Кислород из лунного камня
18.08.2009
2246
0
22460
Ученые из Кембриджа разработали реактор, который может производить кислород из лунного камня. Это жизненно важная технология на случай, если планы создать базу на Луне станут реальностью.
Лунные камни могут стать в будущем источником кислорода для базы на Луне (фото NASA).
Извлекая ископаемые Луны или используя этот спутник в качестве стартовой площадки для более глубокого исследования космического пространства, обитатели любой лунной базы в будущем будут нуждаться в кислороде. Доставка огромного количества этого газа на Луну окажется слишком дорогим мероприятием. По некоторым оценкам, одна тонна кислорода, возможно, будет стоить 100 млн. американских долларов. Поэтому ученые ищут более дешевые способы получения кислорода непосредственно на Луне.
В течение нескольких лет учеными NASA проводился поиск способов получения кислорода из лунного камня. В 2005 г. в рамках программы, рассчитанной на столетний период (Centennial Challenges programme), это агентство назначило грант в 250 тысяч долларов команде, которая первой разработает метод, с помощью которого можно будет получить пять килограмм кислорода из искусственного лунного камня за восемь часов. Несмотря на увеличение суммы приза до 1 млн. долларов в 2008 г. при поддержке Космического Агентства штата Калифорния, грант остается невостребованным. Помимо этого, в рамках программы Агентства по использованию ресурсов In Situ (на месте) рассматривается несколько различных технологий по получению кислорода из лунного камня.
В настоящее время Дерек Фрей (Derek Fray), специалист по химии материалов из Университета Кембриджа (Великобритания) (the University of Cambridge, UK), и его коллеги нашли потенциально возможное решение проблемы, изменяя течение электрохимического процесса. Этот метод ученые изобрели в 2000 г. для получения металлов и сплавов из оксидов металлов. Он основан на использовании оксидов, аналогичных найденным на Луне, в качестве катода, а анодом служит углерод. Для осуществления технологического процесса в системе электроды помещаются в раствор электролита - расплавленного хлорида кальция (CaCl2), распространенной соли с температурой плавления почти 800 градусов Цельсия.
Эродирующий анод
В ходе процесса происходит отщепление атомов кислорода от частиц окисла металла, которые ионизируются и растворяются в расплавленной соли. Отрицательно заряженные ионы кислорода двигаются через расплав соли к аноду, где они отдают свои внешние электроны и взаимодействуют с углеродом с образованием углекислого газа. В результате этого процесса происходит разрушение анода, а чистый металл осаждается на катоде.
Чтобы система производила кислород, а не углекислый газ, Фрею понадобилось сделать инертный анод, что было крайне важно, поскольку, по мнению изобретателя, «без таких анодов это не работает». Он обнаружил, что титанат кальция, сам по себе являющийся слабым проводником электрического тока, стал намного лучшим проводником при добавлении к нему небольшого количества рутената кальция. Из этого соединения и был сделан анод, который незначительно разрушается лишь через 150 часов работы реактора. Фрей вычислил, что анод будет стираться примерно на 3 см в год.
В своих опытах Фрей и его команда использовали модель лунной породы, так называемую JSC-1, созданную NASA. Фрей предполагает, что трех реакторов, каждый высотой в один метр, будет достаточно, чтобы производить тонну кислорода в год на Луне. Для получения каждой тонны кислорода необходимо три тонны породы. В экспериментах исследователи наблюдали почти 100%-ое восстановление кислорода. Фрей представил эти результаты на прошлой неделе на Конгрессе Международного Союза чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в Глазго (Congress of the International Union of Pure and Applied Chemistry in Glasgow).
Фрей отмечает, что для нагрева реактора на Луне понадобится лишь небольшое количество энергии, а сам реактор может быть термоизолирован для предотвращения потери энергии. «Это не составит проблемы», – говорит он. Этим трем реакторам понадобится примерно 4,5 киловатта энергии, что не намного больше, чем для нагрева спирали домашнего бойлера. Такое количество энергии может быть обеспечено солнечными батареями или даже маленьким ядерным реактором, помещенными на Луне.
Фрей говорит, что при увеличении суммы еще на 10 млн. евро он смог бы создать опытный образец более мощного реактора, которым можно будет управлять дистанционно. В настоящее время он работает в данном направлении совместно с Европейским Космическим Агентством (European Space Agency).
Самосборка
Подобная технология для получения кислорода разрабатывается и Дональдом Сэдоуэем (Donald Sadoway) в Массачусетском технологическом институте в Кембридже, в штате Массачусетс (Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts), но в ней процессы осуществляются при значительно более высокой температуре (свыше 1600 градусов Цельсия). Это подразумевает, что лунная порода является расплавленной массой и сама по себе может служить в качестве электролита. Она содержит расплавленный металл, в том числе и железо, находящийся на дне породы. Фрей говорит, что его технология более эффективна, поскольку осуществляется при более низкой температуре, но Сэдоуэй утверждает, что для осуществления электролиза расплавленной соли (так называется метод) требуется дополнительная высокая температура. «В процессе Дерека расплавление соли дает возможность действовать в диапазоне намного более низких температур, но остается необходимость консолидации лунной породы в твердый конгломерат. И это очень трудная задача, поскольку лунная порода имеет исключительно песчаную природу», – считает Сэдоуэй.
Реактор Сэдоуэя способен к самоорганизации. Внутренней частью мог бы служить реголит, порошкообразный щебень (который формирует поверхность Луны), нагретый с помощью электричества для превращения в расплав. Внешняя часть реактора может быть образована твердым охлажденным реголитом. «Мы формируем стенку реактора посредством замораживания расплавленного реголита», – говорит Сэдоуэй. Но он признает, что для запуска процесса имеются определенные препятствия.
Исследователь также отмечает, что при достаточном финансировании он смог бы усовершенствовать свою технологию в течение двух лет. Его проект был внесен в список допущенных к конкурсу проектов NASA и получает некоторое финансирование от Агентства. «Как только мы решим финансовые вопросы в лабораторном масштабе, мы сможем двигаться вперед гораздо быстрее», – заключает он.
По материалам
NatureNews со ссылкой на первоисточник Chen, G. Z. et al., Nature 407, 361-364 (2000).
Лунные камни могут стать в будущем источником кислорода для базы на Луне (фото NASA).
Извлекая ископаемые Луны или используя этот спутник в качестве стартовой площадки для более глубокого исследования космического пространства, обитатели любой лунной базы в будущем будут нуждаться в кислороде. Доставка огромного количества этого газа на Луну окажется слишком дорогим мероприятием. По некоторым оценкам, одна тонна кислорода, возможно, будет стоить 100 млн. американских долларов. Поэтому ученые ищут более дешевые способы получения кислорода непосредственно на Луне.
В течение нескольких лет учеными NASA проводился поиск способов получения кислорода из лунного камня. В 2005 г. в рамках программы, рассчитанной на столетний период (Centennial Challenges programme), это агентство назначило грант в 250 тысяч долларов команде, которая первой разработает метод, с помощью которого можно будет получить пять килограмм кислорода из искусственного лунного камня за восемь часов. Несмотря на увеличение суммы приза до 1 млн. долларов в 2008 г. при поддержке Космического Агентства штата Калифорния, грант остается невостребованным. Помимо этого, в рамках программы Агентства по использованию ресурсов In Situ (на месте) рассматривается несколько различных технологий по получению кислорода из лунного камня.
В настоящее время Дерек Фрей (Derek Fray), специалист по химии материалов из Университета Кембриджа (Великобритания) (the University of Cambridge, UK), и его коллеги нашли потенциально возможное решение проблемы, изменяя течение электрохимического процесса. Этот метод ученые изобрели в 2000 г. для получения металлов и сплавов из оксидов металлов. Он основан на использовании оксидов, аналогичных найденным на Луне, в качестве катода, а анодом служит углерод. Для осуществления технологического процесса в системе электроды помещаются в раствор электролита - расплавленного хлорида кальция (CaCl2), распространенной соли с температурой плавления почти 800 градусов Цельсия.
Эродирующий анод
В ходе процесса происходит отщепление атомов кислорода от частиц окисла металла, которые ионизируются и растворяются в расплавленной соли. Отрицательно заряженные ионы кислорода двигаются через расплав соли к аноду, где они отдают свои внешние электроны и взаимодействуют с углеродом с образованием углекислого газа. В результате этого процесса происходит разрушение анода, а чистый металл осаждается на катоде.
Чтобы система производила кислород, а не углекислый газ, Фрею понадобилось сделать инертный анод, что было крайне важно, поскольку, по мнению изобретателя, «без таких анодов это не работает». Он обнаружил, что титанат кальция, сам по себе являющийся слабым проводником электрического тока, стал намного лучшим проводником при добавлении к нему небольшого количества рутената кальция. Из этого соединения и был сделан анод, который незначительно разрушается лишь через 150 часов работы реактора. Фрей вычислил, что анод будет стираться примерно на 3 см в год.
В своих опытах Фрей и его команда использовали модель лунной породы, так называемую JSC-1, созданную NASA. Фрей предполагает, что трех реакторов, каждый высотой в один метр, будет достаточно, чтобы производить тонну кислорода в год на Луне. Для получения каждой тонны кислорода необходимо три тонны породы. В экспериментах исследователи наблюдали почти 100%-ое восстановление кислорода. Фрей представил эти результаты на прошлой неделе на Конгрессе Международного Союза чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в Глазго (Congress of the International Union of Pure and Applied Chemistry in Glasgow).
Фрей отмечает, что для нагрева реактора на Луне понадобится лишь небольшое количество энергии, а сам реактор может быть термоизолирован для предотвращения потери энергии. «Это не составит проблемы», – говорит он. Этим трем реакторам понадобится примерно 4,5 киловатта энергии, что не намного больше, чем для нагрева спирали домашнего бойлера. Такое количество энергии может быть обеспечено солнечными батареями или даже маленьким ядерным реактором, помещенными на Луне.
Фрей говорит, что при увеличении суммы еще на 10 млн. евро он смог бы создать опытный образец более мощного реактора, которым можно будет управлять дистанционно. В настоящее время он работает в данном направлении совместно с Европейским Космическим Агентством (European Space Agency).
Самосборка
Подобная технология для получения кислорода разрабатывается и Дональдом Сэдоуэем (Donald Sadoway) в Массачусетском технологическом институте в Кембридже, в штате Массачусетс (Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts), но в ней процессы осуществляются при значительно более высокой температуре (свыше 1600 градусов Цельсия). Это подразумевает, что лунная порода является расплавленной массой и сама по себе может служить в качестве электролита. Она содержит расплавленный металл, в том числе и железо, находящийся на дне породы. Фрей говорит, что его технология более эффективна, поскольку осуществляется при более низкой температуре, но Сэдоуэй утверждает, что для осуществления электролиза расплавленной соли (так называется метод) требуется дополнительная высокая температура. «В процессе Дерека расплавление соли дает возможность действовать в диапазоне намного более низких температур, но остается необходимость консолидации лунной породы в твердый конгломерат. И это очень трудная задача, поскольку лунная порода имеет исключительно песчаную природу», – считает Сэдоуэй.
Реактор Сэдоуэя способен к самоорганизации. Внутренней частью мог бы служить реголит, порошкообразный щебень (который формирует поверхность Луны), нагретый с помощью электричества для превращения в расплав. Внешняя часть реактора может быть образована твердым охлажденным реголитом. «Мы формируем стенку реактора посредством замораживания расплавленного реголита», – говорит Сэдоуэй. Но он признает, что для запуска процесса имеются определенные препятствия.
Исследователь также отмечает, что при достаточном финансировании он смог бы усовершенствовать свою технологию в течение двух лет. Его проект был внесен в список допущенных к конкурсу проектов NASA и получает некоторое финансирование от Агентства. «Как только мы решим финансовые вопросы в лабораторном масштабе, мы сможем двигаться вперед гораздо быстрее», – заключает он.
По материалам
NatureNews со ссылкой на первоисточник Chen, G. Z. et al., Nature 407, 361-364 (2000).
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
