده و مونوکسید کربن تولید میکنند که بهعنوان ماده اولیه برای تولید هیدروکربنهای بعدی کاربرد دارد.
خاک ماه میتواند چالشبرانگیز باشد، همانطور که دکتر کوین کانن در گفتوگو با فرایزر توضیح میدهد.
تمام این فرایندها در یک محفظه واکنش واحد انجام میشود و فقط از نور، گرما، خاک ماه و بازدم انسان بهعنوان ورودی استفاده میکند. این روش بسیاری از فرآیندهای پیچیده و پرانرژی رایج را حذف میکند و اساساً میتوان آن را با انرژی خورشیدی انجام داد.
با این حال، هنوز چالشهایی وجود دارد. نوسانات شدید دما از ویژگیهای محیطی ماه است؛ جایی که این سیستمها باید در آن کار کنند، و بدون مدیریت حرارتی مناسب، این تغییرات دمایی میتوانند فرایندهای شیمیایی در سیستم را مختل کنند. خود کاتالیزگر نیز هنوز بهکارایی لازم نرسیده و باید بهبود یابد تا بتواند نیازهای زیستی انسانها را در سطح ماه پاسخ دهد.
با این حال، هنوز زمان برای حل این چالشهای فنی باقی است. هرچند بازگشت انسان به ماه اکنون تقریباً قطعی بهنظر میرسد، اما این اتفاق (در بهترین حالت) چند سال دیگر رخ خواهد داد. بنابراین هنوز فرصت مناسبی برای اصلاح و تکمیل سیستمی وجود دارد که قرار است بخشی حیاتی از زیرساختهای پشتیبانی حیات در سطح ماه باشد.
