Испытательный стенд для разделения ценного материала на Луне
Зачастую лучше полностью отработать технологии на поверхности Земли, прежде чем использовать их в космосе. Это вдвойне верно, если эта технология является частью критически важной инфраструктуры, обеспечивающей жизнь астронавтов на Луне. Поскольку эта инфраструктура, несомненно, будет использовать ресурсы на месте, известные как использование ресурсов на месте (ISRU), разработка испытательных стендов здесь, на Земле, для этих процессов ISRU имеет решающее значение для проверки технологий до того, как они будут использованы в миссии.
Таков план создания испытательного стенда, разработанного исследователями из Немецкого аэрокосмического центра в Бремене, — они разработали его, чтобы улучшить качество сбора воды и кислорода из лунного реголита. К сожалению, как показывает их работа, описанная в недавней статье, опубликованной в журнале Frontiers in Space Technologies, сделать это будет непросто.
Вода и кислород - два важнейших компонента любого долгосрочного плана исследования Луны. Одним из лучших источников кислорода на Луне, помимо водяного льда, который может быть доступен только в определенных местах, является минерал под названием ильменит. Ильменит представляет собой комбинацию железа, титана и кислорода—FeTiO3. Кроме того, это наиболее доступный материал для разделения на составные части с использованием относительно низкоэнергетической химической реакции с использованием элементарного водорода в качестве исходного сырья.
После восстановления ильменита водородом в результате образуются железо (полезное для строительных материалов), диоксид титана (полезный для оптических покрытий) и вода (полезная для многих других целей). Дальнейший шаг может привести к превращению воды в кислород (опять же, полезный для многих целей, включая дыхание) и водород, которые могут быть возвращены обратно в систему подачи сырья для следующего цикла переработки. Так что, в конце концов, если у вас есть ильменит, у вас есть доступ к дешевым строительным материалам, ракетному топливу и газу для дыхания.
К сожалению, ильменит не особенно распространен на поверхности Луны. Хотя его довольно много в северных регионах, в горной местности, где планируется строительство первых постоянных лунных форпостов, его гораздо меньше. Таким образом, исследователям потребуется технологическое решение, позволяющее добывать больше ильменита или, по крайней мере, концентрировать его до уровня, при котором процесс его переработки был бы энергоэффективным.
Вот где происходит обогащение. Это процесс отделения ценных материалов, таких как ильменит, от "мякины", которая составляет большую часть лунного реголита — самого легкодоступного ресурса на Луне.
Учитывая нехватку легкодоступного лунного реголита, исследователи использовали имитатор реголита при проведении испытаний на своем стенде. Этот испытательный стенд состоит из трех установок для трех основных процессов: гравитационного, магнитного и электростатического обогащения, и в статье подробно рассказывается о каждом из них.
Перед любым тестированием имитаторы реголита высушивались в течение более 48 часов при температуре 80°C. После этого они хранились в герметичном контейнере, чтобы предотвратить попадание дополнительной влаги в систему.
В гравитационном процессе используется питатель, в который подается 300 г высушенного имитатора при каждом тестировании, и сито, которое отделяет частицы размером более 200 микрометров. Исследования образцов, собранных астронавтами "Аполлона", показали, что размер большинства зерен ильменита составляет примерно 45-75 микрометров, поэтому большая часть ильменита должна пройти эту стадию. В то же время удаляются более крупные частицы, которые могли бы помешать работе остальной части системы.
Следующим шагом является магнитный сепаратор — ильменит обладает слабыми магнитными свойствами из-за содержания в нем железа и, как таковой, может быть отделен от немагнитного материала аналогичной плотности путем воздействия на него магнитного поля. Магнитное поле направлено таким образом, что при падении частицы ильменита отклоняются от прямой линии, направляя их в другой бункер. Немагнитные материалы аналогичного размера будут падать прямо вниз и отфильтровываться системой.
Наконец, оставшиеся магнитные частицы подвергаются воздействию мощных электрических полей с помощью электростатического сепаратора с параллельными пластинами. Обычно используемые в нефтяной и газовой промышленности, эти устройства создают мощное электрическое поле, которое задерживает некоторые частицы, замедляя их падение и позволяя сортировать материалы с особыми электрическими свойствами. Определение наиболее эффективного способа использования этого этапа было основной задачей исследования.
В идеале после всего этого просеивания и сортировки пользователи должны были бы получить весь ильменит в образце и ничего больше, но на практике этого не происходит. В действительности, часть ильменита, присутствующего в образце, была бы потеряна в процессе фильтрации, а некоторые частицы, не содержащие ильменит, попадали бы в конечный пункт сбора, несмотря на все различные методы их удаления.
В этом эксперименте конечная смесь содержала около 12% ильменита по массе по сравнению с 2,55% до обогащения. Система также извлекла около 32% всего ильменита, имевшегося в образце, и потребовалось около получаса, чтобы провести полный анализ образца весом 300 г на испытательном стенде.
Дальнейшие итерации могут улучшить все эти показатели — для этого и существуют испытательные стенды. Это лишь один из многочисленных шагов, которые необходимо предпринять, чтобы, наконец, использовать некоторые из наиболее ценных ресурсов Луны. Чем быстрее мы сможем это сделать, тем лучше.
