Ощущение жажды, желание помыться, полить теплицу и вернуться домой? Просто добавь жару! Новая методика, разработанная китайскими учеными, позволит извлекать необходимую жидкость непосредственно из лунного грунта, даже при минимальном содержании воды. Ее результативность была подтверждена испытаниями на образцах реголита, доставленных в рамках миссии «Чанъэ-5».
Вода играет ключевую роль во всех аспектах человеческой жизни. Мы используем ее для гигиенических процедур, приготовления пищи и для питья. Кроме того, этот жизненно важный ресурс необходим для различных технологических и медицинских процессов. Наконец, при наличии электроэнергии, из воды можно получить высокоэффективные ракетные топливные пары, состоящие из кислорода и водорода.
На протяжении всей истории передвижение людей всегда зависело от доступности пресной воды. Без возможности восполнить запасы воды в пути, невозможно безопасно продолжать движение, будь то пешком, на транспорте или в полете, поскольку это ограничивается расчетами, определяющими, сколько воды необходимо для поддержания жизни участников экспедиции. Космические полеты не являются исключением, и увеличение объема запасов воды представляет собой сложную задачу, ведь каждый килограмм груза имеет ценность.
Именно поэтому длительные межпланетные путешествия или миссии на небесные тела, не содержащие воды, такие как Марс и Луна, представляют собой серьезную техническую задачу. В связи с этим, разработка эффективных методов пополнения запасов воды имеет критическое значение для развития космонавтики. Китайские инженеры и ученые, по всей видимости, совершили значительный прорыв в освоении естественного спутника Земли. Они экспериментально доказали, что с помощью относительно простой технологии можно легко обеспечить лунную экспедицию местными водными ресурсами в необходимом количестве для любых нужд.
Вода на Луне присутствует, однако ее количество крайне ограничено. Средняя концентрация H2O и гидроксид-иона (OH—) содержание воды в лунном реголите изменяется от десяти до тысячи частей на миллион. Это означает, что в наиболее благоприятном сценарии из тонны местного грунта можно извлечь всего килограмм воды. Разработанная китайскими учеными методика позволяет значительно улучшить этот показатель, превысив его в пятьдесят раз. При этом они работали с относительно «сухим» реголитом: образцы, доставленные зондом «Чанъэ-5», содержат лишь 283 части воды на миллион.
Значительная доля воды, найденной на Луне, образуется непосредственно в лунном грунте. Солнечный ветер, содержащий, в частности, протоны, воздействует на лунную поверхность. Протоны, таким образом, отрывают электроны от молекул, с которыми сталкиваются, и превращаются в атомарный водород. Большая часть этого водорода сразу же испаряется в космосе, однако некоторая доля либо вступает в химические реакции, либо задерживается в кристаллической структуре различных минералов.
В начальной стадии атомарный водород может захватить кислород из какого-либо оксида, что приводит к образованию гидроксил-иона. При присоединении к нему еще одного атома водорода формируется молекула воды. Поскольку поверхность в районе посадки «Чанъэ-5» относительно молодая, в ней не накопилось достаточное количество OH— или H2O. В наноразмерных структурах минералов реголита концентрация атомарного водорода всегда значительно выше. Результаты лабораторных исследований выявили, что в образцах, отобранных для эксперимента, содержание атомарного водорода составляло около 0,56 процента по массе.
Для извлечения воды это принципиально несложно: при нагревании до 1200-1500 градусов атомарный водород эффективно восстанавливает оксиды металлов, в особенности железа, а в качестве побочного продукта образуется вода. Высокие температуры, безусловно, требуют определенных технологических решений, например, с использованием гелиоконцентратора – зеркала, фокусирующего отраженный солнечный свет на ограниченной площади. Такие установки позволяют относительно быстро выпаривать воду из лунного грунта в промышленных объемах. Образующийся отход этого процесса можно будет применять в качестве строительного материала или использовать в качестве сырья для извлечения металлов.
Статья содержит детальное описание эксперимента, его методологии и всесторонний анализ разработанной технологии опубликована в рецензируемом журнале The Innovation. Авторы исследования подсчитали, что из одного грамма реголита, собранного «Чанъэ-5», можно получить 51-76 миллиграммов воды и 157 миллиграммов чистого железа. То есть из одной тонны выходит не менее 50 килограммов питьевой воды. Китайские ученые указывают, что этого хватит на обеспечение жидкостью полусотни лунных колонистов. Хотя норма литр воды на человека выглядит несколько жестокой, опыт NASA показывает: необходимо минимум два, а во время работы в скафандре и того больше (по 240 миллилитров на каждый час работы).
Вероятно, что извлечение воды из более древнего реголита или образцов, взятых вблизи полюсов, может дать значительно больше воды на тонну породы. Это позитивный момент, поскольку даже если не удастся полностью обеспечить экспедицию местными ресурсами, можно будет рассчитывать на пополнение запасов и взять с Земли минимально необходимое количество. Кроме того, существует лунная вечная мерзлота — подповерхностные слои грунта, содержащие повышенное количество ледяных кристаллов (от 0,1 до 1 процента по массе), которые встречаются в некоторых приполярных областях. Учитывая все эти факторы, перспективы будущих лунных миссий представляются несколько более оптимистичными.