• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Framtiden för moon mining

    Att bygga en månbas kan vara lättare om astronauter kunde skörda lokalt material för konstruktionen, och livsuppehållande i allmänhet. Kredit:NASA/Pat Rawlings

    Ända sedan vi började skicka besättningsuppdrag till månen, människor har drömt om dagen då vi en dag skulle kunna kolonisera den. Bara föreställa, en bosättning på månens yta, där alla hela tiden bara känner sig cirka 15% så tunga som de gör här på jorden. Och på sin fritid, kolonisterna får göra alla typer av häftiga forskningsvandringar över ytan i lunar rovers. Måste erkänna, det låter kul!

    På senare tid, idén att prospektera och bryta på månen har föreslagits. Detta beror delvis på förnyad rymdutforskning, men också uppkomsten av privata flygbolag och NewSpace-industrin. Med scheman för uppdrag till månen för de kommande åren och decennierna, det verkar logiskt att fundera på hur vi kan lägga upp gruvdrift och andra industrier där också?

    Föreslagna metoder

    Flera förslag har lagts fram för att etablera gruvdrift på månen; till en början av rymdorganisationer som NASA, men på senare tid av privata intressen. Många av de tidigaste förslagen ägde rum under 1950-talet, som svar på rymdkapplöpningen, som såg en månkoloni som ett logiskt resultat av månutforskning.

    Till exempel, 1954 föreslog Arthur C. Clarke en månbas där uppblåsbara moduler täcktes med måndamm för isolering och kommunikationen tillhandahölls av en uppblåsbar radiomast. Och 1959, John S. Rinehart – chef för gruvforskningslaboratoriet vid Colorado School of Mines – föreslog en rörformad bas som skulle "flyta" över ytan.

    Sen den tiden, NASA, den amerikanska armén och flygvapnet, och andra rymdorganisationer har utfärdat förslag för skapandet av en månbosättning. I samtliga fall, dessa planer innehöll tillägg för resursutnyttjande för att göra basen så självförsörjande som möjligt. Dock, dessa planer föregick Apollo-programmet, och övergavs till stor del efter dess slutförande. Det har bara varit under de senaste decennierna som detaljerade förslag återigen har lagts fram.

    Kredit:Universe Today

    Till exempel, under Bushadministrationen (2001-2009), NASA hyste möjligheten att skapa en "månutpost". I överensstämmelse med deras Vision for Space Exploration (2004), planen krävde byggandet av en bas på månen mellan 2019 och 2024. En av de viktigaste aspekterna av denna plan var användningen av ISRU-tekniker för att producera syre från den omgivande regoliten.

    Dessa planer avbröts av Obama-administrationen och ersattes med en plan för ett Mars Direct-uppdrag (känd som NASA:s "Resan till Mars"). Dock, under en workshop 2014, representanter från NASA träffade Harvard-genetikern George Church, Peter Diamandis från X Prize Foundation och andra experter för att diskutera billiga alternativ för att återvända till månen.

    Verkstadspapper, som publicerades i ett specialnummer av New Space, beskriv hur en bosättning kan byggas på månen till 2022 för bara 10 miljarder USD. Enligt deras papper, en lågkostnadsbas skulle vara möjlig tack vare utvecklingen av rymduppskjutningsverksamheten, uppkomsten av NewSpace-industrin, 3d-utskrivning, autonoma robotar, och andra nyligen utvecklade teknologier.

    I december 2016, ett internationellt symposium med titeln "moon 2020-2030 – A New Era of Coordinated Human and Robotic Exploration" ägde rum på European Space Research and Technology Center. Just då, den nya generaldirektören för ESA (Jan Woerner) uttryckte byråns önskan att skapa en internationell månbas med hjälp av robotarbetare, 3D-utskriftstekniker, och resursanvändning på plats.

    2010, NASA etablerade Robotic Mining Competition, en årlig incitamentsbaserad tävling där universitetsstudenter designar och bygger robotar för att navigera i en simulerad marsmiljö. En av de viktigaste aspekterna av tävlingen är att skapa robotar som kan lita på ISRU för att omvandla lokala resurser till användbara material. De applikationer som produceras kommer sannolikt också att vara användbara under framtida månuppdrag.

    Andra rymdorganisationer har också planer på månbaser under de kommande decennierna. Den ryska rymdorganisationen (Roscosmos) har utfärdat planer på att bygga en månbas till 2020-talet, och China National Space Agency (CNSA) föreslog att bygga en sådan bas inom en liknande tidsram, tack vare framgången med sitt Chang'e-program.

    En tidig månutpostdesign baserad på en moduldesign (1990). Kredit:NASA/Cicorra Kitmacher

    Och NewSpace-industrin har också producerat några intressanta förslag på senare tid. 2010, en grupp Silicon Valley-entreprenörer gick samman för att skapa moon Express, ett privat företag som planerar att erbjuda kommersiell månrobottransport och datatjänster, samt det långsiktiga målet att bryta månen. I december 2016, de blev det första företaget som tävlade om Lunar X Prize för att bygga och testa en robotlandare – MX-1.

    2010, Arkyd Astronautics (omdöpt till Planetary Resources 2012) lanserades i syfte att utveckla och distribuera teknik för asteroidbrytning. Under 2013, Deep Space Industries bildades med samma syfte i åtanke. Även om dessa företag främst är inriktade på asteroider, överklagandet är ungefär detsamma som lunar mining – som expanderar mänsklighetens resursbas bortom jorden.

    Resurser

    Baserat på studier av månstenar, som fördes tillbaka av Apollo-uppdragen, forskare har lärt sig att månens yta är rik på mineraler. Deras övergripande sammansättning beror på om stenarna kom från lunar maria (stor, mörk, basaltslätter som bildats av månutbrott) eller månens högland.

    Stenar erhållna från lunar maria visade stora spår av metaller, med 14,9 % aluminiumoxid (Al²O3), 11,8 % kalciumoxid (kalk), 14,1% järnoxid, 9,2 % magnesiumoxid (MgO), 3,9 % titandioxid (TiO²) och 0,6 % natriumoxid (Na²O). De som erhålls från månens högland har liknande sammansättning, med 24,0% aluminiumoxid, 15,9% lime, 5,9% järnoxid, 7,5 % magnesia, och 0,6 % titandioxid och natriumoxid.

    Samma studier har visat att månstenar innehåller stora mängder syre, främst i form av oxiderade mineraler. Experiment har genomförts som har visat hur detta syre kunde utvinnas för att ge astronauter andningsluft, och skulle kunna användas för att tillverka vatten och till och med raketbränsle.

    Månstenar från Apollo 11-uppdraget. Kredit:NASA

    Månen har också koncentrationer av sällsynta jordartsmetaller (REM), som är attraktiva av två skäl. Å ena sidan, REM blir allt viktigare för den globala ekonomin, eftersom de används flitigt i elektroniska enheter. Å andra sidan, 90 % av nuvarande reserver av REM kontrolleras av Kina; så att ha stadig tillgång till en extern källa ses av vissa som en nationell säkerhetsfråga.

    Liknande, månen har betydande mängder vatten i sin månregolit och i de permanent skuggade områdena i dess norra och södra polarområden. Detta vatten skulle också vara värdefullt som en källa till raketbränsle, för att inte tala om dricksvatten för astronauter.

    Dessutom, Månstenar har avslöjat att månens inre också kan innehålla betydande vattenkällor. Och från prover av månens jord, det beräknas att adsorberat vatten skulle kunna existera i spårkoncentrationer av 10 till 1000 ppm. Initialt, det var dock att koncentrationer av vatten i månstenarna var resultatet av förorening.

    Men sedan den tiden, Flera uppdrag har inte bara hittat prover av vatten på månens yta, men avslöjade bevis på var den kom ifrån. Det första var Indiens Chandrayaan-1 uppdrag, som skickade en impactor till månens yta den 18 november, 2008. Under sin 25 minuter långa nedstigning, nedslagssonden Chandra's Altitudinal Composition Explorer (CHACE) hittade bevis på vatten i månens tunna atmosfär.

    I mars 2010 Mini-RF-instrumentet ombord på Chandrayaan-1 upptäckte mer än 40 permanent förmörkade kratrar nära månens nordpol som antas innehålla så mycket som 600 miljoner ton (661,387 miljoner amerikanska ton) vattenis.

    I november 2009 rymdsonden NASA LCROSS gjorde liknande fynd runt den södra polarregionen, som en impactor skickade den till ytan sparkade upp material som visade sig innehålla kristallint vatten. Under 2012, undersökningar utförda av Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) avslöjade att is utgör upp till 22 % av materialet på golvet i Shakleton-kratern (som ligger i södra polarområdet).

    Spektra samlade av NASA Moon Mineralogy Mapper (M3) på Indiens Chandrayaan-1-uppdrag, visar närvaron av vatten i månens polarområden. Kredit:ISRO/NASA/JPL-Caltech/Brown University/USGS

    Det har teoretiserats att allt detta vatten levererades av en kombination av mekanismer. För en, regelbundet bombardement av vattenförande kometer, asteroider och meteoroider över geologiska tidsskalor kunde ha avsatt mycket av det. Det har också hävdats att det produceras lokalt av vätejonerna från solvinden i kombination med syrebärande mineraler.

    Men den kanske mest värdefulla varan på månens yta kan vara helium-3. Helium-3 är en atom som sänds ut av solen i enorma mängder, och är en biprodukt av fusionsreaktionerna som äger rum inuti. Även om det finns liten efterfrågan på helium-3 idag, fysiker tror att de kommer att fungera som det perfekta bränslet för fusionsreaktorer.

    Solens solvind bär helium-3 bort från solen och ut i rymden – så småningom helt ut ur solsystemet. Men helium-3-partiklarna kan krascha in i föremål som kommer i vägen, som månen. Forskare har inte kunnat hitta några källor till helium-3 här på jorden, men det verkar vara på månen i enorma mängder.

    Fördelar

    Ur en kommersiell och vetenskaplig synvinkel, det finns flera anledningar till varför månbrytning skulle vara fördelaktigt för mänskligheten. Till att börja, det skulle vara absolut nödvändigt för alla planer på att bygga en bosättning på månen, eftersom resursutnyttjande på plats (ISRU) skulle vara mycket mer kostnadseffektivt än att transportera material från jorden.

    Också, det förutspås att de föreslagna rymdutforskningsinsatserna för 2000-talet kommer att kräva stora mängder materiel. Det som bryts på månen skulle skjutas upp i rymden till en bråkdel av kostnaden för det som bryts här på jorden, på grund av månens mycket lägre gravitation och flykthastighet.

    Väte som detekteras i månens polarområden pekar mot närvaron av vatten. Kredit:NASA

    Dessutom, månen har ett överflöd av råvaror som mänskligheten förlitar sig på. Ungefär som jorden, den är sammansatt av silikatstenar och metaller som är differentierade mellan geokemiskt distinkta lager. Dessa består av en järnrik inre kärna, och järnrik flytande yttre kärna, ett delvis smält gränsskikt, och en solid mantel och skorpa.

    Dessutom, det har varit känt under en tid att en månbas – som skulle innefatta resursoperationer – skulle vara en välsignelse för uppdrag längre in i solsystemet. För uppdrag på väg till Mars under de kommande decennierna, det yttre solsystemet, eller till och med Venus och Merkurius, möjligheten att återförsörjas från en månutpost skulle drastiskt minska kostnaderna för enskilda uppdrag.

    Utmaningar

    Naturligtvis, utsikterna att skapa gruvintressen på månen innebär också några allvarliga utmaningar. Till exempel, vilken bas som helst på månen skulle behöva skyddas från yttemperaturer, som sträcker sig från mycket låg till hög – 100 K (-173,15 °C;-279,67 °F) till 390 K (116,85 °C; 242,33 °F) – vid ekvatorn och i genomsnitt 150 K (-123,15 °C;-189,67 °C) F) i polarområdena.

    Strålningsexponering är också ett problem. På grund av den extremt tunna atmosfären och bristen på magnetfält, månytan upplever hälften så mycket strålning som ett föremål i det interplanetära rummet. Detta innebär att astronauter och/eller månarbetare löper en hög risk för exponering för kosmisk strålning, protoner från solvind, och strålningen som orsakas av solflammor.

    Sedan är det måndammet, vilket är ett extremt nötande glasartat ämne som har bildats av miljarder år av mikrometeoritslag på ytan. På grund av frånvaron av väderpåverkan och erosion, måndamm är orundat och kan förstöra maskineri, och utgör en hälsorisk. Värst av allt, den fastnar vid allt den rör vid, och var en stor olägenhet för Apollo-besättningarna!

    Schematisk bild som visar strömmen av laddade vätejoner som transporteras från solen av solvinden. Kredit:University of Maryland/F. Merlin/McREL]

    Och medan den lägre gravitationen är attraktiv när det gäller lanseringar, det är oklart vad de långsiktiga hälsoeffekterna av det kommer att vara på människor. Som upprepad forskning har visat, exponering för gravitation utan tyngdkraft under månadslånga perioder orsakar muskeldegeneration och förlust av bentäthet, samt nedsatt organfunktion och nedsatt immunförsvar.

    Dessutom, det finns de potentiella juridiska hindren som lunar mining kan innebära. Detta beror på "Fördraget om principer som styr staternas verksamhet i utforskning och användning av yttre rymden, inklusive månen och andra himlakroppar" – även känd som "The Outer Space Treaty". I enlighet med detta fördrag, som övervakas av FN:s kontor för yttre rymdfrågor, ingen nation får äga mark på månen.

    Och även om det har förekommit massor av spekulationer om ett "kryphål" som inte uttryckligen förbjuder privat ägande, det finns ingen juridisk konsensus om detta. Som sådan, när månprospektering och gruvdrift blir mer av en möjlighet, en rättslig ram måste utarbetas som säkerställer att allt är på uppgång.

    Även om det kanske är långt kvar, det är inte orimligt att tro att en dag, vi skulle kunna bryta månen. Och med dess rika tillgångar av metaller (som inkluderar REM) blir en del av vår ekonomi, vi skulle kunna se på en framtid präglad av post-brist!


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com