این نیازها شامل غذا و آب میشود، اما حیاتیترین آنها هوای پاک و قابل تنفس است. بدون تأمین پایدار اکسیژن، هیچ مأموریت بلندمدتی به ماه، مریخ یا دیگر مقاصد اعماق فضا امکانپذیر نخواهد بود. هرچه فاصله از زمین بیشتر شود، امکان ارسال مأموریتهای پشتیبانی و تأمین مجدد کمتر و دشوارتر میشود. به همین دلیل، ناسا و دیگر آژانسهای فضایی به دنبال راهکاری هستند که بتواند فضانوردان را از وابستگی دائمی به زمین بینیاز کند. این راهکار «بهرهبرداری از منابع در محل» یا ISRU نام دارد.
به بیان ساده، ISRU به معنای استفاده از منابع موجود در همان محیط فضایی برای تأمین نیازهای انسانی است. به جای آنکه همهچیز از زمین حمل شود — که بسیار پرهزینه و پیچیده است — میتوان از خاک، یخ، گازها و مواد معدنی همان سیاره یا قمر استفاده کرد. این منابع میتوانند برای تولید آب، اکسیژن، سوخت، مصالح ساختمانی و حتی مواد اولیه کشاورزی به کار گرفته شوند. چنین رویکردی، کلید ایجاد حضور پایدار و بلندمدت انسان در فضا به شمار میرود.
در ایستگاه فضایی بینالمللی، ناسا در حال انجام آزمایشی به نام «نمایش کاهش کربوترمال» یا CaRD است. این پروژه بر پایه استفاده از انرژی متمرکز خورشیدی برای استخراج اکسیژن از خاک ماه — که به آن رگولیت گفته میشود — طراحی شده است. به تازگی تیم CaRD آزمایشی مهم را با نمونه یکپارچهشده سامانه خود با موفقیت انجام داده و گامی مهم به سوی عملیاتیسازی این فناوری برداشته است.
رگولیت ماه تقریباً ۴۵ درصد از نظر جرمی حاوی اکسیژن است. البته این اکسیژن به صورت آزاد وجود ندارد، بلکه عمدتاً در ساختار مواد معدنی سیلیکاتی محبوس شده است. نکته جالب این است که هر بار که ماه از درون دنباله مغناطیسی زمین عبور میکند — ناحیهای که یونهای اکسیژنِ جو بالایی زمین را به دام میاندازد — بخشی از این اکسیژن روی سطح ماه رسوب میکند. بنابراین، ماه در طول میلیاردها سال مقدار قابل توجهی اکسیژن در خاک خود انباشته کرده است.
فرآیند «کاهش کربوترمال» در صنایع زمینی کاملاً شناختهشده است. در این روش، مواد معدنی حاوی اکسیژن تا دمای بسیار بالا گرم میشوند — معمولاً با استفاده از کک، زغالسنگ یا زغال چوب — تا اکسیژن از آنها جدا شود و فلز خالص باقی بماند. در این فرآیند معمولاً گاز مونوکسید کربن به عنوان محصول جانبی تولید میشود. همین اصل صنعتی اکنون در پروژه CaRD برای استخراج اکسیژن از خاک ماه به کار گرفته شده، با این تفاوت که به جای سوختهای فسیلی، از نور خورشید متمرکز استفاده میشود.
نمونه اولیه CaRD از چند بخش کلیدی تشکیل شده است. یک راکتور تولید اکسیژن کربوترمال که توسط شرکت Sierra Space توسعه یافته، بخش اصلی سامانه است. یک متمرکزکننده خورشیدی که توسط مرکز پژوهشی گلن ناسا طراحی شده، نور خورشید را جمعآوری و روی راکتور متمرکز میکند. آینههای دقیق تولیدشده توسط شرکت Composite Mirror Applications نور را هدایت میکنند و سامانههای الکترونیکی، نرمافزاری و تحلیل گاز که در مرکز فضایی کندی ناسا ساخته شدهاند، کنترل و پایش فرآیند را بر عهده دارند. مدیریت کلی پروژه، مهندسی سامانهها و آزمایشهای یکپارچه نیز توسط مرکز فضایی جانسون انجام میشود.
در آزمایش یکپارچه اخیر، تیم پژوهشی متمرکزکننده خورشیدی، آینهها و نرمافزار کنترل را با هم ترکیب کرد و آنها را روی شبیهساز رگولیت ماه آزمایش نمود. نتایج نشان داد که واکنش شیمیایی مبتنی بر انرژی خورشیدی با موفقیت مونوکسید کربن تولید کرده است. این مرحله نشان میدهد که میتوان بدون استفاده از سوختهای زمینی، تنها با انرژی خورشید، فرآیند جداسازی اکسیژن را آغاز کرد.
البته مونوکسید کربن محصول نهایی مورد نیاز فضانوردان نیست. اما اگر این گاز با فناوریهای تکمیلی ترکیب شود، میتوان آن را به اکسیژن قابل تنفس تبدیل کرد. به این ترتیب، CaRD میتواند راه را برای تولید پایدار اکسیژن در سطح ماه هموار کند. چنین قابلیتی برای فضانوردانی که قرار است در قالب برنامه آرتمیس در ماه زندگی و کار کنند، حیاتی خواهد بود.
فناوری CaRD میتواند به یکی از اجزای کلیدی برنامه Artemis Program ناسا تبدیل شود. این برنامه با هدف بازگرداندن انسان به ماه و ایجاد پایگاهی دائمی در آن طراحی شده است. اگر اکسیژن و دیگر منابع حیاتی بتوانند مستقیماً از خاک ماه استخراج شوند، نیاز به ارسال مکرر محمولههای سنگین از زمین به شدت کاهش خواهد یافت. این امر نه تنها هزینهها را کم میکند، بلکه خطرات مأموریت را نیز کاهش میدهد.
علاوه بر تولید اکسیژن، همین فناوری میتواند برای تبدیل دیاکسید کربن به اکسیژن و متان نیز به کار رود. متان میتواند به عنوان سوخت موشک استفاده شود و امکان سوختگیری مجدد در سطح ماه یا حتی مریخ را فراهم کند. چنین قابلیتی مفهوم سفرهای رفتوبرگشتی و مأموریتهای طولانیمدت را متحول خواهد کرد. به جای حمل تمام سوخت از زمین، میتوان آن را در محل تولید کرد.
مزایای این رویکرد بسیار گسترده است. کاهش جرم بار ارسالی از زمین به معنای کاهش هزینههای پرتاب، سادهتر شدن طراحی مأموریت و افزایش انعطافپذیری عملیاتی است. همچنین، توسعه فناوریهایی که بتوانند از منابع محلی استفاده کنند، گامی اساسی در جهت استقلال سکونتگاههای فضایی از زمین به شمار میرود.
این فناوری تنها به ماه محدود نمیشود. یکی از اهداف بلندمدت ناسا، توسعه معماری «از ماه تا مریخ» است. در این چارچوب، فناوریهایی که ابتدا در ماه آزمایش و تکمیل میشوند، بعدها در مریخ به کار گرفته خواهند شد. رگولیت مریخ نیز حاوی اکسیژن است و میتوان با تطبیق فناوری CaRD، اکسیژن را از خاک مریخی استخراج کرد. این امر برای پشتیبانی از مأموریتهای انسانی به مریخ ضروری خواهد بود.
تصور کنید فضانوردانی که روی مریخ زندگی میکنند، بتوانند هوای تنفسی و حتی سوخت بازگشت خود را از منابع همان سیاره تولید کنند. چنین چشماندازی، که زمانی صرفاً علمی-تخیلی به نظر میرسید، اکنون به لطف پیشرفتهای فناورانه در حال نزدیک شدن به واقعیت است.
پروژه CaRD توسط برنامه «توسعه فناوریهای تحولآفرین» ناسا تأمین مالی شده است؛ برنامهای که زیرمجموعه مدیریت مأموریت فناوریهای فضایی قرار دارد. هدف این برنامه حمایت از فناوریهایی است که میتوانند شیوه انجام مأموریتهای فضایی را به طور بنیادی تغییر دهند.
در نهایت، اگر بشر بخواهد به گونهای چندسیارهای تبدیل شود، باید بیاموزد که چگونه در محیطهای بیگانه از منابع موجود بهره ببرد. همانگونه که ساکنان زمین از آب، خاک و هوا برای ادامه حیات استفاده میکنند، ساکنان آینده ماه و مریخ نیز باید بتوانند از خاک و نور خورشید آنجا برای زنده ماندن بهره بگیرند. پروژههایی مانند CaRD نشان میدهند که این رؤیا دیگر صرفاً خیالپردازی نیست، بلکه در حال تبدیل شدن به فناوری عملی و قابل اجراست.
مسیر پیش رو همچنان چالشبرانگیز است. آزمایشهای بیشتری باید انجام شود، سامانهها باید در شرایط واقعی ماه آزمایش شوند، و قابلیت اطمینان آنها باید برای مأموریتهای بلندمدت تضمین گردد. اما هر آزمایش موفق، گامی دیگر به سوی آیندهای است که در آن انسان میتواند نهتنها به ماه و مریخ سفر کند، بلکه در آنجا بماند، زندگی کند و تمدن خود را گسترش دهد.
هوای قابل تنفس، شاید سادهترین نیاز انسانی به نظر برسد، اما در فضا به یکی از پیچیدهترین چالشهای مهندسی تبدیل میشود. اکنون دانشمندان در حال یافتن راهی هستند که این هوا را نه از زمین، بلکه از خاک سرد و بیجان ماه استخراج کنند. اگر این تلاشها به نتیجه برسد، میتوان گفت که نخستین زیرساختهای واقعی سکونت انسان در فراسوی زمین در حال شکلگیری است.
