Китайські вчені випробували на привезеному апаратом «Чан’е-5» ґрунті з Місяця технологію виготовлення палива і кисню. Його використали як каталізатор для перетворення вуглекислого газу на кисень, водень, метан та ще низку речовин під дією світла. Аналіз зразка ґрунту показав високий вміст сполук заліза і магнію, які мають сприяти такій реакції. Однак поки, за словами дослідників у статті, опублікованій у журналі Joule, характеристики ґрунту не відповідають достатнім для забезпечення майбутніх місячних місій ресурсами безпосередньо з супутника.
Місце посадки капсули з ґрунтом з «Чан’е-5» у Монголії. Xing Jingping / People's Daily Online
Чому вчених так хвилює місячний ґрунт?
На шляху до далеких пілотованих місій у космос або й навіть міграції на інші планети гостро стоїть питання ресурсів. Всього з Землі не доставиш, а додаткові польоти для забезпечення астронавтів необхідним обійдуться вкрай дорого як фінансово, так і за часом. Тому вчені все більше займаються питаннями використання доступних поза Землею ресурсів. І оскільки одним з запланованих пунктів призначення для людини найближчим часом має стати Місяць, то важливо розглянути один з найдоступніших на нашому супутнику матеріалів — місячний ґрунт.
І дослідники наукових інститутів Китаю скористалися привезеними місією «Чан’е-5» зразками, які потрапили на Землю 17 грудня 2020 року. Вчені досліджували зразки під сканувальним електронним мікроскопом, а також за допомогою трансмісійної електронної мікроскопії, рентгенівської фотоелектронної спектроскопії та методу рентгенівської дифракції.
Як перевірити ґрунт на придатність?
Враховуючи, що майбутній спосіб виробництва ресурсів на Місяці має враховувати екстремально низькі температури до -173 та високі до 127 градусів за Цельсієм, ефекти від мікрогравітації, космічного випромінювання і тиску, у своїй роботі вчені вирішили зосередитися на концепції «позаземного фотосинтезу» (extraterrestrial artificial photosynthesis). Вона передбачає заснована на перетворенні вуглекислого газу як продукту життєдіяльності на паливо і кисень, та на відміну від термо- або електрохімічних методів, може послуговуватися лише сонячною енергією.
На думку вчених, цей метод має працювати у широкому діапазоні температур з низьким енергоспоживанням та високою ефективністю перетворення енергії. А каталізатором для реакції може стати місячний ґрунт, зразок якого, власне, і досліджували на ефективність фотогальванічних, електролітичних, фотокаталітичних та фототермічних каталітичних ефектів.
Стратегія, придатність до якої вчені перевіряли зразки з Місяця. Yingfang Yao / Joule, 2022
Аналізований зразок CE-5 визначили як молодий зразок базальту з місячного моря, тобто з вкритої застиглою лавою поверхні, у якому виявилося багато сполук на основі заліза та магнію, як-то ортопіроксен, авгіт та піроксен, однак без компонентів на основі кремнію і алюмінію, як-то плагіоклаз або піжоніт. З виявлених у зразку компонентів для обраної вченими технології підходили ортопіроксен, авгіт, ільменіт, хроміт, рутил і олівін, які можуть бути потенційними компонентами для фототермічного каталізу. Крім того, аналіз вказав на пористість структури зразку, що може збільшити площу реакції для процесів фотосинтезу.
Порівняння китайських зразків, привезених з Місяця, зі зразками, привезеними американським «Аполлоном». Yingfang Yao / Joule, 2022
На що годиться ґрунт на Місяці?
Місячний зразок CE-5 використовувався як анодний електрокаталізатор для реакції виділення кисню, так і як катодний електрокаталізатор для реакції виділення водню. У такому випадку сонячне випромінювання на Місяці, яке приблизно в 1,4 раза більше, ніж на Землі, перетворюватимуть на електричну енергію, яку і можна використати для електролізу. Однак враховуючи втрати на обох етапах цього перетворення енергії, попри те, що на поверхні електродів можна було спостерігати явні бульбашки H2 та O2, що свідчить на користь використання місячного ґрунту, реакції були нестабільними.
Процес електролізу зі зразками ґрунту з Місяця. Yingfang Yao / Joule, 2022
Місячний зразок також вивчався як фототермічний каталізатор гідрогенізації СО2 при температурі, близької до місячного середовища — 150 градусів за Цельсієм. Продукти реакції в основному складалися з метанолу та метану, які можна розглядати як основу для органічного синтезу та компонент палива.
І хоча поточні каталітичні характеристики місячного зразка CE-5 не можуть задовольнити вимоги виживання на Місяці виключно ресурсами супутника, можна досягти значного покращення, якщо розробити способи модифікації складу місячного зразка. Ця робота забезпечує потенційну стратегію створення системи використання ресурсів на місці, яка може пристосуватися до екстремальних місячних температурних умов і потребує лише сонячної енергії, води та місячного ґрунту для реалізації.
На основі цієї системи, вчені сподіваються реалізувати середовище на Місяці з нульовим споживанням енергії та систему життєзабезпечення, яка зможе підтримати місячні дослідження та подорожі на супутник.
За ті два роки, що на Землю потрапив перший за 44 роки зразок місячного ґрунту, вченим вдалося отримати багато нових висновків про наш супутник. Так, наприклад, нові зразки допомогли оновити геохронологічну модель кратерів Місяця. А привезені зразки з Океану Бур виявилися наймолодшими з досі відомих – за ізотопами свинцю вчені оцінили їх у 1,97 мільярда років. Більше про китайські досягнення на Місяці можна почитати у нашому матеріалі «Більше не Піднебесна».