كيفية تحويل غبار القمر إلى أكسجين

داخل كرة عملاقة، قام المهندسون بفحص معداتهم. أمامهم، وقفت أداة معدنية فضية ملفوفة بأسلاك ملونة، وهو صندوق يأملون أن ينتج الأكسجين في يوم من الأيام على القمر.

بمجرد إخلاء الفريق للكرة، بدأت التجربة. كانت الآلة التي تشبه الصندوق تبتلع الآن كميات صغيرة من الثرى المغبر، وهو خليط من الغبار والحصى الحاد مع تركيبة كيميائية تحاكي التربة القمرية الحقيقية.

وسرعان ما أصبح هذا الثرى جلوبًا. يتم تسخين طبقة منه إلى درجات حرارة تزيد عن 1650 درجة مئوية. ومع إضافة بعض المواد المتفاعلة، بدأت الجزيئات المحتوية على الأكسجين في الظهور.

يقول برانت وايت، مدير البرامج في شركة سييرا سبيس الخاصة: «لقد اختبرنا كل ما في وسعنا على الأرض الآن». “الخطوة التالية هي الذهاب إلى القمر.”

تم الكشف عن تجربة Sierra Space في مركز جونسون الفضائي التابع لناسا هذا الصيف. وهي ليست التكنولوجيا الوحيدة التي يعمل عليها الباحثون، حيث يقومون بتطوير أنظمة يمكنها تزويد رواد الفضاء الذين يعيشون على قاعدة قمرية مستقبلية.

سيحتاج رواد الفضاء هؤلاء إلى الأكسجين للتنفس، وأيضًا لصنع وقود الصواريخ للمركبات الفضائية التي قد تنطلق من القمر وتتوجه إلى وجهات أبعد، بما في ذلك المريخ.

قد يحتاج سكان القاعدة القمرية أيضًا إلى المعدن، ويمكنهم حتى الحصول عليه من الحطام الرمادي المغبر الذي يتناثر على سطح القمر.

ويعتمد الكثير على ما إذا كنا قادرين على بناء مفاعلات قادرة على استخراج مثل هذه الموارد بفعالية أم لا.

يقول وايت: “يمكن أن يوفر ذلك مليارات الدولارات من تكاليف المهمة”، وهو يوضح أن البديل – جلب الكثير من الأكسجين والمعادن الاحتياطية إلى القمر من الأرض – سيكون شاقًا ومكلفًا.

ولحسن الحظ، فإن الثرى القمري مليء بأكاسيد المعادن. لكن في حين أن علم استخلاص الأكسجين من أكاسيد المعادن، على سبيل المثال، مفهوم جيدًا على الأرض، إلا أن القيام بذلك على القمر أصعب بكثير. لأسباب ليس أقلها الظروف.

أحدثت الغرفة الكروية الضخمة التي استضافت اختبارات سييرا سبيس في شهري يوليو وأغسطس من هذا العام فراغًا وقامت أيضًا بمحاكاة درجات الحرارة والضغوط القمرية.

وتقول الشركة إنها اضطرت إلى تحسين كيفية عمل الآلة بمرور الوقت حتى تتمكن من التعامل بشكل أفضل مع الملمس الخشن للغاية والكاشط للثرى نفسه. يقول وايت: “إنه ينتشر في كل مكان، ويستهلك جميع أنواع الآليات”.

والشيء الوحيد الحاسم الذي لا يمكنك اختباره على الأرض أو حتى في المدار حول كوكبنا، هو الجاذبية القمرية – والتي تبلغ تقريبًا سدس جاذبية الأرض. قد لا تتمكن شركة Sierra Space من اختبار نظامها على القمر حتى عام 2028 أو بعده، باستخدام الثرى الحقيقي في ظروف الجاذبية المنخفضة.

يقول بول بيرك من جامعة جونز هوبكنز إن جاذبية القمر يمكن أن تمثل مشكلة حقيقية لبعض تقنيات استخلاص الأكسجين ما لم يصممها المهندسون.

في أبريل هو وزملاؤه نشرت ورقة تفاصيل نتائج عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أظهرت كيف يمكن إعاقة عملية مختلفة لاستخراج الأكسجين بسبب جاذبية القمر الضعيفة نسبيًا. كانت العملية قيد التحقيق هنا هي التحليل الكهربائي للثرى المنصهر، والذي يتضمن استخدام الكهرباء لتقسيم المعادن القمرية التي تحتوي على الأكسجين، من أجل استخراج الأكسجين مباشرة.

المشكلة هي أن مثل هذه التكنولوجيا تعمل عن طريق تشكيل فقاعات من الأكسجين على سطح الأقطاب الكهربائية في عمق الثرى المنصهر نفسه. “إنه اتساق العسل، على سبيل المثال. يقول الدكتور بيرك: “إنها لزجة للغاية”.

“هذه الفقاعات لن ترتفع بسرعة – وربما تتأخر في الواقع عن الانفصال عن الأقطاب الكهربائية.”

يمكن أن تكون هناك طرق للتغلب على هذا. يمكن أن يكون أحدها هو اهتزاز جهاز صنع الأكسجين، مما قد يؤدي إلى تحرير الفقاعات.

وقد تسهل الأقطاب الكهربائية فائقة النعومة انفصال فقاعات الأكسجين. ويعمل الدكتور بيرك وزملاؤه الآن على أفكار كهذه.

أما تقنية Sierra Space، وهي عملية كربوثيرمالية، فهي مختلفة. في حالتها، عندما تتشكل فقاعات تحتوي على الأكسجين في الثرى، فإنها تفعل ذلك بحرية، وليس على سطح القطب الكهربائي. ويقول وايت إن هذا يعني أن هناك فرصة أقل لتعثرها.

وتأكيدًا على قيمة الأكسجين للبعثات القمرية المستقبلية، يقدر الدكتور بيرك أن رائد الفضاء سيحتاج يوميًا إلى كمية الأكسجين الموجودة في ما يقرب من 2 أو 3 كيلوغرامات من الثرى، اعتمادًا على لياقة رائد الفضاء ومستويات نشاطه.

ومع ذلك، من المرجح أن تقوم أنظمة دعم الحياة في القاعدة القمرية بإعادة تدوير الأكسجين الذي يتنفسه رواد الفضاء. إذا كان الأمر كذلك، فلن يكون من الضروري معالجة قدر كبير من الثرى فقط لإبقاء سكان القمر على قيد الحياة.

ويضيف الدكتور بيرك أن الاستخدام الحقيقي لتقنيات استخلاص الأكسجين هو توفير المادة المؤكسدة لوقود الصواريخ، مما قد يتيح استكشاف الفضاء الطموح.

ومن الواضح أنه كلما زادت الموارد التي يمكن توفيرها على القمر، كان ذلك أفضل.

يتطلب نظام Sierra Space إضافة بعض الكربون، على الرغم من أن الشركة تقول إنها تستطيع إعادة تدوير معظم هذا بعد كل دورة لإنتاج الأكسجين.

بالتعاون مع زملائه، توصل بالاك باتيل، طالب الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إلى تجربة تجريبية نظام التحليل الكهربائي للثرى المنصهرلاستخراج الأكسجين والمعادن من تربة القمر.

وتقول: “إننا ننظر إلى الأمر حقًا من وجهة نظر: دعونا نحاول تقليل عدد مهام إعادة الإمداد إلى الحد الأدنى”.

عند تصميم نظامهم، تناولت السيدة باتيل وزملاؤها المشكلة التي وصفها الدكتور بيرك: وهي أن الجاذبية المنخفضة يمكن أن تعيق انفصال فقاعات الأكسجين التي تتشكل على الأقطاب الكهربائية. ولمواجهة ذلك، استخدموا “جهاز سونيكاتور”، الذي ينفخ الفقاعات بموجات صوتية لإزاحتها.

تقول باتل إن آلات استخراج الموارد المستقبلية على القمر يمكنها استخلاص الحديد، أو التيتانيوم، أو الليثيوم من الثرى، على سبيل المثال. قد تساعد هذه المواد رواد الفضاء المقيمين على القمر في صنع قطع غيار مطبوعة ثلاثية الأبعاد لقاعدتهم القمرية أو مكونات بديلة للمركبات الفضائية التالفة.

فائدة الثرى القمري لا تتوقف عند هذا الحد. وتشير باتل إلى أنها، في تجارب منفصلة، ​​قامت بإذابة الثرى الاصطناعي وتحويله إلى مادة صلبة داكنة تشبه الزجاج.

وقد توصلت هي وزملاؤها إلى كيفية تحويل هذه المادة إلى طوب قوي مجوف، والذي يمكن أن يكون مفيدًا لبناء الهياكل على القمر. متراصة سوداء مهيبة، يقول. ولم لا؟