یکی از بزرگ‌ترین موانع در مسیر ایجاد یک پایگاه بلندمدت در ماه، همواره کمبود آب بوده است. اما مطالعه‌ای جدید، دستگاهی را توصیف می‌کند که با گرم کردن خاک ماه، مولکول‌های آب را از آن استخراج می‌کند و سپس، در همان محفظه، از این آب برای تبدیل دی‌اکسید کربن بازدمی به اکسیژن و سوخت استفاده می‌شود.
لو وانگ از دانشگاه چینی هنگ‌کنگ می‌گوید:
«هرگز تصور نمی‌کردیم که خاک ماه چنین «جادویی» در دل خود داشته باشد.»
کاهش نیاز به ارسال منابع از زمین
پژوهشگران می‌گویند این روش یک‌مرحله‌ای می‌تواند به‌طور چشمگیری از میزان منابع موردنیاز برای حمل از زمین بکاهد. این مزیت، راه را برای اقامت‌های طولانی‌تر در سطح ماه هموار می‌کند.
ارسال آب از زمین: راهی گران و ناپایدار
هزینه‌های نجومی
فرستادن آب به فضا هزینه‌بر است. ناسا پیش‌تر اعلام کرده بود که هزینه ارسال هر گالن آب به مدار زمین حدود ۸۳،۰۰۰ دلار است.
هر فضانورد به‌طور میانگین روزانه چهار گالن آب مصرف می‌کند، بدون در نظر گرفتن آب موردنیاز برای بهداشت، آشپزی یا پرورش گیاه. در یک مأموریت شش‌ماهه، مقدار موردنیاز آب برای تنها یک نفر، به‌اندازه بار یک کشتی خواهد بود.
راه‌حل: استفاده از منابع موجود در محل (ISRU)
با وجود کاهش هزینه پرتاب‌ها، حتی ارزان‌ترین گزینه‌های تجاری نیز هزاران دلار برای هر پوند بار دریافت می‌کنند. همین موضوع باعث شده سازمان‌های فضایی به سمت استفاده از منابع محل (ISRU) پیش بروند. به‌جای حمل مواد از زمین، باید از مواد موجود در همان سیاره یا قمر استفاده کرد.
آب پنهان در خاک ماه
کشف آب در نمونه‌های مأموریت چانگ‌ئه ۵
در سال ۲۰۲۰، مأموریت چانگ‌ئه ۵ نمونه‌هایی خاکستری از منطقه Oceanus Procellarum بازگرداند. بررسی این نمونه‌ها نشان داد که در هر یک میلیون بخش خاک، حداقل ۱۷۰ بخش شامل مولکول‌های آب است.
چگونگی تشکیل رطوبت در ماه
بیشتر این رطوبت در اثر برخورد پروتون‌های باد خورشیدی با اتم‌های اکسیژن روی سطح ماه ایجاد می‌شود. این فرآیند باعث شکل‌گیری مولکول‌های هیدروکسیل و آب می‌شود که به کریستال‌های شیشه و سیلیکات می‌چسبند.
نکته جالب اینکه این پدیده در مناطقی با نور خورشید، حتی عرض‌های میانی ماه نیز رخ می‌دهد؛ نه‌فقط در قطب‌های یخی معروف.
چالش غلظت پایین آب
برای استخراج مقدار قابل‌توجهی آب، باید چندین تُن خاک گرم شود تا فقط یک سطل آب به‌دست آید. با این حال، مزایای استخراج آب همچون حفظ حیات، محافظت در برابر تشعشع، و تولید سوخت، ارزش این تلاش را دارد.
تولید آب و سوخت با استفاده از انرژی خورشید
روش فتوترمال کاتالیز
نمونه اولیه دستگاه جدید از روش کاتالیز فتوترمال بهره می‌برد. در این روش، نور خورشید روی یک راکتور سرامیکی سیاه متمرکز می‌شود تا دیواره‌های داخلی آن به دمای بیش از ۱۸۰۰ درجه فارنهایت برسد. در این دما، آب‌های به دام افتاده در خاک بخار می‌شوند.
فرآیند هم‌زمان تولید اکسیژن و سوخت
این حرارت همچنین باعث کاهش دی‌اکسید کربن می‌شود. هیدروژن آزاد شده با CO₂ ترکیب می‌شود و منوکسید کربن تولید می‌کند، درحالی‌که اکسیژن باقی‌مانده برای تنفس یا سوخت‌گیری آزاد می‌شود.
استفاده از خاک واقعی ماه در آزمایش
در آزمایش‌ها از غبار بازگشتی مأموریت چانگ‌ئه ۵ و نمونه‌های مصنوعی استفاده شد. نور خورشید از طریق یک پنجره کوارتزی وارد راکتور می‌شد. با افزایش شدت نور، نرخ واکنش بالا رفت و تأیید شد که انرژی خورشید به‌خوبی جایگزین گرم‌کن الکتریکی است.
طراحی فشرده و کارآمد
در این طراحی، هیچ پمپ یا قطعه متحرکی با خاک تماس ندارد. به همین دلیل، دستگاه جمع‌وجور باقی می‌ماند. یک فرودگر در اندازه یخچال می‌تواند صدها پوند خاک را در هر بامداد قمری پردازش کند.
نقش ایلمنیت در افزایش بازدهی آب و سوخت
خواص منحصر به‌فرد ایلمنیت
ایلمنیت، یک اکسید آهن-تیتانیوم است که رنگ تیره به دشت‌های بازالتی ماه می‌دهد. این ماده، علاوه بر داشتن اتم‌های آهن برای کمک به انتقال الکترون‌ها در فرآیند تبدیل دی‌اکسید کربن، میزبان خوبی برای هیدروژن است.
بازدهی بالا در آزمایشگاه
طبق آزمایش‌های آزمایشگاهی، یک تُن خاک غنی از ایلمنیت می‌تواند حدود ۵۰ تا ۷۶ کیلوگرم آب آشامیدنی تولید کند؛ مقداری که برای تأمین نیاز روزانه ۵۰ نفر کافی است.
محصول جانبی ارزشمند: آهن فلزی
پس از پردازش، خاک باقی‌مانده شامل آهن فلزی است که می‌تواند برای ساخت‌وساز یا محافظت در برابر پرتوها استفاده شود. مهندسان می‌توانند از همان خاک، هم پرتوگیر بسازند، هم آب و سوخت تولید کنند.
نیاز به نقشه‌برداری دقیق منابع
داده‌های ماه‌نگاری نشان می‌دهند که منابع ایلمنیت بیشتر در دشت‌های بازالتی یافت می‌شوند. بنابراین، برای مکان‌یابی راکتورهای آینده، نیاز به نقشه‌برداری دقیق و شاید حتی بولدوزر خواهیم داشت.
چالش‌ها باقی مانده‌اند، اما پیشرفت واقعی است
شرایط سخت ماه
در ماه، روزها تجهیزات تا دمای ۲۶۰ درجه فارنهایت گرم می‌شوند و شب‌ها به ۲۸۰- درجه می‌رسند؛ این نوسان می‌تواند واشرها را ترک داده، لنزها را دفرمه کند. تابش‌های کیهانی نیز به مرور، ذرات باردار را به تراشه‌ها می‌کوبند و آن‌ها را فرسوده می‌کنند.
گرد و غبار، دشمن ابزارها
دانه‌های ریز خاک به همه‌چیز می‌چسبند، مفاصل را می‌سایند و فیلترها را می‌بندند. ترکیب خاک هم از دهانه‌ای به دهانه دیگر متفاوت است، پس راکتورها باید قابلیت تنظیم سریع داشته باشند.
آینده روشن با وجود چالش‌ها
نویسندگان مقاله تأکید کردند که برای استفاده پایدار از منابع آبی ماه و تحقق اکتشافات فضایی بلندمدت، باید به چالش‌های فنی و هزینه‌های بالای طراحی، اجرا و بهره‌برداری پاسخ داده شود.
با این حال، انگیزه‌ها قوی‌تر از همیشه‌اند. چین قصد دارد تا سال ۲۰۳۵ پایگاهی رباتیک در نزدیکی قطب جنوب ماه احداث کند. برنامه آرتمیس ناسا نیز سفرهای چند هفته‌ای با سرنشین و ایستگاه مداری دائمی را دنبال می‌کند. در این میان، یک دستگاه فشرده که خاک را به هوا و سوخت تبدیل کند، شاید همان قطعه گمشده این رؤیا باشد.
این مطالعه در مجله Joule منتشر شده است.
