Хоча спостереження і підтвердили наявність води в постійно затінених областях (PSR) Місяця, існує невизначеність щодо можливих фізичних форм місячної H₂O, що може включати відкладення льоду, адсорбовані молекули або гідратовані мінерали. Вважається також, що розподіл води є неоднорідним як по поверхні, так і з глибиною. З цих причин ранні системи вилучення води повинні бути здатні збирати як поверхневу, так і підземну воду в її потенційних формах. В ідеалі ці системи також мали б визначати наявність та концентрацію води майже в реальному часі, щоб максимально ефективно спрямовувати енергію для видобутку.

Видобування

Як обговорювалося в розділі «Відбір проб із поверхні», компанія Honeybee Robotics дослідила кілька концепцій видобутку води, у яких використовується роторно-ударний бур. Ці системи бурять реголіт, що містить H₂O, нагріваючи його безпосередньо в свердловині або просто над поверхнею для сублімації льоду або вивільнення зв’язаної води. Потім водяна пара пасивно тече в конденсатор, де осідає у вигляді льоду, щоб підтримувати градієнт тиску в системі. Цей підхід має ряд очевидних переваг перед конкуруючими концепціями видобутку води:

• Він здатний видобувати воду на різних глибинах і в різних місцях у різних формах, включаючи зцементований льодом реголіт, поверхневий іній і гідратовані мінерали. Він також може зробити висновок про наявність води на місці буріння, наприклад, відстежуючи реакцію нагріву реголіту, яка демонструє явне придушення підвищення температури під час сублімації. Це дозволяє системі ідентифікувати та збирати найбагатші поклади H2O.
• Захоплюючи воду локально, він уникає необхідності транспортувати сировину для видобутку за межами майданчика, зберігаючи енергію та запобігаючи сублімації льоду з нещодавно відкритого реголіту.
• Він може бути розроблений для використання електричної або теплової енергії для сублімації води та пасивного чи активного відведення тепла від конденсатора. За допомогою правильного вибору матеріалів і геометрії (насамперед довжини та діаметра шнека) систему також можна оптимізувати на основі очікуваної теплопровідності та газопроникності водоносного реголіту. Це дозволяє більш жорстко контролювати температуру та потік газу, дозволяючи гарантувати, що водяна пара ефективно збирається та не виходить із системи чи не осідає на непередбачених поверхнях. Подаючи тепло безпосередньо до дна “штольні” цей підхід також дає змогу звільненій водяній парі з свердловини конвективно нагрівати реголіт на його шляху вгору. Це значно скорочує час і енергію, необхідні для того, щоб тепло досягло відкладень.

Розроблено дві, встановлені на місяцеходах, системи вилучення води на основі бурових установок, які називаються PVEx (Planetary Volatiles Extractor) і MISWE (Mobile In-Situ Water Extractor). Обидві подають тепло до водоносного реголіту, а виділену водяну пару відводять у низькотемпературний конденсатор (СТ) для охолодження. Основна відмінність між цими підходами полягає в тому, що PVEx використовує шнек для буріння та нагрівання реголіту в свердловині, тоді як MISWE використовує закритий шнек для виведення шламу на поверхню для нагрівання в закритій герметичній ємності.

Було створено макетні версії як PVEx, так і MISWE, які витягують до 80% води, присутньої у зразку імітатора в умовах вакууму.
Були досліджені різні варіанти концепції PVEx, наприклад:

• Використання механічного насоса (MPFL) і зовнішнього теплообмінника для циркуляції нагрітої рідини через внутрішні канали бурового шнека. Це забезпечує використання надлишкової теплової енергії, виробленої багатоцільовим радіоізотопним термоелектричним генератором (MMRTG) або подібним, для сублімації води.
• Використання високотемпературного газу, що закачується радіально всередину від шнека, для конвективного нагрівання реголіту, подолавши надзвичайно низьку теплопровідність місячного реголіту у вакуумі. Було припущено, що надлишок O₂ або побічні продукти сублімації можна використовувати як відновлюваний технологічний газ для цієї мети.
• Використання полірованого нікельованого композитного шнека та свердловини великого розміру для мінімізації втрат тепла від внутрішнього нагрітого рукава шнека до навколишнього реголіту. Також обговорювалися концепції герметизації нижнього кінця шнека під час нагрівання, щоб більш ефективно запобігти втратам тепла через нижню частину.
• Шнек механічно транспортує шлам зі свердловини через систему мікрохвильового нагріву над поверхнею. Висохлий шлам залишиться, коли система переміститься до наступного місця буріння.

Завдяки безпосередньому нагріванню підповерхневого реголіту на місці та збереженню жорсткого контролю над температурою пари, PVEx, ймовірно, буде більш енергоефективним, ніж конкуруючі концепції. Конструкцію також можна масштабувати, щоб збирати набагато більшу кількість води в парі з великими місяцеходами. За одним із сценаріїв декілька малих і середніх систем PVEx можна було б використовувати як частину пілотної програми з виробництва місячного палива, встановлюючи реальну інформацію про наявність H₂O в цільовому PSR, отримуючи початкові запаси води для роботи та визначення оптимальних місць для подальшого видобутку. Потім можна розгорнути великі системи PVEx для досягнення бажаних повномасштабних показників виробництва.

Методи вилучення льоду з постійно затінених областей (PSR) можна згрупувати в два класи: вилучення, засноване на масовому фізичному видаленні крижаного реголіту як твердого матеріалу і вилучення, засноване на сублімації льоду на масці, що дозволяє не переміщати реголіт. Типовими методами розробок є об’ємне розкопування поверхні за допомогою роверів, оснащених ковшами або ковшовими колесами. Вони вимагають транспортування та обробки великих об’ємів реголіту, що підвищує вимоги до маси та потужності збирання льоду в PSR. Методи видобутку, засновані на сублімації льоду безпосередньо з поверхні за допомогою спрямованої енергії, наприклад сонячного світла, мікрохвиль або радіаційних обігрівачей, дозволяють уникнути багатьох недоліків попереднього методу. Сублімація льоду в реголіті супроводжується транспортуванням пари до конденсатора.

Colorado School of Mines (CSM) розробила систему для роботи в PSR з видобутку та переробки водяного льоду в рідкий кисень LO_X і пропелент LH₂. Під час термічного видобутку тепло подається безпосередньо на поверхню через геліостати або нагрівальні елементи. Тепло сублімує лід у пару, яка виривається з поверхні. Пара вловлюється куполоподібним тентом, що покриває нагріту поверхню. Далі вона виводяться через отвори в холодильні пастки (CT) за межами тенту, де знову замерзає. Коли СТ заповнюються замороженим льодом, їх виймають і замінюють порожніми СТ. Заповнені льодом СТ транспортуються на завод для переробки в очищену воду, кисень або паливо. Вважається, що всім повинно керуватися дистанційно із Землі.

При термічному видобутку мета управління процесом полягає в тому, щоб забезпечити достатню швидкість транспортування водяної пари з поверхні, щоб забезпечити загальну продуктивність системи. Процес регулюється теплопередачею через поверхню, утворенням пари через сублімацію та транспортуванням пари через поверхню. Адекватна швидкість транспортування пари з поверхні PSR може бути створена за рахунок кількох факторів:

• Швидкість тепловіддачі крижаного реголіту значно більша, ніж сухого реголіту
• Дані місії LCROSS свідчать про те, що поверхні в PSR пористі, тому пара може дифундувати крізь поверхню

Критичними елементами термічного видобутку є подача енергії для сублімації льоду з поверхні PSR і потужність для заморожування пари в КТ. Потужність залучена до процесу, чутлива до вмісту льоду нижче 2 мас.%, оскільки домінує потужність, необхідна для нагрівання реголіту; тоді як при вмісті вище 5 мас.% потужність стає відносно нечутливою до вмісту льоду. Видобуток льоду складається з двох етапів: нагрівання крижаної суміші реголіту від 40 К до 220 К та сублімації.

Найоптимістичніша оцінка вмісту водяного льоду на Місяці в PSR отримана від місії LCROSS становить 5,5% ваги льоду, тоді як за іншими оцінками вміст льоду становить 10% ваги, а за найбільш песимістичними оцінками – 1% ваги. Це свідчить про те, що процес термічного видобутку має відбуватися в місці з вмістом льоду понад 4 мас.%. Недавній повторний аналіз даних місії виявив області з >30% льоду. При 30% льоду потужність, необхідна для сублімації крижаного матеріалу реголіту, на 33% менша, ніж потужність, необхідна при 4% льоду, і лише на 10% більша, ніж потужність, необхідна для сублімації чистого льоду.
Для термічного видобутку використовується CT, який пасивно охолоджується випромінюванням навколишнього середовища PSR. Поверхня PSR становить лише 40K, а простору навколо – 2,7K. CT повинен забезпечувати достатню охолоджувальну здатність для розсіювання тепла. Це може бути забезпечено достатньою площею радіаційної поверхні на CT. Під час транспортування між тентом та системою обробки газу температура CT знизиться майже до навколишнього середовища. Збір льоду в CT триватиме, доки температура поверхні CT не зрівняється з температурою парів льоду.

Рішення для визначення масштабності термального видобутку для видобутку води 2450 тонн на рік (з виробленням 1640 тонн палива на рік) показано в наступній таблиці. Термальний видобуток можна масштабувати для досягнення будь-якої цілі видобутку води. Вміст льоду, який можна видобути на площу поверхні, оцінюється в 25 кг/м2 і 250 кг/м2 для регіонів з 4% і 30% відповідно. Рішення включає в себе тенти діаметром 32 м і 10 м знову для регіонів з 4% і 30% відповідно. Один тент необхідно розміщувати 128 разів на рік. Додаткові намети дадуть додаткову маржу. Кількість льодовозів залежить від щільності льоду в КТ, об’єму КТ, швидкості руху льодовоза, відстані між льодовим полем і станцією обробки та часу передачі на станції обробки.

Після вилучення води з постійно затінених областей (PSR) Місяця її обробляють для очищення та електролізу води до водню і кисню. Paragon Space Development Corporation та її партнер Giner, Inc. розробляють підсистему очищення води та виробництва кисню водню (IHOP) на основі ISRU (In-Situ Resource Utilization) через програму NASA Next Space Technologies for Exploration Partnerships (NextSTEP). Технологія обробки води на основі мембрани (IWP) від Paragon оптимізована для первинного очищення води для застосування в ISRU. Очищена вода остаточно електролізується за допомогою статичного електролізера води Giner для отримання H₂ і O₂.

Вода, отримана з місячного реголіту, не буде чистою, і очікується, що її склад буде подібний до сполук, знайдених у місячному кратері Cabeus місією LCROSS. Таким чином, як перший крок у процесі очищення води, важливо, щоб температура СТ була керована для вибіркового замерзання води (точка замерзання 273,15 K), мінімізуючи при цьому накопичення летких речовин з нижчою температурою замерзання (наприклад, відповідні точки замерзання H₂S і NH₃ становлять 191,15 К і 195,85 К). Цей інтегрований підхід на системному рівні покращить загальну продуктивність системи виробництва ракетного палива.

Hydrogen Oxygen Production Assembly (HOPA) об’єднує технологію статичного електролізера води під високим тиском Giner Labs з інноваційним підходом до осушувача газу для виробництва водню та кисню, які можуть безпосередньо використовуватися підсистемами виробництва палива. Технологія легкого водяного електролізера під високим тиском виробляє сухий кисень і водень під тиском до 80 бар. Електролізер Giner використовує пластини з вуглецевого волокна. З огляду на те, що IHOP ( ISRU-derived water purification and Hydrogen Oxygen Production ) розташований у PSR, тобто надзвичайно холодне середовище (до 40 K) для реалізації компонентів осушувача H₂ і O₂ можна використовувати той самий підхід як і в CT.

Компоненти CT, IWP і HOPA мають бути об’єднані в обладнання, щоб реалізувати оптимізоване рішення для очищення води та виробництва палива для поверхні Місяця.

Джерело статті