Hur man gör måndamm till syre

Chris BaraniukTeknikreporterSierra SpaceSierra Space arbetar på en enhet som är designad för att producera syre under månliknande förhållanden. Inne i en gigantisk sfär tittade ingenjörerna på sin utrustning. Framför dem stod en silverglänsande metallanordning insvept i färgglada trådar – en låda som de hoppas en dag ska göra syre på månen. När teamet lämnade sfären började experimentet. Den lådliknande maskinen fick nu i sig små mängder av en dammig regolit – en blandning av damm och skarpt grus med en kemisk sammansättning som efterliknade äkta månjord. Snart var den regoliten gloop. Ett lager av det upphettades till temperaturer över 1 650C. Och med tillsatsen av några reaktanter började syrehaltiga molekyler bubbla ut. ”Vi har testat allt vi kan på jorden nu”, säger Brant White, programledare på Sierra Space, ett privat företag. ”Nästa steg är att gå till månen.” Sierra Spaces experiment utspelade sig på Nasas Johnson Space Center i somras. Det är långt ifrån den enda sådan teknik som forskare arbetar med, eftersom de utvecklar system som kan försörja astronauter som lever på en framtida månbas. Dessa astronauter kommer att behöva syre för att andas men också för att tillverka raketbränsle för rymdfarkoster som kan skjuta upp från månen och bege dig till destinationer längre bort – inklusive Mars. Månbasinvånare kan också behöva metall och de kan till och med skörda detta från det dammiga gråa skräpet som skräpar ner månens yta. Mycket beror på om vi kan bygga reaktorer som kan utvinna sådana resurser effektivt eller inte. ”Det kan spara miljarder dollar från uppdragskostnader”, säger White medan han förklarar att alternativet – att ta med mycket syre och reservmetall till månen från jorden – skulle vara besvärligt och dyrt.Sierra SpaceKammaren återskapar månens tryck och temperaturer. Lyckligtvis är månregoliten full av metalloxider. Men medan vetenskapen om att utvinna syre från till exempel metalloxider är välkänd på jorden, är det mycket svårare att göra detta på månen. Inte minst på grund av förhållandena. Den enorma sfäriska kammaren som var värd för Sierra Spaces tester i juli och augusti i år inducerade ett vakuum och simulerade även måntemperaturer och -tryck. Företaget säger att det har behövt förbättra hur maskinen fungerar över tiden så att den kan bättre klara av den extremt taggiga, nötande strukturen hos själva regoliten. ”Den kommer överallt, sliter ut alla möjliga mekanismer”, säger Mr White. Och den enda, avgörande, sak som du inte kan testa på jorden eller ens i omloppsbana runt vår planet, är månens gravitation – som är ungefär en sjättedel som av jorden. Det kanske inte är förrän 2028 eller senare som Sierra Space kan testa sitt system på månen, med hjälp av riktig regolit i förhållanden med låg gravitation. NASANasas Artemis-uppdrag planerar att landa astronauter på månen 2027Månens gravitation kan vara ett verkligt problem för vissa syre- extrahera teknik om inte ingenjörer designar för det, säger Paul Burke vid Johns Hopkins University. I april publicerade han och kollegor en papper som beskriver resultaten av datorsimuleringar som visade hur en annan syrgasutvinningsprocess kan hindras av månens relativt svaga gravitationskraft. Processen som undersöktes här var smält regolitelektrolys, vilket innebär att man använder elektricitet för att splittra månmineraler som innehåller syre, för att direkt utvinna syret. Problemet är att sådan teknik fungerar genom att det bildas syrebubblor på elektrodernas yta djupt inne i smältan. regolith själv. ”Det är konsistensen av, säg, honung. Det är väldigt, väldigt trögflytande”, säger Dr Burke. “De där bubblorna kommer inte att stiga lika snabbt – och kan faktiskt fördröjas från att lossna från elektroderna.” Det kan finnas sätt att kringgå detta. En kan vara att vibrera syretillverkningsmaskinen, vilket kan vibrera bubblorna fria. Och extra släta elektroder kan göra det lättare för syrebubblorna att lossna. Dr Burke och hans kollegor arbetar nu med idéer som denna. Sierra Spaces teknologi, en koltermisk process, är annorlunda. I deras fall, när syrehaltiga bubblor bildas i regoliten, gör de det fritt, snarare än på ytan av en elektrod. Det betyder att det är mindre chans att de fastnar, säger White. Dr Burke understryker värdet av syre för framtida månexpeditioner och uppskattar att en astronaut per dag skulle behöva mängden syre som finns i ungefär två eller tre kilo regolit. , beroende på den astronautens kondition och aktivitetsnivåer. Men en månbas livsuppehållande system skulle sannolikt återvinna syre som andades ut av astronauter. Om så är fallet skulle det inte vara nödvändigt att bearbeta lika mycket regolit bara för att hålla månens invånare vid liv. Det verkliga användningsfallet för syreextraherande teknologier, tillägger Dr Burke, är att tillhandahålla oxidatorn för raketbränslen, vilket kan möjliggöra ambitiösa rymdutforskning.MIT och Shaan JaganiPalak Patel har arbetat på sätt att utvinna syre och metall från månens damm. Ju mer resurser som kan göras på månen desto bättre är uppenbarligen. Sierra Spaces system kräver tillsats av lite kol, även om företaget säger att det kan återvinna det mesta av detta efter varje syreproducerande cykel. Tillsammans med kollegor kom Palak Patel, en doktorand vid Massachusetts Institute of Technology, på en experimentell smält regolit-elektrolyssystem, för att extrahera syre och metall från månens jord. ”Vi tittar verkligen på det utifrån synvinkeln ”Låt oss försöka minimera antalet återförsörjningsuppdrag”, säger hon. När hon designade sitt system tog Patel och hennes kollegor upp problemet som beskrevs av Dr Burke: att låg gravitation kan hindra lösgörandet av syrebubblor som bildas på elektroderna. För att motverka detta använde de en ”sonicator”, som spränger bubblorna med ljudvågor för att få bort dem. Patel säger att framtida resursutvinningsmaskiner på månen skulle kunna hämta järn, titan eller litium från till exempel regolit. Dessa material kan hjälpa månlevande astronauter att tillverka 3D-printade reservdelar till sin månbas eller ersättningskomponenter för skadade rymdfarkoster. Användbarheten av månregolit slutar inte där. Patel noterar att hon i separata experiment har smält simulerad regolit till ett segt, mörkt, glasliknande material. Hon och kollegor utarbetade hur man förvandlar detta ämne till starka, ihåliga tegelstenar, vilket kan vara användbart för att bygga strukturer på moon – en imponerande svart monolit, säg. Varför inte? Mer affärsteknik