ناسا از خاک ماه اکسيژن تشکیل می‌کند؛ آشنایی با آزمایشی حیاتی برای آینده!_تونل زمان

در آینده‌ای نه‌چندان دور، دانشمندان و فضانوردان تصمیم دارند پایگاه‌هایی در ماه بسازند تا از آنجا به کاوش‌های فضایی خود ادامه دهند. ساخت این چنین پایگاه‌هایی چالش‌های تعداد بسیاری دارد؛ یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها فراهم اکسیژن است؛ گازی که برای بقای فضانوردان الزامی است. این گاز این چنین برای ساخت ابزار و تجهیزات نیز کاربرد دارد. در همین جهت، مهندسان و دانشمندان فناوری‌هایی را آزمایش می‌کنند که می‌تواند اکسیژن را از خاک ماه (رگولیت) استخراج کند. یکی از این آزمایش‌ها را با هم مرور می‌کنیم.

آزمایش تشکیل اکسیژن از خاک ماه

مهندسان درون کره‌ای بزرگ با دقت روی تجهیزات خود کار می‌کردند. در روبه رو آنها دستگاهی فلزی به رنگ نقره‌ای قرار داشت که با سیم‌های رنگی پیچیده شده می بود؛ جعبه‌ای که امیدوارند روزی در ماه اکسیژن تشکیل کند. در این آزمایش، دانشمندان دستگاه تشکیل اکسیژن از خاک ماه را درون گوی بزرگی قرار دادند؛ چون درون این گوی شرایط ماه ازجمله خلأ و دماهای بالا پیروی شده است.

وقتی که تیم از گوی خارج شد، آزمایش اغاز شد. دستگاه جعبه‌شکل مقادیر مقداری از رگولیت –مخلوطی از گرد و غبار با ترکیب شیمیایی شبیه خاک ماه– را به درون خود کشید سپس آن را به‌صورت خمیر درآورد. این خمیر تا دمای ۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد گرم شد. سپس برخی مواد عکس العمل‌دهنده به آن اضافه شدند تا مولکول‌های حاوی اکسیژن شکل بگیرند. در این زمان، حباب‌هایی درون خمیر تشکیل شدند.

این آزمایش تابستان سال ۱۴۰۳ در مرکز فضایی «جانسون» ناسا انجام شد. این فقط یکی از فناوری‌هایی است که محققان درحال گسترش آن می باشند تا بتوانند منبع های فراهم انرژی برای وجود فضانوردان در پایگاه‌های تحقیقاتی ماه را فراهم کنند. «برنت وایت»، مدیر برنامه شرکت خصوصی «Sierra Space»، می‌گوید:‌ «ما همه آزمایش‌های ملزوم برای قبول این سیستم تشکیل اکسیژن را در زمین با پیروزی پشت سر گذاشته‌ایم. نوبت آن رسیده این دستگاه به ماه برود.»

نتایج این آزمایش شگفت‌انگیز و قابل‌دقت می بود اما تا این مدت چالش‌های بزرگی وجود دارد: گرانش ماه و جنس رگولیت. آزمایش‌هایی که بر پایه اصول علمی روی زمین یا حتی در مدار زمین انجام خواهد شد، نمی توانند گرانش ضعیف ماه را همانند‌سازی کنند. این یکی از مسائلی است که تا این مدت حل نشده و باید در مأموریت‌های واقعی ماه در آینده آزمایش بشود. رگولیت ماه نیز به علت ویژگی‌های منحصربه‌فردی که دارد، همانند جنس سخت و تیز، به‌راحتی در هوا معلق می‌ماند و با ورود به موتور دستگاه‌ها می‌تواند آنها را خراب کند.

چالش‌های تشکیل اکسیژن از خاک ماه

«پاول بورک» از دانشگاه «جان هاپکینز» می‌گوید: «گرانش ماه امکان پذیر برای برخی فناوری‌های استخراج اکسیژن مشکل‌ساز باشد، مگر این که مهندسان طراحی اختصاصی‌ای برای آن انجام بدهند.» فروردین سال قبل، بورک و همکارانش مقاله‌ای انتشار کردند که نتایج همانند‌سازی‌های کامپیوتری را نشان می‌داد. این مقاله شرح داد چطور فرایند استخراج اکسیژن امکان پذیر تحت‌تأثیر گرانش ضعیف ماه قرار بگیرد. فرایندی که در این مقاله بازدید شده، الکترولیز رگولیت مذاب است که از برق برای شکستن مواد معدنی حاوی اکسیژن در خاک ماه منفعت گیری می‌کند تا اکسیژن را مستقیم استخراج کند.

مشکل این است که این تکنولوژی با راه اندازی حباب‌های اکسیژن روی سطح الکترودها در عمق رگولیت مذاب عمل می‌کند. بورک می‌گوید: «رگولیت همانند عسل زیاد چسبناک است و ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد که کارکردن با آن را دشوار می‌کند. همین ویژگی‌ها جهت خواهد شد این حباب‌ها به‌شدت بالا نروند و امکان پذیر در جدا شدن از الکترودها تأخیر داشته باشند.»

امکان پذیر راه‌حل‌هایی نیز وجود داشته باشد. یکی از این راه‌حل‌ها می‌تواند لرزاندن دستگاه باشد تا حباب‌ها از الکترودها جدا شوند. این چنین منفعت گیری از الکترودهای صاف‌تر امکان پذیر علتبشود حباب‌ها راحت‌تر جدا شوند. منفعت گیری از سونیکاتورکه با پشتیبانی امواج صوتی حباب‌ها را جدا کند، از دیگر راهکارهای امکان پذیر.

چرا تشکیل اکسیژن در ماه اهمیت دارد؟

دانشمندان تخمین زده‌اند هر فضانورد در روز به مقداری اکسیژن نیاز دارد که معادل 2 یا 3 کیلوگرم رگولیت است که باید در دستگاه تشکیل اکسیژن مصرف بشود، یقیناً این بسته به سطح آمادگی جسمانی و فعالیت‌های فضانورد متفاوت است. سیستم‌های حمایتزندگی در پایگاه‌های ماه به گمان زیادً اکسیژن بازدم فضانوردان را بازیابی می‌کنند تا مجدداً به‎جای اکسیژن منفعت گیری شوند؛ به این علت نیاز به پردازش مقدار بسیاری رگولیت برای زنده نگه‌داشتن ساکنان ماه نیست.

اکسیژن فقط برای تنفس فضانوردان نیاز نیست، بلکه از آن برای تشکیل سوخت موشکی که فضاپیماها را تا مقاصد دورتر -همانند مریخ- می‌برد نیز منفعت گیری می‌کنند. چه چیزی باید برای فراهم مواد موردنیاز این چنین مأموریت‌هایی منفعت گیری بشود؟ جواب در خاک خاکستری‌رنگ ماه نهفته است.

خاک ماه مقدار بسیاری فلز و ماده معدنی حاوی اکسیژن در خود دارد. استخراج این مواد می‌تواند به افت هزینه مأموریت‌های فضایی دور -همانند سفر به مریخ- پشتیبانی کند؛ چون آوردن این منبع های از زمین به ماه نه‌فقط هزینه هنگفتی دارد، بلکه به دلایل فنی زیاد دشوار است.

«پالاک پاتل»، دانشجوی دکتری دانشگاه «MIT»، همراه همکارانش موفق به طراحی سیستم آزمایشی الکترولیز رگولیت مذاب برای استخراج اکسیژن و فلزات از خاک ماه شده‌اند. ماشین‌هایی که با این ایده کار می‌کنند، در آینده‌ای نه‌چندان دور می‌توانند فلزاتی همانند آهن، تیتانیوم یا لیتیوم را از خاک ماه استخراج کنند. این مواد می‌توانند به فضانوردان ماه پشتیبانی کنند قطعات یدکی چاپ سه‌بعدی برای پایگاه خود بسازند یا اجزای جانشین برای فضاپیماهای صدمه‌دیده تشکیل کنند.

این چنین پاتل اشاره می‌کند در آزمایش‌های جداگانه، او رگولیت همانند‌سازی‌شده را به ماده‌ای شیشه‌ای مقاوم تبدیل کرده است. شیشه می‌تواند در ساخت پایگاه منفعت گیری بشود. علاوه‌براین، او و همکارانش راه حلهایی اشکار کرده‌اند که این ماده را به آجرهای توخالی و مقاوم تبدیل کنند که آن نیز می‌تواند برای ساخت سازه‌ها در ماه منفعت گیری بشود.

باوجود این چنین چالش‌هایی، پژوهشگران امیدوارند با طراحی دقیق‌تر دستگاه‌ها و آزمایش‌های زیاد تر، بتوانند علاوه‌بر تشکیل اکسیژن از خاک ماه، راهی برای منفعت‌برداری از منبع های حاضر در ماه نیز اشکار کنند. این کار نه‌فقط هزینه‌های مأموریت‌ها را افت می‌دهد، بلکه می‌تواند به تسهیل سفرهای فضایی به سیارات دیگر، ازجمله مریخ، پشتیبانی کند.