Vi lever i en värld där viktiga beslut fattas av människor ofta utan eftertanke. Men vissa saker är förutsägbara, inklusive att om du ständigt konsumerar en ändlig resurs utan återvinning kommer den så småningom att ta slut.

Ändå, när vi siktar på att ta oss tillbaka till månen, kommer vi att ta med oss ​​alla våra dåliga vanor, inklusive vår längtan efter ohämmad konsumtion.

Sedan rymdfarkosten Clementine upptäckte vattenis på månen 1994, har spänningen härskat inför utsikten att återvända till månen. Detta följde två decennier av dvala efter slutet av Apollo, en sjukdom som var symptomatisk för en underliggande brist på incitament att återvända.

Det vattnet förändrade allt. Isavlagringarna ligger vid månens poler gömda i djupet av kratrar som för alltid saknar solljus.

Sedan dess har vi, inte minst på grund av den internationella rymdstationen, utvecklat avancerade tekniker som gör att vi kan återvinna vatten och syre med hög effektivitet. Detta gör värdet av att tillhandahålla lokalt vatten för mänsklig konsumtion mer klent, men om den mänskliga befolkningen på månen växer så kommer efterfrågan. Så, vad ska man göra med vattnet på månen?

Det finns två vanliga svar:energilagring med bränsleceller och bränsle och oxidationsmedel för framdrivning. Den första är lätt att undvara:bränsleceller återvinner sitt väte och syre genom elektrolys när de laddas, med mycket lite läckage.

Energi och bränsle

Den andra – för närvarande det primära existensberättigande för att bryta vatten på månen – är mer komplex men inte mer övertygande. Det är värt att notera att SpaceX använder en metan/syreblandning i sina raketer, så de skulle inte behöva vätedrivmedlet.

Så det som föreslås är att bryta en dyrbar och ändlig resurs och bränna den, precis som vi har gjort med petroleum och naturgas på jorden. Tekniken för att bryta och använda resurser i rymden har ett tekniskt namn:in-situ resursutnyttjande.

Och även om det inte är ont om syre på månen (cirka 40 procent av månens mineraler består av syre), så är väte det absolut.

Utvinning av vatten från månen

Väte är mycket användbart som reduktionsmedel såväl som bränsle. Månen är ett stort förråd av syre i sina mineraler men det kräver väte eller andra reduktionsmedel för att frigöras.

Till exempel är ilmenit en oxid av järn och titan och är ett vanligt mineral på månen. Att värma upp den till cirka 1 000 C med väte reducerar den till vatten, järnmetall (från vilken en järnbaserad teknologi kan utnyttjas) och titanoxid. Vattnet kan elektrolyseras till väte – som återvinns – och syre; den senare befriades effektivt från ilmeniten. Genom att bränna väte som utvinns ur vatten äventyrar vi framtidsutsikterna för framtida generationer:detta är kärnan i hållbarhet.

Men det finns andra, mer pragmatiska frågor som dyker upp. Hur kommer vi åt dessa vattenisresurser begravda nära månens yta? De är belägna i terräng som är fientlig i ordets alla bemärkelser, i djupa kratrar dolda från solljus – ingen solenergi finns tillgänglig – vid temperaturer på runt 40 Kelvin, eller -233 C. Vid sådana kryogena temperaturer har vi ingen erfarenhet av bedriver omfattande gruvdrift.

Toppar av evigt ljus är bergstoppar belägna i regionen av sydpolen som utsätts för nästan konstant solljus. Ett förslag från NASA:s Jet Propulsion Lab planerar att stråla solljus från gigantiska reflektorer som ligger vid dessa toppar till kratrar.

Dessa gigantiska speglar måste transporteras från jorden, landa på dessa toppar och installeras och fjärrstyras för att belysa de djupa kratrarna. Sedan kan robotiserade gruvfordon ge sig in i de nu upplysta djupa kratrarna för att återvinna vattenisen med hjälp av den reflekterade solenergin.

Vattenis kan sublimeras till ånga för återvinning genom direkt termisk eller mikrovågsuppvärmning - på grund av dess höga värmekapacitet kommer detta att förbruka mycket energi, som måste tillföras av speglarna. Alternativt kan den fysiskt grävas ut och sedan smältas vid knappt mer blygsamma temperaturer.

Använda vattnet

Efter att ha återvunnit vattnet måste det elektrolyseras till väte och syre. För att lagra dem bör de göras flytande för minsta lagringstankvolym.

Även om syre lätt kan göras flytande, kondenserar väte vid 30 Kelvin (-243 C) vid ett tryck på minst 15 bar. Detta kräver extra energi för att göra väte flytande och bibehålla det som flytande utan att koka av. Detta kryogeniskt kylda väte och syre (LH2/LOX) måste transporteras till dess användningsställe med bibehållen låg temperatur.

Så nu har vi våra drivmedelslager för att skjuta upp saker från månen.

Detta kommer att kräva en uppskjutningsplatta, som kan vara belägen vid månens ekvator för maximal flexibilitet vid uppskjutning i vilken omloppsbana som helst eftersom en polär uppskjutningsplats kommer att vara begränsad till polära uppskjutningar – endast till den planerade Lunar Gateway. En uppskjutningsramp för månen kommer att kräva omfattande infrastrukturutveckling.

Sammanfattningsvis motsäger den uppenbara lättheten att utvinna vattenis från månens poler en komplex infrastruktur som krävs för att uppnå det. Kostnaderna för installation av infrastruktur kommer att förneka kostnadsbesparingsrationalen för resursanvändning på plats.

Alternativ till extraktion

Det finns fler att föredra. Vätreduktion av ilmenit för att ge järnmetall, rutil och syre ger de flesta fördelarna med att utnyttja vatten. Syre utgör lejonparten av LH2/LOX-blandningen. Det involverar ingen stor infrastruktur:värmekraft kan genereras av blygsamma solkoncentratorer integrerade i bearbetningsenheterna. Varje enhet kan sättas in där det behövs – det finns inget behov av långa traverser mellan platser för utbud och efterfrågan.

Därför kan vi uppnå nästan samma funktion genom en annan, mer lättillgänglig väg till in-situ resursutnyttjande som också är hållbar genom att bryta rikligt med ilmenit och andra månmineraler.

Låt oss inte fortsätta att upprepa samma ohållbara misstag som vi har gjort på jorden – vi har en chans att få det rätt när vi sprider oss in i solsystemet.