美国宇航局刚刚发射了阿耳忒弥斯项目的第一枚火箭,该项目将进行科学实验,在月球上生产金属。
近年来,一些企业和组织加大了在月球上建立技术的努力。但是在太空中工作是昂贵的。向月球发射一公斤的材料就要花费120万美元(189万澳元)。
如果我们可以通过使用现有的资源来省钱呢?这个过程被称为原位资源利用,这正是天体冶金学研究人员试图实现的目标。
月球在未来的太空探索中具有惊人的潜力。月球的引力只有地球的六分之一,这使得从月球飞到地球轨道比从地球直接飞要容易得多!在一个每公斤都要花一大笔钱的行业里,省钱的能力是极具吸引力的。
尽管人们在太空中制造氧气和火箭燃料已经有几十年了,但阿耳特弥斯计划标志着我们第一次有了在太空中制造和使用金属的坚实计划。
许多公司都在考虑从月球污垢中提取金属和氧气。起初这些只是示范,但最终月球金属将成为太空建筑的可行选择。
作为这一领域的研究人员,我预计在大约10到20年后,我们将展示从月球上提取金属的能力,并可能使用这些金属在太空中建造大型建筑。那么我们到底能提取出什么呢?我们要怎么做呢?
月球上有两个主要的地质区域,你都可以在晴朗的夜晚看到。深色的区域被称为maria,有较高浓度的铁和钛。光线较亮的地区被称为高地(或terrrae),那里有更多的铝。
一般来说,月球上的泥土和岩石含有硅、氧、铝、铁、钙、镁、钛、钠、钾和锰。这听起来可能有点拗口,但实际上并没有太多的选择。还有一些其他的微量元素,但是处理这些元素是另一个话题了。
我们知道铁、铝和钛等金属对建筑很有用。但是其他人呢?
事实证明,当你的选择有限(而另一种选择是花一大笔钱)时,科学家们会非常有创造力。我们可以用硅制造太阳能电池板,这可能是月球上主要的电力来源。我们可以用镁、锰和铬制造具有有趣性能的金属合金,用钠和钾作为冷却剂。
也有研究着眼于使用活性金属(铝、铁、镁、钛、硅、钙)作为电池或“能量载体”的形式。如果我们真的需要,我们甚至可以把它们作为一种固体火箭燃料。
所以,在月球上寻找和使用金属时,我们确实有选择。但我们怎么去找他们?
虽然月球上有丰富的金属,但它们以氧化物的形式结合在岩石中——金属和氧粘在一起。这就是天体冶金学的用武之地,即从太空岩石中提取金属的研究。
冶金学家使用各种方法从岩石中分离金属和氧气。一些更常见的提取方法使用化学物质,如氢和碳。
有些方法如“电解分离”使用纯电,而更新颖的方法是将岩石完全蒸发以制造金属。如果你对月球天文冶金学的完整纲要感兴趣,你可以在我的研究论文中读到它。
无论采用何种方法,在太空中提取和加工金属都面临许多挑战。
有些挑战是显而易见的。月球相对较弱的引力意味着基本上不存在牵引力,像我们在地球上那样挖地是不可能的。研究人员正在研究这些问题。
此外,地球上还缺乏重要的资源,比如经常用于冶金的水。
其他的挑战则更加小众。例如,月球上的一天相当于地球上的28天。因此,在这两周内,你可以充分利用太阳的能量和温暖,但之后你有两周的夜晚。
气温波动也很大,从白天的120℃到晚上的-180℃。一些永久荫蔽的地区降至-220℃以下!即使资源开采和加工是在离地球很远的地方进行的,很多设备也承受不了这些条件。
这就把我们带到了人的因素上:人们自己会在上面帮忙解决所有这些问题吗?
可能不会。尽管未来我们会把更多的人送上月球,但陨石撞击、太阳辐射和极端温度的危险意味着这项工作将需要远程完成。但控制数十万公里外的机器人也是一个挑战。
不过,这也不全是坏消息,因为我们实际上可以利用其中的一些因素。
太空的极端真空可以减少某些过程的能量需求,因为真空有助于物质在较低的温度下蒸发(你可以通过尝试在一座高山上烧水来测试这一点)。类似的情况也发生在太空中的熔岩上。
虽然月球缺乏大气层,不适合人类居住,但这也意味着太阳能电池板和直接太阳能加热可以获得更多的阳光。
虽然可能还需要几年时间才能到达那里,但我们已经在用月球金属在太空中制造东西的道路上走得很顺利。天体冶金学家将以浓厚的兴趣关注未来的阿耳特弥斯任务,带着实现这一目标的工具起飞。
Matthew Shaw不为任何将从本文中受益的公司或组织工作、咨询、持有股份或接受资助,也没有披露除学术任命外的任何相关关系。