درختان سنگی روی ماه

مجید جویا: بسیاری از سازمان‌های فضایی زمین هم‌اکنون درحال مقدمه‌چینی برای برنامه‌های جاه‌طلبانه خود به مقصد ماه هستند. ساکنان هر ایستگاهی که در آینده در کره ماه ساخته شود، چه بخواهند منابع موجود در در این کره را استخراج کنند، یا از این قمر به عنوان پایگاهی برای اکتشاف در اعماق فضا استفاده کنند، برای زنده ماندن نیاز به اکسیژن خواهند داشت. انتقال مقادیر عظیم این گاز از زمین به ماه، بسیار گران‌قیمت خواهد بود، به‌طوری‌که بنا به برخی تخمین‌ها شاید هزینه‌ای بالغ بر یکصد میلیون دلار بر هر تن دربر داشته باشد؛ در نتیجه پژوهشگران به دنبال آزمودن راه‌های ارزان‌تر برای تولید اکسیژن روی سطح خود ماه هستند.

به گزارش نیچر، سال‌ها است که ناسا به دنبال یافتن راهی برای تولید اکسیژن از صخره‌های ماه می‌گردد. در سال 2005 / 1384، این سازمان به عنوان قسمتی از مسابقات قرن خود، جایزه‌ای 250 هزار دلاری را برای اولین تیمی تخصیص داد که بتواند دستگاهی بسازد که در عرض 8 ساعت، 5 کیلوگرم اکسیژن را از موادی شبیه به صخره‌های ماه استخراج کند،. به رغم این‌که در سال 2008 / 1387، این جایزه با همکاری مسئولین فضایی کالیفرنیا به یک میلیون دلار افزایش یافت، هنوز کسی پیدا نشده که ادعا کند توانسته است چنین دستگاهی بسازد. از سوی دیگر، برنامه جاری استفاده از منابع موجود در محل این سازمان، در حال حاضر به دنبال یافتن فناوری‌های متعدد و متفاوتی است که بتوانند از صخره‌های ماه اکسیژن استخراج کنند.

اکنون، درک فری، متخصص شیمی مواد از دانشگاه کمبریج انگلستان و همکارانش توانسته‌اند با بهینه‌سازی یک فرایند الکتروشیمیایی که در سال 2000 / 1379 برای استخراج فلزات و آلیاژ‌ها از اکسیدهای فلزات ابداع کرده بودند، به راه‌حلی بالقوه دست پیدا کنند. این فرایند از این اکسید‌ها ( که در صخره‌های ماه هم یافت می‌شوند) به عنوان کاتد، در کنار آندی از جنس کربن استفاده می‌کند. برای عبور جریان الکتریسیته در این سیستم، الکترودها در محلول الکترولیتی از جنس کلرید کلسیم مذاب قرار می‌گیرند. کلرید کلسیم یک نمک معمول است که در دمای تقریبی 800 درجه ذوب می‌شود.

فرسایش آند
جریان سبب جدا شدن اتم‌های اکسیژن از صفحه اکسید فلز می‌شود، این اتم‌ها یونیزه شده و در نمک مذاب حل می‌شوند. یون‌های باردار شده اکسیژن که بار منفی دارند، در داخل نمک مذاب به سوی آند می‌روند و در آنجا الکترون‌های اضافی خود را به صفحه آند داده و خود در ترکیب با کربن، دی‌اکسید کربن تولید می‌کنند. این فرایند منجر به خورده شدن آند کربنی می‌شود. به طور همزمان، در اطراف کاتد، فلز خالص آزاد می‌شود.

برای واداشتن این سیستم به تولید اکسیژن به جای دی‌اکسید کربن، فری مجبور بود از آندی استفاده کند که با اکسیژن واکنش ندهد. این کار خیلی مهم بود، زیر بدون این آندها، این سیستم کار نمی‌کرد. او دریافت که تیتانات کلسیم، که رسانایی الکتریکی ضعیفی دارد، در ترکیب با راتنات کلسیم، رسانایی خیلی بهتری پیدا می‌کند. ترکیب این دو با هم، یک آند می‌سازد که خوردگی ناچیزی دارد! بعد از 150 ساعت کار این دستگاه، فری محاسبه کرد که آند در عرض یک سال، تنها سه سانتی‌متر خوردگی خواهد داشت.

فری و همکارانش در آزمایش‌های خود از یک سنگ شبیه‌سازی شده ماه به نام JSC-1 که توسط ناسا تولید شده، استفاده کردند. فری انتظار دارد که سه راکتور، هر یک به ارتفاع یک متر، برای تولید یک تن اکسیژن از صخره‌های ماه در عرض یک سال کفایت کنند. برای تولید یک تن اکسیژن به این روش، به 3 تن صخره از ماه مورد نیاز خواهند بود و بر اساس آزمایش‌ها، می‌توان شاهد بازیافت تقریبا 100 درصدی اکسیژن بود. فری نتایج آزمایش‌های گروه خود را هفته گذشته در جریان کنفرانس انجمن جهانی شیمی محض و کاربردی در گلاسکوی انگلستان ارائه کرد.

فری اشاره می‌کند که برای گرم کردن راکتور روی ماه نیاز به اندکی نیرو خواهد بود، و بعد از آن می‌توان راکتور را به لحاظ گرمایی عایق کرد تا گرما را در خود نگاه دارد. این مشکل خاصی نخواهد بود. سه راکتور نیاز به تقریبا 4.5 کیلووات نیرو دارند، که می‌توان از طریق صفحات خورشیدی یا حتی یک راکتور هسته‌ای کوچک که روی ماه نصب شود، این نیرو را تامین کرد.

فری می‌گوید که با تقریبا 16.5 میلیون دلار قادر خواهد بود که نمونه خوبی از راکتور قوی‌تر بسازد که بتوان آن را از راه دور کنترل کرد. او اکنون در حال همکاری با آژانس فضایی اروپا برای رسیدن به این هدف است.

نصب خودکار
دونالد سادووی از ام.آی.تی، در حال طراحی فرایند مشابهی برای استخراج اکسیژن از صخره‌های ماه است. ولی فرایند او نیاز به دمای خیلی بالایی در حدود 1600 درجه سانتی‌گراد دارد؛ که به این معنا است که سنگ ماه ذوب می‌شود و می‌توان از خود آن به عنوان الکترولیت استفاده کرد. در این فرایند، فلزات ذوب شده‌ای مانند آهن تولید می‌شوند که ته‌نشین می‌شوند. فری می‌گوید که فرایند او خیلی کارامدتر است چون در دمای پایین‌تری کار می‌کند، ولی سادووی اصرار دارد که الکترولیز نمک مذاب، (نامی که فرایند او به آن نامیده می‌شود) به رغم دمای بالاتر، کاربردی‌تر است. او می‌گوید: «در فرایند درک، نمک مذاب به او اجازه می‌دهد که در دمای خیلی پایین‌تری کار کند، ولی او کماکان نیاز دارد که سنگ‌های ماه را در حالت جامد محکم کند» و این کار معمولا و به دلیل ماهیت ماسه‌ای این سنگ‌ها خیلی سخت است».

راکتور سادووی حتی می‌تواند خود را بسازد. سطح داخلی آن سنگ‌پوش ماه است (سنگ‌های پودری که سطح ماه را شکل می‌دهند) که با استفاده از برق، گرم و ذوب می‌شود. سطح خارجی آن نیز از همان سنگ‌ها است که سرد شده است. او می‌گوید: «ما با منجمد کردم سنگ مذاب سطح خارجی راکتور را می‌سازیم، ولی شروع فرایند مشکل خواهد بود».

سادووی می‌گوید که با حمایت مالی کافی، او می‌تواند در عرض دو سال این سیستم را در مقیاس بزرگ بسازد. هرچند ناسا طرح او را پذیرفته و از آن حمایت مالی می‌کند؛ ولی به اذعان خود او هنوز این طرح با مشکلاتی روبرو است و از آزمایشگاه خارج نشده است.