Чем дышать на Луне: Кислород из камня
Какими бы ни были наши планы по освоению Луны — использовать ее для добычи полезных ресурсов, как научную базу, как промежуточную площадку для стартов к более далеким объектам — будущие обитатели лунной базы нуждаются в воздухе для дыхания.
Однако доставлять туда необходимые количества кислорода (который, к тому же, может понадобиться и как компонент ракетного топлива) слишком хлопотно и дорого. По оценке специалистов, отправить килограмм на Луну стоит 100 тыс. долларов. Немудрено, что ученые изыскивают все возможные пути для того, чтобы база могла вырабатывать максимум необходимого прямо на месте — об этих проектах и планах мы писали в заметке «Лунная архитектура».
Поиски технологий для выделения кислорода из лунной породы (реголита) ведутся уже не первый год. В 2005 г. NASA объявило о 250-тысячном вознаграждении для команды, которая найдет способ извлечь хотя бы 5 кг кислорода из симулированного лунного грунта за 8 часов. Победителей не нашлось, и несколько лет спустя сумма приза увеличилась до 1 млн долларов — но и тогда никто не сумел решить задачу.
Лишь недавно кембриджский химик Дерек Фрей (Derek Fray) и его коллеги рапортовали о том, что у них есть потенциальное решение, созданное на основе электрохимического процесса, созданного той же группой в 2000 г. и предназначенного для получения чистого металла и сплавов из оксидов. Металлические оксиды, которые в изобилии встречаются в реголите, используются при этом в качестве катода, а роль анода выполняет углерод. Оба электрода погружаются в расплав электролита (хлорида кальция, который становится жидким примерно при 800°C).
Ток, текущий через систему, отрывает атомы кислорода от молекул оксида и переводит их в раствор. Обладая отрицательным зарядом, здесь они двигаются к положительному аноду и отдают лишние электроны, реагируя с углеродом и выделяя диоксид углерода (углекислый газ). Разумеется, что при этом анод постепенно деградирует — зато на катоде остается чистый металл.
Задача Фрея и его группы состояла в том, чтобы научиться получать на аноде не углекислый газ, а чистый кислород. Для этого они решили использовать электрод не из углерода, а из куда более инертного вещества — титаната кальция. Сам по себе он является довольно плохим проводником электричества, но если добавить в него немного рутената кальция, эта проблема снимается. Такая смесь позволила ученым получить материал для анода, который хорошо проводит ток и, в общем-то, не подвержен эрозии при использовании в процессе электролиза. После эксперимента, в котором реакция на нем проходила непрерывно 150 часов, они подсчитали, что анод будет даже при непрерывной работе «худеть» на считанные сантиметры в год.
В своих экспериментах ученые использовали симулированный реголит JSC-1, который создан и производится по заказу NASA. И они оценили, что три таких электрохимических «реактора» (каждый примерно метр в высоту) смогут вырабатывать из него тонну кислорода в год. При этом на получение этого количества газа будет уходить 3 тонны реголита — почти 100% содержащегося в нем кислорода переходит в газ.
Не стоит думать, что для нагрева раствора и работы аппарата потребуются огромные запасы энергии. Если использовать эффективную термоизоляцию, тройка реакторов потребует всего 4,5 КВт, что им вполне могут обеспечить установленные тут же солнечные батареи, не говоря уж о ядерном мини-реакторе, который, по некоторым планам, тоже будет установлен на Луне.
Дерек Фрей заявляет, что при необходимом финансировании (ученый называет цифру в 16,5 млн долларов) он готов собрать полноценный прототип устройства с дистанционным управлением.
По информации Nature News