Er ontstaat een nieuwe ruimtewedloop tussen de Verenigde Staten en China. In tegenstelling tot vijftig jaar geleden gaat het niet langer alleen om het landen en weer vertrekken, maar om het opzetten van een basis die een duurzame aanwezigheid en langdurige verblijven op het oppervlak van onze maan mogelijk maakt. Het doel is nu om de maan te gebruiken als proeftuin voor technologieën die ons in staat zullen stellen verder te reizen, met name naar Mars.
Een van deze sleuteltechnologieën is het gebruik van 'in-situ resource utilization' (ISRU), waarbij ter plaatse beschikbare hulpbronnen worden gebruikt om de voor menselijke activiteiten noodzakelijke verbruiksgoederen te produceren: zuurstof, water, raketbrandstof of bouwmaterialen. Door deze essentiële goederen rechtstreeks op de maan te produceren, zal het mogelijk zijn om de massa van de vanaf de aarde verzonden lading aanzienlijk te verminderen, waardoor de logistieke en financiële kosten van ruimteverkenning worden verlaagd. In plaats van deze grondstoffen van de aarde te importeren, is het doel te leren hoe we op de maan kunnen leven.
Het afbreken van maanstof om zuurstof te winnen
Nu de mensheid op het punt staat om op duurzame wijze terug te keren naar de maan, ontpopt ISRU zich als een strategisch speerpunt. Een van de grootste uitdagingen is het produceren van zuurstof uit regoliet, de bodemlaag die de maan bedekt en voornamelijk bestaat uit kleine steenfragmenten en stof. De samenstelling van regoliet is complex en bestaat voornamelijk uit verschillende mineralen (plagioklaas, pyroxeen, olivijn) die zelf bestaan uit een mengsel van metaaloxiden, chemische verbindingen waarin zuurstof is gebonden aan een ander element, zoals silicium, ijzer of calcium. Ongeveer 40 tot 45% van de massa van regoliet bestaat uit zuurstof, waardoor het het meest voorkomende element op het maanoppervlak is. Zuurstof is alomtegenwoordig, maar komt niet in gasvorm voor zoals in de atmosfeer van de aarde. Om de zuurstof vrij te maken, moeten de chemische bindingen die het aan andere elementen in de oxiden van de maangrond binden, worden verbroken.
Een van de overwogen methoden is pyrolyse, een chemische reactie waarbij materialen onder hoge temperaturen worden afgebroken tot vluchtige verbindingen. Wanneer deze methode op regoliet wordt toegepast, kan het materiaal zodanig worden verhit dat de metaaloxiden verdampen en uiteenvallen in zuurstof en metalen. Op de maan zou thermische energie worden geleverd door middel van zonneconcentratie, een proces waarbij spiegels of lenzen worden gebruikt om zonlicht op een klein gebied te concentreren. De stralen komen dan samen in een bundel, waardoor de energie wordt geconcentreerd op een brandpunt waar de temperatuur enkele duizenden graden kan bereiken. Deze methode maakt ook gebruik van het vacuüm op de maan, een omgeving die reacties waarbij gas vrijkomt bevordert. Dit zou de hoeveelheid energie die nodig is voor de reactie verminderen.
De zonneoven: een effectieve en goedkope methode
De maan biedt een omgeving die bijzonder geschikt is voor zonnepyrolyse. Omdat er geen atmosfeer is, is de druk aan het oppervlak extreem laag, in de orde van grootte van 10-15 bar. De afwezigheid van een atmosfeer biedt nog een tweede voordeel: zonnestraling kan niet door de atmosfeer worden geabsorbeerd of door wolken worden tegengehouden. Hierdoor zijn de geconcentreerde zonnestralingen hoger dan op aarde. Bovendien zijn bepaalde geografische gebieden op de zuidpool tot 90% van de tijd blootgesteld aan zonlicht. Door het vacuüm op de maan te combineren met systemen voor zonneconcentratie kan dus een relatief eenvoudig, robuust en potentieel effectief proces worden ontworpen voor het winnen van zuurstof uit regoliet.
In het Laboratory of Processes, Materials, and Solar Energy (PROMES-CNRS), een leider op het gebied van zonneconcentratietechnologieën, hebben onderzoekers met succes het basisconcept van pyrolyse gedemonstreerd, waarmee de weg is vrijgemaakt voor de mogelijke toekomstige toepassing ervan op de maan. Het laboratorium, gelegen op de locatie van 's werelds grootste zonneoven in Odeillo in de Franse Pyreneeën (regio Occitanie), beschikt over unieke experimentele faciliteiten die zijn gewijd aan de studie van processen bij hoge temperaturen. Tot deze faciliteiten behoren parabolen met een diameter van twee meter die zonlicht 10.000 keer kunnen concentreren op een punt met een diameter van ongeveer 2 cm, waarbij temperaturen van meer dan 3.000 °C worden bereikt.
Deze energie drijft de pyrolysereactor aan, een vacuümkamer die is ontworpen om monsters van materialen die maanregolith nabootsen bloot te stellen aan geconcentreerde zonnestraling. De simulatiepellets worden op een koperen drager geplaatst, terwijl een parabolische spiegel het zonlicht in de reactor bundelt om ze te verwarmen. Een vacuümpomp houdt de druk op ongeveer 10 millibar. Een elektrochemische cel meet continu de zuurstofconcentratie in de reactor. Het monster wordt vervolgens geleidelijk verwarmd en begint te smelten bij ongeveer 1.200 °C. De regoliet bereikt vervolgens temperaturen van ongeveer 2.000 °C. Onder deze omstandigheden beginnen de oxiden in het monster te verdampen en te dissociëren, waarbij zuurstof vrijkomt.
Andere stoffen dan zuurstof
Bij de eerste tests werd 35 mg zuurstof gewonnen uit een pellet van 3,38 g, wat neerkomt op ongeveer 1% van de totale massa. Dit komt overeen met 2,5% van de zuurstof die in het regoliet-simulatiemateriaal aanwezig was. Na afloop van het experiment blijft er in plaats van de regoliet-pellet een glazen bolletje over. Het deel van de regoliet dat tijdens het experiment verdampte, condenseert op de koude wanden van de reactor in de vorm van minerale verbindingen. Deze verbindingen worden verzameld om ze te karakteriseren en hun chemische samenstelling te bepalen. Na pyrolyse heeft de gevormde glazen bol een andere chemische samenstelling dan de oorspronkelijke regoliet-simulant. De vluchtige oxiden, die tijdens het proces zijn ontsnapt, zijn minder geconcentreerd, terwijl niet-vluchtige oxiden meer geconcentreerd zijn. De meest vluchtige stoffen werden aangetroffen in de afzettingen op de reactorwanden, waar ze tijdens de pyrolyse waren gecondenseerd. Deze waarneming suggereert dat pyrolyse ook kan worden gebruikt als een methode om oxiden in regoliet te scheiden via een destillatie-achtig principe. Deze bijproducten zouden kunnen worden gebruikt om direct op de maan structuren, gereedschappen of bouwmaterialen te vervaardigen, waardoor de autonomie van toekomstige maanmissies wordt vergroot.
Van conceptbewijs naar echte omstandigheden
Deze eerste tests hebben een opbrengst opgeleverd, maar die blijft laag. De volgende ontwikkelingsstappen zijn erop gericht de druk in de reactor te verlagen om de omstandigheden op de maan te benaderen. Een lagere druk zou de voor pyrolyse benodigde temperaturen moeten verlagen, waardoor het monster volledig kan verdampen en de opbrengst toeneemt. Vervolgens zal het ook relevant zijn om verschillende soorten regoliet te testen, evenals de afzonderlijke mineralen en oxiden waaruit deze bestaan, om de chemie van de reacties beter te begrijpen. De pyrolysereactor zal gedurende het grootste deel van de maan-dag continu moeten werken. Het proces kan nog worden geoptimaliseerd. Een nauwkeurigere temperatuurregeling zou een beter beheer van de reacties mogelijk maken en de opbrengst ervan verbeteren. Een efficiëntere gasopvang zou erop gericht zijn het zuurstofverlies tot een minimum te beperken. We hopen ook thermische verliezen te verminderen door een smeltkroes te gebruiken en deze te isoleren. Ten slotte zou een betere condensatie van bijproducten helpen om de materialen die tijdens de pyrolyse worden gevormd, naast zuurstof, te identificeren en te benutten.
Het gehele systeem (reactor, spiegels en zonneconcentratie-inrichtingen) moet bovendien robuust en betrouwbaar zijn en bestand zijn tegen de extreme omstandigheden van de maanomgeving: schurend stof, straling en grote temperatuurschommelingen. Ten slotte moet de geproduceerde zuurstof worden opgeslagen, gezuiverd om deze te scheiden van andere elementen die in het gas aanwezig kunnen zijn, en gebruikt. Er moet ook worden nagedacht over de logistiek van de toevoer van regoliet naar de reactor, of het nu gaat om de winning, het transport of het gebruik na verwerking. Zonnevacuümpyrolyse is een methode die bijzonder goed geschikt is voor de omstandigheden op de maan. Deze methode maakt gebruik van het natuurlijke vacuüm op de maan, vereist weinig geïmporteerde grondstoffen en maakt gebruik van zonne-energie, die op de maan zonder atmosfeer in overvloed aanwezig is. Tests in Odeillo hebben de haalbaarheid van het concept al aangetoond, maar de opbrengsten moeten nog worden verbeterd en de technische uitdagingen blijven aanzienlijk. Door lokaal zuurstof en materialen te produceren, zou het proces toekomstige maanbasissen ondersteunen en hun afhankelijkheid van de aarde verminderen.
Bron: Phys.org
