O możliwości wykorzystania regolitu księżycowego do produkcji materiałów

0

Gdy powstanie Obserwatorium Księżycowe (Swings, 1997), a później Międzynarodowa Baza Księżycowa, konieczne stanie się wykorzystanie surowców miejscowych do produkcji materiałów potrzebnych do funkcjonowania bazy, jej rozbudowy oraz transportu (Subotowicz, 1990), bowiem koszt dostarczenia ich z Ziemi pozostanie wysoki. Koszt ten wynosi obecnie ponad 20 000 $/kg, natomiast ziemskie koszty podstawowych materiałów wynoszą: żelazo 0.2 $/kg, tlen 0.5, Si i Mn 1.3, Al. 1.6, Mg 2.5, Ti 8, Cr 15 (dla porównania hafn 600, ren 1 000, złoto 12 000 – dane z 1997 roku). Tak więc każda tona materiału wyprodukowana na Księżycu umożliwi zaoszczędzenie 20 mln $ na kosztach transportu.

Regolit pokrywający powierzchnię Księżyca składa się w ponad 98% z 7 pierwiastków: tlenu, krzemu – 18,9%, żelaza – 15%, wapnia – 7,9%, tytanu – 6,5%, glinu – 5%, magnezu – 4,3% i innych – 1,3% (dane z miejsca lądowania Apollo 11). W mniejszych ilościach występują: sód – 0,4%, mangan, chrom, potas – po 0,2% i siarka 0,06 – 0,21%. Bardzo mało jest pierwiastków lotnych: wodoru 45 – 80 ppm, czyli ok. 0,006%, helu 6 – 60 ppm, węgla 82 – 135 ppm, azotu 60 – 134 ppm (części na milion).

Na powierzchni Księżyca nie ma rud w ziemskim sensie (jako oddzielnych złóż minerałów, zawierających pewne pierwiastki w dużej koncentracji). Są tylko skały: anortozyty, noryty i inne z wyżyn, bazalty i gabra mórz księżycowych oraz ich rozdrobniona na pył i żwir mieszanina zwana regolitem. Anortozyty to niemal czysty anortyt CaAl2Si2O8. Noryty “KREEP” są wzbogacone w porównaniu z bazaltami w potas (do 1% K2O), fosfor i pierwiastki ziem rzadkich, a także uran i tor (do 8 ppm Th) (Wood, 1983). Pod względem mineralogicznym bazalty księżycowe składają się z:

a) piroksenów (50-60%) – są to pirokseny wapniowe Ca(Mg,Fe)Si2O6 o gęstości 3,2-3,5, pirokseny rombowe (Mg,Fe)2Si2O6 gęst. 3,1-3,4 i niewielka ilość oliwinów (Fe,Mg)2 SiO4 gęst. 3,3-4,2;

b) skaleni gęstość 2,5-2,8, ok. 30% – głównie anortyt;

c) ilmenitu FeTiO3 (10-20%), gęst. 4,5-5,0.

Pozostałe minerały występują w mniejszych ilościach: kwarc SiO2<1%, gęst. 2,65; spinel MgAl2O4 gęst. 3,5-3,6; chromit FeCr2O4 gęstość 4,5-4,8; perowskit CaTiO3 gęst. 3,9-4,0; żelazo rodzime Fe o gęstości 7,3-7,9; troilit FeS gęst. 4,6; apatyt Ca5(F,Cl)(PO4)3 gęst. 3,1-3,2 oraz wiele innych minerałów akcesorycznych.

W regolicie mórz występują także szkliwa i zlepione szkliwem brekcje.

Najbardziej celowy wydaje się przerób bazaltów i ewentualnie norytów, dlatego baza powinna znajdować się na terenie morza, w pobliżu wyżyny obfitującej w noryty, np. na Morzu Deszczów lub Oceanie Burz. Na początku zastosowanie znajdzie regolit przetworzony tylko fizycznie:

  • rozdrobniony regolit jako izolacja termiczna bazy;
  • topiony bazalt jako tworzywo konstrukcyjne, twarde i trudno ścieralne.

W następnej kolejności należy podjąć chemiczny przerób gruntu księżycowego, mając na uwadze przede wszystkim pozyskiwanie siedmiu głównych pierwiastków i ewentualnie także Na, K, S, P, Cr, Mn. Najważniejszym produktem będzie tlen, używany nie tylko na potrzeby bazy, ale i jako utleniacz dla rakiet. Kolejna grupa materiałów to metale: Fe, Ti, Al i Mg.

Czyste aluminium stosowane będzie w produkcji powierzchni odbijających światło (lustra) i wykładziny zbiorników na kwasy, odlewnicze stopy z krzemem (siluminy) oraz z magnezem i tytanem (do walcowania i tłoczenia) – na cele konstrukcyjne. Stop z Si, Mg po 0,5% nadaje się na przewody elektroenergetyczne.

Z uwagi na praktyczny brak takich składników stopów jak V, Nb, Ni, Mo, W itp., jako dodatki do stopów tytanu posłużą Al (5-6,5%) i ewentualnie Fe (do 2%). Dodatkami do stopów żelaza mogą być krzem i tytan.

Stopy magnezu z glinem są również dobrymi materiałami konstrukcyjnymi. Magnez posłuży także jako reduktor do otrzymywania rzadszych metali i krzemu. Krzem z kolei posłuży do produkcji ogniw słonecznych i ewentualnie paliw – silanów.

Inna grupa produktów to szkła i materiały ceramiczne. Topiąc oczyszczoną krzemionkę SiO2 można otrzymać szkło kwarcowe, dzięki zaś dodatkom tlenków Na, K, Mg, Ca, Ti – inne szkła o różnych właściwościach. Spiekając mieszaniny tlenków otrzymać można materiały ceramiczne, jak np. Mg2SiO4, Ca2SiO4, MgAl2O4. Z innych materiałów ceramicznych wypada zwrócić uwagę na krzemek tytanu, bardzo twardy, nadający się do wyrobu narzędzi, noży do obróbki skrawaniem i głowic do wierceń. Fosforek glinu AlP może znaleźć zastosowanie jako półprzewodnik. Zastosowanie znajdą także cermetale, tj. spiekane mieszaniny ceramiczno-metalowe.

Także lód obecny w kraterach w pobliżu biegunów Księżyca można byłoby wykorzystać do otrzymywania wodoru i tlenu (gdyby istniał w dostatecznej ilości) – wtedy bazę należałoby umieścić w okolicy bieguna.

Przerób regolitu należy rozpocząć od klasyfikacji (rozdziału według grubości ziarna) i rozdrobnienia w celu otrzymania materiału o w miarę jednolitej wielkości ziaren. Następnie przeprowadzone zostanie sortowanie materiału (np. w osadzarkach hydraulicznych bądź wytrząsarkach) w celu otrzymania frakcji o różnej średniej gęstości (Kępiński, 1984).

Frakcja I (gęstość 4,1) zawierać będzie ilmenit, chromit, żelazo rodzime, troilit, oraz domieszkę bogatego w żelazo oliwinu (fajalit Fe2SiO4 o gęstości 4,2). Dla wzbogacenia tej frakcji można zastosować sortowanie elektromagnetyczne, gdyż troilit, ilmenit, żelazo i chromit mają właściwości magnetyczne.

Przerób chemiczny poszczególnych frakcji powinien zakładać prawie całkowite odzyskiwanie reagentów przywiezionych z Ziemi dla zapewnienia opłacalności procesu.

Działanie gorącym kwasem solnym na frakcję I spowoduje rozkład plagioklazów wapniowych z wydzieleniem osadu SiO2 – w osadzie znajdzie się także ortoklaz KAlSi3O8 i albit NaAlSi3O8. W przesączu pozostanie część sodu i potasu, wapń i glin. Po zneutralizowaniu go wytrąci się Al(OH)3. Dodanie do roztworu kwasu siarkowego spowoduje strącenie wapnia w postaci CaSO4. Obydwa osady praży się, otrzymując tlenki CaO oraz Al2O3 i odzyskując SO3 oraz część wody. Po odparowaniu przesączu otrzymujemy sole sodu i potasu, które rozkładamy elektrolitycznie, otrzymując wodór i chlor (które spalamy na HCl), oraz KOH i NaOH, których część posłuży jako dodatek do szkła, a reszta wróci do obiegu (do neutralizacji pierwszego przesączu). Tlenek glinu rozkładamy metodą elektrolizy stopionych soli (z dodatkiem kryolitu Na3AlF6) na glin i tlen. Elektrody grafitowe stosowane w tym procesie na Ziemi należy zastąpić innymi, nie reagującymi z tlenem ani ciekłym glinem. Otrzymany CaO może być częściowo zużyty jako dodatek do szkła lub na materiały ceramiczne. Osad pierwszy może być też przerobiony na krzem, który oczyszcza się następnie typowymi metodami. Zakładając, że z materiału skalnego uzyskamy połowę zawartego w nim glinu, z 1 tony regolitu otrzymamy 25 kg Al i 22 kg O2, oraz ponad 100 kg szkła.

Przerób frakcji II będzie trudny, gdyż pirokseny nie rozpuszczają się w kwasach, wyjąwszy HF. Można jednak stopić je z alkaliami, a otrzymany stop rozpuścić w kwasie solnym. Otrzymamy roztwór chlorków Fe, Mg, Ca i zastosowanych alkaliów, z domieszkami Al, Mn i innych, a w osadzie znajdzie się SiO2 z domieszką TiO2. Przemyty i wysuszony osad traktuje się stężonym H2SO4, tytan przechodzi do roztworu skąd go odzyskujemy. Czystą krzemionkę przerabiamy na szkło, lub otrzymujemy z niej krzem. Roztwór odparowujemy i pozostałość rozpuszczamy w wodzie. W osadzie pozostają związki Fe, Mg, Al, Mn zaś chlorki Ca i Na rozpuszczają się. Roztwór przerabiamy jak poprzednio, zaś osad dodajemy do frakcji III.

Frakcję III poddajemy redukcji wodorem w wysokiej temperaturze. Tworzącą się wodę rozkładamy elektrolitycznie, wodór wraca do obiegu. A tlen oddzielamy. Otrzymane żelazo (z domieszkami Si, Mn i Ti) należy odgazować w próżni. Stopiona warstwa krzemianów, bogata w tytan i magnez, posłuży do dalszego przerobu. Przy założeniu 15% zawartości FeTiO3 w regolicie, z 1 Mg można otrzymać 55 kg żelaza i 16 kg tlenu. Tak więc, przerabiając tylko frakcje I i III, możemy z tony regolitu otrzymać: 55 kg Fe, 25 kg Al, 38 kg O2 i 100 kg szkła (razem 218 kg).

Przestawiony zarys metody otrzymywania materiałów z regolitu księżycowego wymaga oczywiście uzupełnień. Konieczne będą dalsze prace, teoretyczne i doświadczalne. Ich plan mógłby przedstawiać się następująco:

  • przeprowadzenie prób przerobu ziemskiego bazaltu wyżej opisaną metodą;
  • wytworzenie ze skał i minerałów ziemskich sztucznego regolitu o składzie chemicznym i własnościach fizycznych analogicznych do księżycowego. Podobne prace były prowadzone na Wydziale Geologii Uniwersytetu Warszawskiego (Markert, 1988);
  • przeprowadzenie wstępnych prac doświadczalnych nad otrzymywaniem materiałów ze sztucznego regolitu;
  • analiza teoretyczna uzyskanych wyników i opracowanie szczegółowe metod przerobu;
  • próby doświadczalne przerobu regolitu księżycowego;
  • opracowanie aparatury do przerobu w skali półtechnicznej, określenie potrzeb ilościowych reagentów odzyskiwalnych, ich przewidywanych strat i zapotrzebowania energetycznego procesu.

Piotr Podkowicz, PTA

{module [346]}

UZUPEŁNIENIA

1. Ogrzewając regolit, np. w piecu słonecznym, można wydzielić z niego substancje lotne: H2, He, N2, CO itp. Jest ich jednak niewiele (tysięczne części procenta). W przyszłości można pokusić się o wydobywanie helu 3-4 ppb (części na miliard). Pochodzi on z wiatru słonecznego i może być wykorzystany w reakcji termojądrowej z deuterem. 100 Mg helu-3 wystarczyłoby na pokrycie zapotrzebowania energetycznego całej Ziemi przez rok – a na Księżycu może go być milion ton.

2. Frakcję I regolitu można ogrzewać w piecu słonecznym, aż ulotnią się domieszki (głównie SiO2) i pozostanie CaAl2O4, który rozłożymy elektrolitycznie na Al, Ca i O2.

3. Można także poddać elektrolizie stopiony regolit. Produktami będą tlen, magnez i glin (gazowe), krzem i żelazo (ciekłe) oraz tytan (stały).

4. Poddając stop frakcji II z alkaliami ługowaniu wodą można wydzielać kolejno poszczególne metale: Fe, Mg, Cr itd. w zależności od zmieniającego się pH.

5. Space Engineering Research Center zbudowało jednostkę MOXCE zdolną wyprodukować 0,1 kg tlenu na godzinę z regolitu i planuje budowę większej (MOXCE 2).

6. Produkcja tlenu na Księżycu wystarczy, by zmniejszyć koszty transportu o połowę, jeśli wykorzystamy go do napędu pojazdu transportowego na trasie: orbita okołoksiężycowa – powierzchnia Księżyca.

Załóżmy, że ładunki przywiezione z Ziemi będą przenoszone na pojazd transportowy na niskiej (wysokość 50 km) orbicie okołoksiężycowej. Prędkość konieczna do wejścia na taką orbitę wynosi 1702 m/s (Marks, 1999). Niech rezerwa prędkości będzie równa 10% (170 m/s). Rakieta musi więc rozwinąć przy starcie (i przy lądowaniu) prędkość 1872 m/s. Załóżmy, że zastosowany silnik ma parametry zbliżone do znanego RL-10A-4 (prędkość wylotowa 4,4 km/s, stosunek masowy O2:H2 = 5,5, masa 168 kg, ciąg 92,6 kN). Oczywiście, musi on mieć znacznie większą trwałość. Przy tych założeniach stosunek mas potrzebny do startu z Księżyca wynosi 1,5303, a do startu i lądowania – 2,3418.

Przeprowadzimy teraz porównanie mas dostarczanych z Ziemi na orbitę wokół Księżyca dla dwóch wariantów – pierwszego, w którym całe paliwo na lądowanie i ponowny start pochodzi z Ziemi i drugiego, w którym tylko wodór na lądowanie i start dostarczono z Ziemi, zaś tlen na start i lądowanie pochodzi z księżycowej wytwórni.

Załóżmy, że masa własna pojazdu transportowego wynosi 4 Mg, ładunek lądujący (zaopatrzenie bazy księżycowej) 5 Mg, ładunek startujący (próbki skał, powracający ludzie itp.) 1 Mg. W wariancie I (tabela) łączna ilość paliwa wyniesie 8,831 Mg, w tym wodoru 1,359 Mg i tlenu 7,472 Mg. Zatem dla dostarczenia na Księżyc 5 Mg ładunku z Ziemi trzeba wysłać łącznie 13,831 Mg (ładunek + paliwo). W wariancie II łączne zużycie paliwa wyniesie 10,16 Mg, w tym wodór z Ziemi 1,563 Mg, a tlen z Księżyca 8,597 Mg. Tak więc z Ziemi należy dostarczyć 6,563 Mg (ładunek + wodór). Oznacza to zmniejszenie, w porównaniu z wariantem I, ładunku przywożonego na orbitę okołoksiężycową z Ziemi o 52,5% – o tyle zmaleją koszty transportu!

Oczywiście, przy zastosowaniu innego paliwa (amoniak, metan, nafta) oszczędności te będą mniejsze, ale też godne uwagi.

TABELA I
WARIANT IStartLądowanie
Masa końcowa, Mg511,652
W tym paliwo na start, Mg 2,652
Całkowita masa paliwa, Mg2,6526,179
Masa początkowa, Mg7,65217,831
Przyspieszenie początkowe, m/s212,105,19
Przyspieszenie końcowe, m/s218,527,95
WARIANT II  
Masa końcowa, Mg9,3849,766
W tym tlen na lądowanie, Mg4,384 
Wodór na start, Mg 0,766
Całkowita masa paliwa, Mg4,9795,181
Masa początkowa, Mg14,36314,947
Przyspieszenie początkowe, m/s26,456,20
Przyspieszenie końcowe, m/s29,879,48

7. Silany (krzemowodory) mogą być użytecznym paliwem produkowanym na Księżycu, gdyż surowca – krzemu – tam nie brakuje, a tylko niewielką część ich masy stanowi wodór, który musiałby zostać przywieziony z Ziemi. Są one analogami alkanów, jednak nieco mniej trwałymi – np. monosilan SiH4 rozkłada się w temperaturze 450oC, gdy metan w temp. 800o. Rozkłada je też woda w środowisku alkalicznym z wydzieleniem wodoru. Wyższe silany zapalają się samorzutnie w powietrzu. Silany odznaczają się dużym ciepłem spalania, prędkość wylotowa w mieszaninie z tlenem 3,5 km/s lub więcej. Można otrzymać je w reakcji krzemku magnezu z kwasami, np. H3PO4 lub H2SO4, przy czym wytwarza się mieszanina silanów z przewagą monosilanu:

Mg2Si + 2H2SO4 = 2MgSO4 + (SiH4– Si6H14)

Także w reakcji tetrachlorku krzemu z glinowodorkiem litowym powstaje silan:

SiCl4 + LiAlH4 = LiCl + AlCl3 + SiH4

Krzemek magnezu powstaje w bezpośredniej reakcji magnezu z krzemem. Z MgSO4 można odzyskać magnez i zwrócić do początkowej reakcji. Z mieszaniny silanów należałoby wydzielić wyższe silany (Si4H10 – Si6H14) i rozłożyć je termicznie odzyskując wodór zawracany do obiegu i uzyskując czysty krzem na ogniwa fotowoltaiczne. Mieszanina mono-, di- i trisilanu (85% produktów) posłużyłaby jako wysokoenergetyczne paliwo. Na jedną tonę dostarczonego na Księżyc wodoru uzyskano by ok. 9,2 Mg mieszaniny silanów. Z tej samej ilości wodoru można otrzymać 3,2 razy więcej zestawu silany-tlen, niż zestawu wodór-tlen. Być może celowe byłoby zastosowanie paliwa trójskładnikowego: tlen-wodór-mieszanina silanów, z wykorzystaniem zestawu H2 + O2 w gazogeneratorze napędzającym pompy paliwowe i bezpośrednim wtryskiem silanów do komory spalania.

TABELA 2
Silan – nazwaWzórMdtktwH%H% prod.
MonosilanSiH432,120,600-184,7-112,434,712,640
DisilanSi2H662,220,679-132,5-14,4809,730
TrisilanSi3H892,320,73-117,253928,715
TetrasilanSi4H10122,420,825-93,590 8,210
PentasilanSi5H12152,52  >100 7,95 (Pentasilan + Heksasilan)
HeksasilanSi6H14182,62  >100 7,7

M – masa molowa, g/mol; d – gęstość w stanie ciekłym, g/cm3; tk –  temperatura krzepnięcia, oC; tw – temperatura wrzenia, oC; H – entalpia tworzenia, kJ/mol; %H – zawartość wodoru w silanie w % masowych; % prod. – zawartość silanu w produktach reakcji Mg2Si z kwasem w % masowych.

Literatura dodatkowa:
Berry A. Następne 500 lat, Amber, Warszawa 1997.
Kępiński J.  Technologia chemiczna nieorganiczna, PWN, Warszawa 1997.
Markert A.  Geologia planetarna w Polsce, Astronautyka nr /1980.
Marks A.  Znowu na Księżyc, Bellona, Warszawa 1999.
Mizerski W. Tablice chemiczne, Adamantan, Warszawa 1997.
Subotowicz M.  Kiedy zasiedlimy Księżyc, Astronautyka nr 1,2/1990.
Swings J.-P.  Astronomia z Księżyca, Postępy Astronomii nr 3/1997.
Wołczek O.  Loty międzyplanrtarne, PWN, Warszawa 1973.
Wood J. A.  Układ Słoneczny, PWN, Warszawa 1983.
Strona internetowa projektu Artemis

W artykule wykorzystano artykuły zamieszczone w czasopiśmie Astronautyka:
O możliwości produkcji materiałów z regolitu księżycowego
, Piotr Podkowicz, Astronautyka nr 2/2000.
Materiały pędne z regolitu Księżyca, Astronautyka nr 3/2000.

{module [346]}

Share.

Comments are closed.