Два-в-одном: из лунной почвы и углекислого газа научились извлекать одновременно кислород и воду. Правда, пока только в лаборатории

Китайские планетологи разработали технологию, которая позволяет добывать воду из лунного грунта в среде, наполненной углекислым газом. Устройство может работать на солнечной энергии, а углекислый газ можно использовать, например, из дыхания лунных космонавтов.

Технология также позволяет перерабатывать углекислый газ в кислород и органические соединения, которые можно использовать для выращивания лунных растений.

Образцы почвы, собранные китайской лунной станцией Чанъэ-5, указывают на наличие воды в лунном грунте. Заманчиво было бы научиться её извлекать, тем самым уменьшив необходимость доставки этого дефицитного ресурса с Земли. Также неплохо бы научиться добывать откуда-нибудь на Луне кислород. А два этих вещества сразу — так и вообще было бы прекрасно.

Идея использования лунного реголита для создания среды обитания, пригодной для жизни, не новая. Об этом говорят уже несколько десятилетий, тем более что в составе лунной почвы хватает кислорода и водорода. Проектов выработки полезных ресурсов на месте также достаточно, многие из них разрабатываются как стартапы (см., например, эту (1), вот эту (2) и ещё эту заметку), а некоторые даже отрабатываются в реальных условиях на экспериментальных установках на борту марсо- и луноходов. Например, установка MOXIE на борту Perseverance недавно продемонстрировала возможность извлечения кислорода из марсианской атмосферы, состоящей в основном из углекислого газа. Заманчиво бы повторить на Луне то, что происходит на Земле естественным образом под воздействием солнечной энергии.

Стратегии извлечения воды из лунной почвы, которые пытаются продвигать различные группы исследователей, как правило, включают множество этапов, потребляющих много энергии. Кроме того, они не включают переработку CO₂ для изготовления чего-нибудь полезного, например, топлива. Новая технология, по крайней мере номинально, умеет сразу две вещи: извлекать воду из лунного грунта и заодно перерабатывать углекислый газ (от дыхания астронавтов) в монооксид углерода CO, водород и кислород. Кислород можно использовать для дыхания, а водород и чадный газ — для изготовления топлива. Кроме того, технология опирается на фотовольтаику, то есть энергию для этих химических процессов предполагается брать от Солнца.

Эффективность технологии подтвердили экспериментально, причём для экспериментов по переработке лунной почвы использовали кусочки лунного грунта, доставленные на Землю аппаратом Чанъэ-5. Кроме того, для масштабирования эксперимента использовали имитационные «лунные» породы, доступные в явно больших объёмах, чем грунт с Луны. Для измерения фототермальной активности и анализа механизмов процесса использовали минерал ильменит — оксид железа и титана FeTiO₃, который содержится в лунной почве и рассматривается наряду с несколькими другими минералами как потенциальный резервуар воды и катализатор для химического разложения углекислого газа.

Аппарат работает (в лаборатории) на простом принципе. Солнце нагревает реголит. В нём содержится некоторое количество воды в двух состояниях: собственно адсорбированная вода и вода, химически связанная в минерале. При нагревании (а температура на дневной стороне Луны доходит до +127 ºC) вода извлекается из почвы, переходя в газовую фазу, и её можно собрать. Затем вода вступает в реакцию с углекислым газом, и лунный грунт в этом процессе уже выступает катализатором, вернее, используются каталитические свойства ильменита. Благодаря им химическую реакцию можно осуществить под солнечными лучами с минимальной необходимостью наличия других реагентов или источников энергии.

Но полученные результаты — пока что лабораторная демонстрация. Нельзя предугадать, насколько реальные лунные условия затруднят её промышленное применение. Во-первых, может всё испортить лунный климат — экстремальные перепады температур в 300ºC, интенсивная радиация и низкая гравитация. Во-вторых, необходимы катализаторы, в данном эксперименте — титаносодержащий минерал ильменит. Хоть он и входит в состав лунной почвы, состав пород на Луне неоднородный, и вряд ли можно ожидать, что ильменит мы найдём везде, где решим построить установку и начнём копать грунт под ногами (как и на Земле). Ну и даже в этом случае астронавтам нужно надышать достаточно CO₂, чтобы установка работала. И самое главное — технологические ограничения. Каталитическая эффективность установки пока явно недостаточна, чтобы обеспечивать полноценную поддержку жизни за пределами Земли.