[Перевод] Сколько энергии потребуется, чтобы превратить Луну в заправочную станцию
Получение кислорода из реголита требует 24 кВт*ч на килограмм, и нам потребуются тонны
Если человечество когда-нибудь начнёт распространяться по Солнечной системе, нам понадобится придумать способ заливать топливо в ракеты не только в уютном пространстве стартовой площадки на Земле. Один из вариантов — низкая околоземная орбита, преимущество которой в том, что она расположена очень близко к стартовым площадкам. Но у неё есть существенный недостаток: для того, чтобы избежать земного притяжения, требуется много энергии — требуется истратить много топлива, чтобы вывести на орбиту значительно меньшее количество топлива.
Одна из альтернатив — производство топлива на Луне. Мы знаем, что там есть водород и кислород, да и гравитацию Луны гораздо легче преодолеть, а значит, больший процент того, что мы там производим, можно будет использовать для отправки грузов вглубь Солнечной системы. Но есть и компромисс: любую инфраструктуру по производству топлива, скорее всего, придётся строить на Земле и отправлять на Луну.
Сколько инфраструктуры для этого потребуется? В исследовании, опубликованном в PNAS, оцениваются энергетические затраты на производство кислорода на Луне и выясняется, что они весьма значительны: около 24 кВт*ч на килограмм. Звучит неплохо, пока не начнёшь задумываться о том, сколько килограммов нам в итоге понадобится.
Освободите кислород!
Математика, которая делает заправку с Луны привлекательной, довольно проста. «Как правило, — пишут авторы нового исследования на эту тему, — ракеты, запущенные с Земли и направляющиеся в [точку лагранжа Земля-Луна 1], должны сжечь ~25 кг топлива для доставки одного килограмма полезной нагрузки, тогда как ракеты, запущенные с Луны в [точку лагранжа Земля-Луна 1], должны сжечь всего ~четыре килограмма топлива для доставки одного килограмма полезной нагрузки». Отлёт из точки Лагранжа Земля-Луна в более глубокие районы Солнечной системы также требует меньше энергии, чем отлёт с низкой околоземной орбиты, а значит, топливо, которое мы получим там, в конечном итоге окажется более полезным, по крайней мере, с точки зрения изучения космоса.
Но, конечно, для этого нужно сначала произвести топливо. Очевидным выбором для этого является вода, которую можно расщепить, получив водород и кислород. Мы знаем, что на Луне есть вода, но пока не знаем, сколько её там и сконцентрирована ли она в крупных месторождениях. Учитывая эту неопределённость, люди обратили внимание и на другие материалы, которые, как мы знаем, в изобилии присутствуют на поверхности Луны.
И, пожалуй, нет ничего более обильного на этой поверхности, чем реголит — пыль, оставшаяся после постоянных мелких ударов, которые со временем распылили лунные породы. Реголит состоит из множества минералов, многие из которых содержат кислород, обычно являющийся более тяжёлым компонентом ракетного топлива. И разные люди уже рассчитали химию, связанную с выделением кислорода из этих минералов в масштабах, необходимых для производства ракетного топлива.
Но знать химию — это одно, а понимать, какая инфраструктура необходима для осуществления этой химии в значимых масштабах — это другое. Чтобы понять это, исследователи решили выделить кислород из минерала под названием ильменит, или FeTiO3. Это не самый простой способ получения кислорода — оксиды железа были бы предпочтительнее, —, но он хорошо изучен. Кто-то запатентовал способ получения кислорода из ильменита ещё в 1970-х годах, и уже разработаны два прототипа оборудования, один из которых может быть отправлен на Луну в рамках будущей миссии НАСА.
Исследователи предлагают систему, которая будет собирать реголит, частично очищать ильменит, затем соединять его с водородом при высоких температурах, что приведёт к выделению кислорода в виде воды, оставляя очищенное железо и титан (и то, и другое может быть полезным). Полученную воду можно будет расщепить, чтобы вернуть водород в систему, а кислород отправить для использования в ракетах.
(Это не решит проблему того, а что этот кислород должен будет окислять, чтобы получилось топливо для ракеты. Но кислород, как правило, является самым тяжёлым компонентом ракетного топлива — обычно он отбирает около 80% массы — и поэтому его доставка на склад топлива представляет собой большую проблему).
Очевидно, что этот процесс потребует создания множества дополнительных устройств, таких как комбайны, сепараторы, высокотемпературные реакционные камеры и многое другое. Но исследователи сосредоточены на одном элементе: сколько энергии он будет высасывать?
Больше энергии!
Чтобы всё рассчитать, исследователи сделали несколько упрощающих предположений. В частности, предполагалось, что ильменит можно очистить от сырого реголита и что он будет присутствовать в достаточно мелких частицах, чтобы около половины материала участвовало в химических реакциях. Они игнорировали как возможность получения ещё большего количества кислорода из присутствующих оксидов железа и титана, так и возможность загрязнения проблемными материалами, такими как сероводород или соляная кислота.
Команда обнаружила, что почти вся энергия расходуется на трёх этапах процесса: высокотемпературная реакция с водородом, в результате которой образуется вода (55%), последующее расщепление воды (38%) и преобразование полученного кислорода в жидкую форму (5%). Типичный общий расход, в зависимости от таких факторов, как концентрация ильменита в реголите, составил около 24 кВт*ч на каждый килограмм жидкого кислорода.
Очевидно, что эти цифры зависят от того, насколько эффективно вы сможете нагревать реакционную смесь. (Возможно, этот нагрев можно осуществлять с помощью концентрированной солнечной энергии, полностью избегая использования электричества, но авторы не анализировали этот вопрос). Однако этот метод также чувствителен к менее очевидным эффектам. Например, при более эффективном отделении ильменита от остального реголита меньше энергии будет использоваться для нагрева загрязняющих веществ. Поэтому, хотя энергетические затраты на такое разделение невелики, оно окупается, если проводить его эффективно.
На основе орбитальных наблюдений исследователи составили карту районов, где ильменит присутствует в достаточно высоких концентрациях, чтобы такой подход имел смысл. В их число входят некоторые моря на ближней стороне Луны, так что добраться до них не составит труда.
Сами по себе 24 кВт*ч не кажутся большим количеством энергии. Проблема в том, что нам понадобится много килограммов. По подсчётам исследователей, для того чтобы доставить пустой звездолёт SpaceX с поверхности Луны в точку Лагранжа Земля-Луна, требуется 80 тонн жидкого кислорода. А полностью заправленный звездолёт может вместить более 500 тонн жидкого кислорода.
Мы можем сравнить это с солнечной батареей на Международной космической станции, мощность которой составляет около 100 кВт. Это означает, что она может обеспечить производство около четырёх килограммов кислорода в час. При такой скорости на производство тонны кислорода уйдёт чуть больше 10 дней, а на доставку пустого звездолёта к точке Лагранжа — чуть больше двух лет при условии круглосуточного производства. Находясь на ближней стороне, они будут производить только половину времени, учитывая лунный день.
Конечно, мы можем построить и более крупные массивы батарей, но это увеличит количество материалов, которые нужно будет отправлять на Луну с Земли. Потенциально более разумным может оказаться использование ядерной энергии. Хотя это, скорее всего, потребует большей инфраструктуры, чем солнечные батареи, это позволит объектам работать круглосуточно, тем самым получая больше продукции из всего остального, что мы отправили с Земли.
Эта статья не претендует на то, чтобы стать последним словом о возможностях лунной дозаправки; это просто ранняя попытка представить чёткие расчёты по поводу, возможно, лучшего способа исследования нашей Солнечной системы. Тем не менее, она даёт некоторое представление о том, сколько усилий нам придётся приложить для того, чтобы такое исследование стало возможным.
