Kisik za buduće lunarne postaje mogao bi dolaziti iz mjesečeva tla

Mjesečevo tlo nema zrak, ali u sebi sadrži jedan od najvažnijih resursa za buduće ljudske misije: kisik. On nije dostupan kao plin, nego je vezan u mineralima regolita, prašnjavog sloja koji prekriva površinu Mjeseca. Nova ispitivanja pokazuju kako bi se taj kisik jednog dana mogao izdvajati uz pomoć koncentrirane Sunčeve energije i mjesečeva vakuuma.

Povratak na Mjesec više se ne planira kao kratko slijetanje i povratak kući. Sjedinjene Države i Kina razvijaju programe koji ciljaju na dulji boravak ljudi i izgradnju infrastrukture na površini. U takvom scenariju ključna postaje jedna teška inženjerska činjenica: što se manje mora nositi sa Zemlje, to su misije izvedivije.

Kisik je među najvažnijim resursima. Potreban je za disanje, ali i za proizvodnju raketnog goriva. Ako bi ga buduće lunarne postaje mogle dobivati iz samog mjesečeva tla, svaka bi misija manje ovisila o skupim teretnim letovima sa Zemlje.

Regolit sadrži kisik, ali ne u obliku koji astronauti mogu koristiti

Mjesečev regolit sastoji se od sitnih fragmenata stijena i prašine. U njemu se nalaze minerali poput plagioklasa, piroksena i olivina. Ti minerali sadrže metalne okside, spojeve u kojima je kisik kemijski vezan uz elemente poput silicija, željeza ili kalcija.

Prema procjenama iz izvora, kisik čini oko 40 do 45 posto mase regolita. To znači da je najzastupljeniji element na mjesečevoj površini. No ta brojka može zavarati. Kisik ondje ne postoji kao slobodan plin, kao u Zemljinoj atmosferi, nego je zaključan u mineralnoj strukturi tla.

Da bi se mogao koristiti, potrebno je razbiti kemijske veze u oksidima. To traži visoke temperature, kontrolirane uvjete i sustav koji može raditi u okolišu punom prašine, zračenja i velikih temperaturnih razlika.

Sunčeva energija mogla bi pokretati izdvajanje kisika

Jedna od metoda koja se istražuje zove se piroliza. Riječ je o postupku u kojem se materijal razgrađuje zagrijavanjem na vrlo visokim temperaturama. Kada se takav postupak primijeni na regolit, metalni oksidi mogu isparavati i razdvajati se, pri čemu se oslobađa kisik.

Na Mjesecu bi se za takav postupak mogla koristiti koncentrirana Sunčeva energija. Sustav zrcala ili leća usmjerio bi Sunčevu svjetlost na malu površinu i ondje stvorio temperature od nekoliko tisuća Celzijevih stupnjeva.

Mjesečev okoliš u tome ima jednu veliku prednost. Zbog gotovo potpunog nedostatka atmosfere, Sunčevo zračenje ne raspršuju oblaci ni zrak. Površinski tlak iznimno je nizak, što pogoduje reakcijama u kojima se oslobađaju plinovi. U nekim područjima oko lunarnog južnog pola Sunčeva svjetlost prisutna je tijekom velikog dijela vremena, što takav pristup čini posebno zanimljivim za buduću infrastrukturu.

Francuski solarni reaktor pokazao je da se kisik može izdvojiti iz regolita

Temeljni princip ispitan je u laboratoriju PROMES-CNRS u Odeillu, u francuskim Pirenejima, jednom od najvažnijih europskih središta za istraživanje koncentrirane Sunčeve energije. Ondje se nalazi jedna od najvećih solarnih peći na svijetu, s opremom namijenjenom pokusima na temperaturama kakve su potrebne za razgradnju najotpornijih mineralnih spojeva.

U pokusima se koriste parabolična zrcala promjera dva metra. Ona Sunčevu svjetlost koncentriraju oko 10.000 puta i usmjeravaju je na područje široko približno dva centimetra. Na toj se točki mogu postići temperature više od 3.000 °C.

U vakuumsku komoru stavlja se pelet napravljen od materijala koji oponaša mjesečev regolit. Zrcalo zatim usmjerava koncentriranu Sunčevu energiju u reaktor, dok vakuumska pumpa održava tlak od oko 10 milibara. Količina kisika u komori prati se elektrokemijskom ćelijom, kako bi se moglo precizno zabilježiti kada ga uzorak počinje otpuštati.

Materijal se najprije tali na oko 1.200 °C, a zatim se zagrijava do približno 2.000 °C. Pri takvim temperaturama dio oksida u simuliranom regolitu počinje isparavati i razdvajati se. Tada se u reaktoru bilježi oslobađanje kisika.

Rezultat je zasad skroman, ali važan. Iz peleta mase 3,38 grama izdvojeno je 35 miligrama kisika. To odgovara približno 1 posto ukupne mase uzorka, odnosno 2,5 posto kisika sadržanog u simuliranom regolitu. Takav prinos još nije dovoljan za stvarnu lunarnu postaju, ali pokazuje da se postupak može pokrenuti i da koncentrirana Sunčeva energija može razbiti dio kemijskih veza koje kisik drže zarobljenim u mjesečevu tlu

Izdvajanje kisika moglo bi dati i korisne materijale

Nakon pokusa od početnog peleta ostaje staklasta kuglica. Dio materijala koji tijekom pirolize ispari kondenzira se na hladnijim stijenkama reaktora, gdje se taloži u obliku mineralnih spojeva. Ti se talozi zatim prikupljaju i analiziraju kako bi se utvrdio njihov kemijski sastav.

Sastav staklaste kuglice razlikuje se od sastava početnog simulanta regolita. Hlapljiviji oksidi napuštaju uzorak tijekom zagrijavanja, dok se udio nehlapljivih oksida povećava u preostalom materijalu. Najhlapljiviji spojevi završavaju na stijenkama reaktora, gdje se nakon hlađenja zadržavaju kao naslage.

Takav rezultat upućuje na još jednu moguću primjenu pirolize. Postupak ne bi morao služiti samo za izdvajanje kisika, nego i za razdvajanje različitih sastojaka mjesečeva regolita, prema načelu sličnom destilaciji. Uz kisik, buduće misije mogle bi tako dobivati i materijale za izradu konstrukcija, alata ili građevnih elemenata na samom Mjesecu.

Za dugotrajniji boravak ljudi na Mjesecu to bi bilo iznimno važno. Lunarna postaja koja dio osnovnih resursa proizvodi lokalno bila bi znatno manje ovisna o opskrbi sa Zemlje. Svaki kilogram kisika, metala ili građevnog materijala koji ne treba lansirati sa Zemlje smanjuje cijenu, složenost i ranjivost budućih misija.

Tehnologija još mora dokazati da može raditi na Mjesecu

Ispitivanja u Odeillu zasad su laboratorijski dokaz načela. Prinos kisika mora se znatno povećati, a uvjeti u reaktoru moraju se dodatno približiti stvarnom lunarnom okolišu. Sljedeći korak je rad pri još nižem tlaku, što bi trebalo smanjiti temperature potrebne za pirolizu, omogućiti potpunije isparavanje uzorka i povećati učinkovitost postupka.

Trebat će ispitati i različite vrste regolita, kao i pojedinačne minerale i okside od kojih se sastoji. Mjesečevo tlo nije svugdje jednakog sastava, pa sustav koji dobro radi s jednim tipom materijala ne mora jednako dobro raditi s drugim.

Reaktor bi na Mjesecu morao raditi dugo i pouzdano, po mogućnosti tijekom većeg dijela mjesečeva dana. Za to će biti potrebna preciznija kontrola temperature, učinkovitije prikupljanje kisika, bolja toplinska izolacija i pažljivija obrada nusproizvoda. Dobiveni kisik morat će se pročistiti, pohraniti i dovesti do sustava za disanje ili proizvodnju goriva.

Ostaje i logistički problem. Regolit treba iskopati, dopremiti do reaktora, unijeti u sustav i obraditi nakon postupka. Sve to mora raditi u okolišu s abrazivnom prašinom, stalnim zračenjem i velikim temperaturnim razlikama.

Solarna vakuumska piroliza zato još nije spremna tehnologija za lunarne postaje. Njezina je prednost u tome što koristi uvjete koje Mjesec već nudi: vakuum, obilje Sunčeve energije i regolit bogat kisikom. Ako se prinos poveća i sustav pokaže dovoljno pouzdanim, kisik za buduće lunarne postaje mogao bi se proizvoditi iz tla po kojem će astronauti hodati.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.