ناسا اکسیژن را از خاک ماه استخراج می‌کند؛ آزمایش حیاتی برای پایگاه‌های آینده

در آینده‌ای نه‌چندان دور، دانشمندان و فضانوردان قصد دارند پایگاه‌هایی بر روی ماه تأسیس کنند تا از آنجا کاوش‌های فضایی را ادامه دهند. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های این پروژه، تامین اکسیژن است؛ گازی که برای بقای فضانوردان و همچنین برای ساخت ابزار و تجهیزات ضروری است. به همین دلیل، مهندسان و محققان فناوری‌هایی را آزمایش می‌کنند که بتوانند اکسیژن را از رگولیت، یعنی خاک ماه، جدا کنند.

آزمایش تولید اکسیژن از خاک ماه

در مرکز فضایی جانسون ناسا، مهندسان یک دستگاه فلزی نقره‌ای را که با سیم‌های پیچیده به هم متصل بود، درون یک گوی بزرگ قرار دادند تا شرایط ماه شامل خلأ و دما‌های بالا شبیه‌سازی شود. تابستان سال ۱۴۰۳، پس از خروج تیم از گوی، آزمایش آغاز گردید. دستگاه مقدار مشخصی از رگولیت شبیه‌سازی‌شده را به درون کشید، آن را به حالت خمیر درآورد و تا دمای ۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد گرم کرد. سپس مواد واکنش‌دهنده اضافه شدند تا مولکول‌های حاوی اکسیژن شکل بگیرند و حباب‌هایی در میان خمیر ظاهر شدند.

برنت وایت، مدیر برنامه شرکت خصوصی سییرا اسپیس، اعلام کرد ما تمام آزمایش‌های لازم برای تایید این سیستم تولید اکسیژن را در زمین با موفقیت پشت سر گذاشته‌ایم. اکنون نوبت فرستادن این دستگاه به ماه رسیده است.

نتایج آزمایش شگفت‌انگیز بود، اما چالش‌های بزرگی همچنان باقی مانده است گرانش ضعیف ماه و ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد رگولیت. آزمایش‌های زمینی یا مداری نمی‌توانند گرانش ماه را به درستی شبیه‌سازی کنند و این مسئله تا انجام مأموریت‌های واقعی حل نخواهد شد. علاوه بر این، رگولیت ماه به دلیل سخت و تیز بودن، به‌راحتی در هوا معلق می‌ماند و با ورود به موتور‌های دستگاه‌ها می‌تواند آن‌ها را خراب کند.

چالش‌های تولید اکسیژن از خاک ماه

پاول بورک از دانشگاه جان هاپکینز می‌گوید گرانش ماه می‌تواند برای برخی فناوری‌های استخراج اکسیژن مشکل‌ساز باشد، مگر اینکه مهندسان طراحی اختصاصی‌ای برای آن انجام دهند. او و همکارانش در فروردین سال گذشته مقاله‌ای منتشر کردند که نتایج شبیه‌سازی‌های کامپیو‌تری را درباره تأثیر گرانش ضعیف بر فرآیند الک‌ترولیز رگولیت مذاب نشان می‌دهد. در این روش، از برق برای شکستن مواد معدنی حاوی اکسیژن در خاک مذاب استفاده می‌شود تا اکسیژن مستقیما استخراج گردد.

مشکل اصلی این است که حباب‌های اکسیژن روی سطح الک‌ترود‌ها در عمق رگولیت مذاب تشکیل می‌شوند. بورک توضیح می‌دهد رگولیت شبیه به عسل بسیار چسبنده است و ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی دارد که کار با آن را دشوار می‌کند. همین ویژگی‌ها باعث می‌شود حباب‌ها به‌سرعت بالا نروند و جدا شدن آن‌ها از الک‌ترود‌ها با تأخیر مواجه شود.

راه‌حل‌های احتمالی وجود دارد. یکی از آن‌ها لرزاندن دستگاه است تا حباب‌ها از الک‌ترود‌ها جدا گردند. استفاده از الک‌ترود‌های صاف‌تر و به‌کارگیری سونیکاتور که با امواج صوتی حباب‌ها را جدا می‌کند، از دیگر راهکار‌های پیشن‌هادی است.

چرا تولید اکسیژن در ماه حیاتی است؟

دانشمندان برآورد می‌کنند هر فضانورد در روز به مقداری اکسیژن نیاز دارد که معادل ۲ تا ۳ کیلوگرم رگولیت است، البته این مقدار بسته به آمادگی جسمانی و فعالیت‌های فضانورد متغیر است. سیستم‌های حمایت حیات در پایگاه‌های ماه اکسیژن زهی فضانوردان را بازیابی و مجددا به کار می‌گیرند، بنابراین نیازی به پردازش حجم عظیم رگولیت برای نگه‌داشتن ساکنان زنده نیست.

اکسیژن تنها برای تنفس لازم نیست، بلکه برای تولید سوخت موشکی که فضاپیما‌ها را به مقاصد دور‌تر مانند مریخ می‌برد نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. مواد موردنیاز این مأموریت‌ها در خاک خاکس‌تری‌رنگ ماه نهفته است.

خاک ماه مقادیر زیادی فلز و ماده معدنی حاوی اکسیژن در خود دارد. استخراج این مواد می‌تواند هزینه مأموریت‌های فضایی دور را به شدت کاهش دهد، زیرا انتقال این منابع از زمین به ماه نه‌تنها هزینه‌بر است، بلکه از نظر فنی نیز بسیار دشوار می‌باشد.

پالاک پاتل، دانشجوی دکتری دانشگاه ام‌آی‌تی، به همراه همکارانش سیستم آزمایشی الک‌ترولیز رگولیت مذاب را برای استخراج اکسیژن و فلزات از خاک ماه طراحی کرده‌اند. ماشین‌هایی که بر پایه این ایده کار می‌کنند، در آینده نزدیک می‌توانند فلزاتی چون آهن، تیتانیوم و لیتیوم را از خاک ماه جدا کنند. این مواد به فضانوردان کمک می‌کنند قطعات یدکی را با چاپ سه‌بعدی برای پایگاه خود بسازند یا اجزای جانشین برای فضاپیما‌های صدمه‌دیده تهیه نمایند.

پاتل در آزمایش‌های جداگانه موفق شده رگولیت شبیه‌سازی‌شده را به یک ماده شیشه‌ای مقاوم تبدیل کند که می‌تواند در ساخت پایگاه به کار رود. او و تیمش همچنین راه‌حل‌هایی کشف کرده‌اند تا این ماده به آجر‌های توخالی و مقاوم تبدیل گردد که برای ساخت سازه‌ها در ماه قابل استفاده خواهد بود.

با وجود چالش‌های موجود، محققان امیدوارند با طراحی دقیق‌تر دستگاه‌ها و انجام آزمایش‌های بیش‌تر، بتوانند علاوه بر تولید اکسیژن از خاک ماه، راهی برای بهره‌برداری از سایر منابع موجود در ماه نیز بیابند. این پیشرفت نه‌تنها هزینه مأموریت‌ها را کاهش می‌دهد، بلکه می‌تواند سفر‌های فضایی به سیارات دیگر، از جمله مریخ، را تسهیل نماید.