Начинается космическая эпоха ISRU25.05.2021 07:50

Страшновато выглядящая аббревиатура ISRU (In-Situ Resource Utilization) переводится как «использование местных ресурсов». Может быть, в русском языке станет привычной аббревиатура ИМР, а может, и нет. Она означает добычу и производство нужных ресурсов, топлива, строительных материалов, воды и кислорода для людей, из местных —  лунных, марсианских или астероидных материалов, вместо того, чтобы везти все с Земли. В 2021 году первый демонстратор технологии успешно начал работать на Марсе, запланированы новые миссии, и на Земле испытываются разнообразные прототипы.

В реальных условиях

По правому борту марсохода Perseverance установлен технологический демонстратор производства кислорода из углекислоты марсианской атмосферы MOXIE. Название собрано из букв описания назначения агрегата, а еще это черта характера — дерзость, решительность, инициатива.

Установка работает, засасывая через HEPA-фильтр марсианскую атмосферу, сжимает ее примерно в 100 раз спиральным компрессором, нагревает до 800° C и подает на распечатанный на 3D-принтере блок твердооксидного электролиза. В нем молекула углекислого газа на пористом катоде теряет атом кислорода, уходящий через твердотельный электролит (Стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония YSZ) на анод. В целом из двух молекул углекислого газа CO2 получается две молекулы угарного газа CO и молекула кислорода O2.

Необходимо отметить, что MOXIE пришлось адаптировать к возможностям марсохода. Например, спиральный компрессор был вынужденной мерой, чтобы уложиться в ограничения размера, веса и энергопотребления. И если простым увеличением ячеек можно линейно наращивать производительность блока электролиза, то компрессор масштабируется только в 10 раз, а дальше уже придется искать другие варианты. Несмотря на старания инженеров, MOXIE потребляет в три раза больше электричества, чем производит радиоизотопный термоэлектрический генератор Perseverance, поэтому в течение марсианского года его собираются включать всего десять раз (с возможным, а, точнее, ожидаемым, продолжением миссии). На первом этапе будут изучаться в реальных условиях характеристики конструкции, на втором ее проверят в разных погодных условиях, а на третьем инженеры собираются поэкспериментировать, например, сравнивая работу при разных температурах. Ожидается, что MOXIE будет способен производить до 10 грамм кислорода в час.

20 апреля агрегат включили в первый раз. Он получила примерно 5 грамм кислорода, человеку этого хватило бы примерно на десять минут, а уж про ракетные двигатели и говорить не приходится. Но, как говорится, лиха беда начало — MOXIE даст опыт применения установки в реальных марсианских условиях. И знания о том, как изменятся характеристики HEPA-фильтра, когда он забьется или в каком виде проявит себя деградация электролизных ячеек, пригодятся годы спустя при проектировании уже «серьезных» установок.

Скоро на Луне

Европейское космическое агентство собирается в 2025 году отправить на Луну автоматическую межпланетную станцию с технологическим демонстратором использования местных ресурсов. 12 мая оно объявило, что заключило контракт с бельгийским стартапом Space Applications Services на создание трех экспериментальных установок для производства кислорода из лунного реголита.

Известно, что лунный реголит содержит до 45% кислорода, при этом остальное тоже ценно: кремний, железо, кальций, алюминий, титан. Space Applications Services должны будут реализовать две технологии добычи кислорода: FFC Кембриджский процесс и водородное восстановление ильменита.

FFC Кембриджский процесс (FFC — по первым буквам фамилий изобретателей) был придуман в конце 90-х и представляет собой электролиз в присутствии расплавленных солей кальция. Лунный реголит загрузят в ванну с расплавом хлорида кальция CaCl2. Оксиды металлов восстановятся (изначально процесс предлагался для производства титана в земных условиях) на катоде, а на аноде будет получаться чистый кислород.

Водородное восстановление ильменита является еще одной перспективной технологией. Если в Кембриджский процесс можно загружать реголит прямо с поверхности, то здесь требуется отделить ильменит (титанистый железняк) от оливина, анортита и пироксена. Затем ильменит FeTiO3 помещается в закрытый сосуд с водородом и нагревается. Получается железо, диоксид титана и вода. Воду затем разлагают электролизом на водород и кислород. Водород идет на восстановление новой порции ильменита, а кислород можно использовать для своих целей.

Ожидается, что Space Applications Services продемонстрируют на Луне полный и масштабируемый технологический процесс, пригодный для будущих миссий.

Космический экскаватор

Помимо непосредственно производящих кислород и другие полезные ресурсы заводов, нужна и служебная техника, которая бы занималась добычей и транспортировкой. И в NASA уже много лет разрабатывают концепт одновременно ровера с высокой проходимостью, бульдозера и погрузчика. Называется он RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot). В первой версии, упоминания о которой относятся к 2013, он был гусеничным, а вторая версия стала колесной. Интересно, что барабаны по краям служат одновременно ковшом экскаватора, кузовом самосвала и даже колесами. На испытаниях ровер перемещался по крайне пересеченной местности, копал траншеи и возил грунт. Сложно сказать, как будут выглядеть космические экскаваторы и самосвалы через век, но уже испытанные конструктивные решения RASSOR имеют высокие шансы на реализацию.

Прочие проекты

В 2021 году NASA выделило $45 миллионов по программам SBIR/STTR 289 компаниям малого бизнеса и 47 научным учреждениям. Примерно 11% связаны с 3D-печатью, и некоторые относятся к ISRU — проекты производства блоков для посадочных площадок, разработка связывающего агента для производства строительных материалов на Луне, добыча кислорода и прочих ресурсов из реголита и др. Напомню, что недавно я рассказывал про испытания распечатанной на 3D-принтере посадочной площадки и то, что компания ICON занялась созданием лунной строительной техники.

Европейское космическое агентство экспериментировало со спеканием реголита концентрированным солнечным светом.

SpaceX, которой для проекта Starship критично создание инфраструктуры по производству топлива на Марсе (без дозаправки корабль не может вернуться), пока что занимается более приоритетными делами. В ноябре 2020 Маск рассказал, что работа над технологиями использования местных ресурсов могут начаться уже в конце 2021 года, в зависимости от того, насколько успешно пойдут испытания прототипа Starship. Учитывая несколько красивых взрывов последнего в первой половине 2021 логично предположить, что сроки уже сдвинулись на 2022. Наиболее вероятным вариантом является реакция Сабатье — углекислый газ реагирует с водородом в присутствии катализатора и на выходе получается метан и вода. Водород можно получать электролизом воды из продуктов реакции и доступного в изобилии на Марсе водяного льда

Если задуматься, в глобальном смысле современная космонавтика похожа на пикник или туризм — взяли с собой все необходимое, сходили в космос и вернулись назад. Именно технологии ISRU вместе с замкнутыми системами жизнеобеспечения превратят человечество из туриста в полноценного жителя космоса.