Mikor lesz állandó állandó kutatóállomás, bázis a Holdon?
(2025 május)
A Hold kolonizációja egy folyamat, ami a tervezés szintjén már történik, emberek által telepített robotok fogják végrehajtani. A Holdra vonatkozó külön állami igényt a nemzetközi űrjog illegálisnak nyilvánította, és egyetlen állam sem lehet igénye, annak ellenére, hogy számos szonda és mesterséges maradvány található a Holdon. Bár több javaslat merült fel a holdkolonizációra, -kiaknázásra vagy -állandó kutatóállomás-ra vonatkozóan, a Holdon állandó személyzet létrehozására irányuló jelenlegi projektek nem a Hold kolonizálására, hanem a holdbázisok építésére összpontosítanak (ma az energiaellátás tűnik kritikus kérdésnek), még csak a felfedezésre, és kisebb mértékben a későbbi holdi erőforrások kiaknázására. A Hold kereskedelmi hasznosítása vitatott kérdés a nemzeti és nemzetközi szabályozás és törvények (például a Hold-egyezmény) szempontjaiból.
Fantáziakép az Artemis programhoz
A Nemzetközi Holdkutató Állomás: állandó, emberi jelenléttel rendelkező bázis a Holdon 2035-re készülhet el. Kína és Oroszország közösen tervezik, a bázis energiaellátását pedig egy Holdon építendő atomerőmű biztosíthatja. A cél az állandó, emberi jelenlét megteremtése az égitesten. Kína és Oroszország 2021-ben állapodott meg az állandó kutatóbázis létrehozásáról. Kína a projekt részleteit egy nemzetközi előadás keretében mutatta be Sanghajban, beleértve az atomerőművet és a kutatóállomás tervezett kialakítását. A bázis nem rövid távú kísérlet, hanem az állandó emberi jelenlét megteremtését célozza a Holdon.
Az állomás alapjainak megépítése Kína Csang’e-8 űrhajónak a 2028-as küldetésével kezdődik, majd 2030 és 2035 között öt nagy teherbírású rakétaindítás következik a létfontosságú anyagok szállítására. Az atomerőmű, amely kulcsfontosságú a hosszú távú működés fenntartásához, várhatóan 2035-re vagy 2036-ra készül el. A NASA Artemis programja egy Gateway nevű holdpálya-állomás kiépítésén dolgozik, amelyet 2027-re terveznek, de egy jövőbeli felszíni bázis létrehozásáról is folynak a tárgyalások.
A holdbányászat, a Hold felszínéről és felszíne alól kitermelt erőforrások kinyerése egy kutatott terület, amely mind gazdasági, mind tudományos előnyökkel járhat. A kulcsfontosságú erőforrások közé tartozik a vízjég, a hélium-3 és a ritkaföldfémek, amelyek különféle célokra, például rakéta üzemanyagként, energiatermelésre és fejlett technológiákhoz felhasználhatóak. A vízjég, különösen a holdsarkokon, ivásra, belélegezhető oxigénként és hidrogénforrásként használható rakéta-üzemanyagként. A Holdon kitermelt erőforrásokat rakéták üzemanyagaként, valamint holdbázisok és további felfedezések infrastruktúrájának kiépítésénél lehetne felhasználni.
Hélium-3: Egy becslés szerint a napszél több mint 1 millió tonna hélium-3 (3He) izotópot rakott le a Hold felszínére. Nukleáris fűtőanyag, mégsem radioaktív. A Hold felszínén található anyagok hélium-3 izotópot tartalmaznak, amelynek koncentrációja a napsütötte területeken becslések szerint 1,4 és 15 ppb (parts per billion) között van. 1986 óta javasolják a regolit kiaknázását és a hélium-3 felhasználását magfúzióhoz. Bár 2020-ban már évtizedek óta léteznek működő kísérleti nukleáris fúziós reaktorok, de egyik sem szolgáltatott még kereskedelmi célú áramot. A hélium-3 alacsony koncentrációja miatt a bányászati berendezésnek nagy mennyiségű regolitot kellene feldolgoznia. Egy becslés szerint több mint 150 tonna regolitot kell feldolgozni 1 gramm (0,035 oz) hélium 3 előállításához. A Földre a napszél nem tudja elhozni az anyagot, mert a magnetoszféra eltéríti. A tervek szerint 2028-ra egy kísérleti üzem is lenne az égitesten, ami 2030-ra kezdené meg a működését.
Ha lehetséges is a hélium-3 kinyerése a Holdról, egyetlen hasznos fúziós reaktor sem termelt nagyobb fúziós teljesítményt, mint amennyi elektromos teljesítményfelvételt eredményezett, ami ma még meghiúsítja a kitermelést. (2022. december 13-án azonban az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma bejelentette, hogy "...2022. december 5., hétfő történelmi nap volt a tudományban a Livermore Laboratórium és a National Ignition Facility hihetetlen embereinek köszönhetően", és hogy a National Ignition Facility "végrehajtotta a történelem első szabályozott fúziós kísérletét, amely elérte ezt a mérföldkövet, más néven a tudományos energia-nyereményküszöböt, ami azt jelenti, hogy több energiát termelt a fúzióból, mint amennyit a működtetéséhez használt lézerenergia termelt".)
Ritkaföldfémek:
Kulcsfontosságúak alkatrészek anyagai a modern elektronikában és technológiában, és jelenlétük a Holdon segíthet enyhíteni a Föld fogyatkozó tartalékait.
Helyi erőforrás-felhasználás (ISRU): A holdbányászat csökkentheti a Föld véges erőforrásaira nehezedő terhet, különösen a ritkaföldfémek esetében.
Alacsony gravitációs egészségügyi kockázatok: Az alacsony gravitációs körülmények között végzett munka egészségügyi kockázatot jelenthet az űrhajósok és a bányászok számára, ezért speciális felszerelést és képzést igényel. A NASA aktívan részt vesz a holdkutatásban, beleértve a vízjég felfedezését és az ISRU technológiák fejlesztését.
Más űrügynökségek, mint például az ESA, számos magánvállalat fektet be holdbányászati projektekbe, vizsgálják a holdi erőforrások hasznosításának lehetőségeit, és támogatják a kapcsolódó kutatásokat.
Helyi erőforrás-felhasználás (ISRU): A holdbányászat csökkentheti a Föld véges erőforrásaira nehezedő terhet, különösen a ritkaföldfémek esetében.
Alacsony gravitációs egészségügyi kockázatok: Az alacsony gravitációs körülmények között végzett munka egészségügyi kockázatot jelenthet az űrhajósok és a bányászok számára, ezért speciális felszerelést és képzést igényel. A NASA aktívan részt vesz a holdkutatásban, beleértve a vízjég felfedezését és az ISRU technológiák fejlesztését.
Más űrügynökségek, mint például az ESA, számos magánvállalat fektet be holdbányászati projektekbe, vizsgálják a holdi erőforrások hasznosításának lehetőségeit, és támogatják a kapcsolódó kutatásokat.
Artemisz-egyezmények több ország által aláírt megállapodások, és lehetővé teszik a Holdon folytatott bányászatot, de megerősítik a Világűregyezmény azon kijelentését, hogy elutasít a Hold nemzeti vagy magán tulajdonjogra vonatkozó bármilyen igényt. Mivel az ENSZ bürokráciája elképesztő lassú, még ha neki is látnak ma egy ilyen jogszabálynak, már rég ember fog lakni a Holdon, mire életbe léphet egy efféle szabályozó.
Fantáziakép az Artemis programhoz
Víz: A kráterekben rejtőző vízből nemcsak az űrhajósok számára létfontosságú ivóvíz és oxigén állítható elő, hanem rakéták üzemanyaga is. Fontos volna azonban még a bányászat megkezdése előtt alaposan megvizsgálni e vizet, és ehhez szeretnének időt nyerni a kutatók. Az első, automata küldetés a 2023. végén induló, az Astrobotic nevű magáncég Peregrine-1 küldetése, amelyben egy leszállóegység landol majd a Holdon, számos műszerrel, és többek közt a magyar Puli Space Téridő plakettjével a fedélzetén. Több tucat további küldetés követi majd, sok magáncég eszközével, és ez aggasztja a tudományos közösség egy részét. A közeli jövőben Hold-láz lesz, amelynek során a holdi ásványkincsek kiaknázása lesz az elsődleges cél, és közben megsemmisülhetnek a tudományos szempontból igen fontos, ám nyilvánvalóan feltáratlan holdi helyszínek. Az űrjog nem követi a technikai fejlődést, így a helyszínek nem élvezhetnek jogi védelmet, ezért a kutatóknak külön kell a kormányoknál lobbizniuk azért, hogy azok valamit lépjenek, míg nem késő. A feladat pedig sürgős, ezért a tudósok mielőbb egyedi listát állítanak össze a kritikus helyszínekről.
Különleges helyzetük van a holdi vízkészletet rejtő sarkvidéki krátereknek, ahol az állandó árnyékban a hőmérséklet rendkívül alacsony. E kráterek a földi vízkészlet eredetéről árulkodnak. Mindemellett ezek az állandó árnyékban lévő kráterek infra-távcsövek számára is ideális helyszínek, mivel ezeknek hideg környezetben kell működniük. Miközben a James Webb-űrteleszkópot bonyolult árnyékolóval és aktív hűtőrendszerrel kell megfelelően alacsony hőmérsékleten tartani, e holdkráterekben semmi ilyesmire nem volna szükség, és akár 100 méteres átmérőjű teleszkópot is lehetne építeni. Más, szintén az egyedi holdi körülményeket kihasználó teleszkópokat is lehet építeni, még a Holdon is, a Hold túloldalán, a földi rádiózajtól védetten, speciális rádióteleszkópokat. A Hold körüli űrjárművek rádiózaja azonban itt is zavarni fog. A bányászatnak mellékhatásai is vannak: rázkódik a talaj, port ver fel a tevékenység (bár légkör nincs, a napsugárzás hatására töltötté váló részecskék elősegítik a porszemcsék lebegését).
A Hold körüli pályáról és a mintavételi küldetésekből származó információk (https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_resources) a holdi erőforrásokról nagymértékben hozzájárultak a Holdon rejlő helyszíni erőforrás-felhasználás (ISRU) lehetőségeinek megértéséhez, de az ismeret még nem elegendő ahhoz, hogy igazolja a jelentős pénzügyi források lekötését egy ISRU-alapú kampány megvalósításához. Az emberi települések helyszíneinek kiválasztása már történik. A regolit (holdföld) a legkönnyebben beszerezhető termék; sugár- és mikrometeoroidvédelmet, valamint építő- és burkolóanyagokat is képes biztosítani olvasztása esetén. (A vizeletben található karbamid lehet hasznos összetevő, ami segíthet, hogy a beton még megszáradás előtt rugalmasabb legyen. A karbamid egy olyan molekula, ami a hidrogénkötéseket felbontja, ezért sok vizes keverék viszkozitását csökkenti.) A holdi regolit-oxidokból származó oxigén metabolikus oxigén és rakéta hajtóanyag-oxidálószer forrása lehet. A vízjég vizet biztosíthat sugárzásvédelemhez, életfenntartó rendszerekhez, oxigénhez és rakéta hajtóanyag-alapanyaghoz. Az állandóan árnyékolt kráterekből származó illékony anyagok metánt (CH4), ammónia (NH3), szén-dioxid (CO2) és szén-monoxid (CO). A regolitban található különféle ásványokból fémek és egyéb elemek nyerhetők a helyi ipar számára.
A Holdról köztudott, hogy szénben és nitrogénben szegény, fémekben és atomos oxigénben gazdag, de ezek eloszlása és koncentrációja még mindig ismeretlen. A további holdkutatások további, gazdaságilag hasznos anyagok koncentrációit fogják feltárni, és hogy ezek kereskedelmi szempontból kiaknázhatók lesznek-e, az a kitermelésüket támogató energiaforrásoktól és infrastruktúrától függ. Ahhoz, hogy a helyszíni erőforrás-felhasználást (ISRU) sikeresen alkalmazzák a Holdon, elengedhetetlen a leszállóhely jó megválasztása, valamint a megfelelő felszíni műveletek és technológiák azonosítása.
Néhány űrügynökségnél folyamatban van a Hold körüli pályáról történő felderítésl, a leszállóegységek és a marsjárók pedig a helyszínen felderítik az erőforrásokat és a koncentrációkat.
A Holdon bőségesen található napenergia, oxigén és fémek. A Hold felszínén található ismert elemek közé tartozik többek között a hidrogén (H), oxigén (O), szilícium (Si), vas (Fe), magnézium (Mg), kalcium (Ca), alumínium (Al), mangán (Mn) és titán (Ti). A leggyakoribbak közé tartozik az oxigén, a vas és a szilícium. A regolit atomos oxigéntartalmát 45 tömegszázalékra becsülik. Az Apollo 17 űrszonda Hold-atmoszféra-összetételi kísérletének (LACE) tanulmányai azt mutatják, hogy a holdi légkör nyomokban hidrogént (H2), héliumot (He), argont (Ar), és esetleg ammóniát (NH3), szén-dioxidot (CO2) és metánt (CH4) tartalmaz. Számos folyamat magyarázhatja a nyomgázok jelenlétét a Holdon: nagy energiájú fotonok vagy napszelek reakcióba lépnek a Hold felszínén lévő anyagokkal, a holdregolit elpárolgása, üstökösökből és meteoroitokból származó anyaglerakódások, valamint a Hold belsejéből történő gázkiáramlás. Nagyon alacsony koncentrációjú nyomokban előforduló gázok. A Hold légkörének teljes tömege körülbelül 25 000 kilogramm (55 000 font), a felszíni nyomás pedig 3×10 -15 bar (2×10 -15 torr). Egy nyomokban előforduló gáz valószínűleg nem alkalmas a helyszíni erőforrás-felhasználáshoz.
Napenergia
A Holdon a nappalok körülbelül két hétig tartanak, majd körülbelül két hétig éjszaka következik, miközben mindkét holdpólus szinte folyamatosan meg van világítva. A Hold déli pólusán egy olyan régió található, ahol a kráterek peremei szinte állandó napsugárzásnak vannak kitéve, a kráterek belseje azonban állandóan árnyékban van a napfénytől. Napelemeket lehetne közvetlenül a hold talaján előállítani egy közepes méretű (~200 kg-os) roverrel, amely képes a regolit melegítésére, a napelem szerkezetéhez megfelelő félvezető anyagok elpárologtatására közvetlenül a regolit hordozón, valamint fémes érintkezők és összekötők leválasztására, hogy egy teljes napelemrendszert közvetlenül a földre lehessen helyezni. Ez a folyamat azonban kálium-fluorid importját igényli a Földről, hogy a regolitból megtisztítsák a szükséges anyagokat.
A Holdon a nappalok körülbelül két hétig tartanak, majd körülbelül két hétig éjszaka következik, miközben mindkét holdpólus szinte folyamatosan meg van világítva. A Hold déli pólusán egy olyan régió található, ahol a kráterek peremei szinte állandó napsugárzásnak vannak kitéve, a kráterek belseje azonban állandóan árnyékban van a napfénytől. Napelemeket lehetne közvetlenül a hold talaján előállítani egy közepes méretű (~200 kg-os) roverrel, amely képes a regolit melegítésére, a napelem szerkezetéhez megfelelő félvezető anyagok elpárologtatására közvetlenül a regolit hordozón, valamint fémes érintkezők és összekötők leválasztására, hogy egy teljes napelemrendszert közvetlenül a földre lehessen helyezni. Ez a folyamat azonban kálium-fluorid importját igényli a Földről, hogy a regolitból megtisztítsák a szükséges anyagokat.
Nukleáris energia
A Kilopower maghasadásos rendszert megbízható villamosenergia-termelésre fejlesztik, amely lehetővé tehetné a hosszú távú, emberlakta bázisok létrehozását a Holdon, esetleg a Marson is. A rendszer ideális a Holdon és a Marson található olyan helyszíneken, ahol a napfényből származó energiatermelés szakaszos. Az urán és a tórium egyaránt jelen van a Holdon, de a nukleáris üzemanyagok nagy energiasűrűsége miatt gazdaságosabb lehet a megfelelő üzemanyagokat a Földről importálni, mint helyben előállítani.
A Kilopower maghasadásos rendszert megbízható villamosenergia-termelésre fejlesztik, amely lehetővé tehetné a hosszú távú, emberlakta bázisok létrehozását a Holdon, esetleg a Marson is. A rendszer ideális a Holdon és a Marson található olyan helyszíneken, ahol a napfényből származó energiatermelés szakaszos. Az urán és a tórium egyaránt jelen van a Holdon, de a nukleáris üzemanyagok nagy energiasűrűsége miatt gazdaságosabb lehet a megfelelő üzemanyagokat a Földről importálni, mint helyben előállítani.
Ígéretesebbek a radioizotópos termoelektromos generátorok (RTG-k, az atomenergia egy másik formái), amelyek a radioizotópok természetes bomlását használják ki az indukált hasadás helyett. Évtizedek óta használják őket az űrben – beleértve a Holdat is. A szokásos eljárás a megfelelő anyagok Földről történő beszerzése, de a plutónium-238 vagy a stroncium-90 előállítható a Holdon is, ha vannak olyan alapanyagok, mint a kiégett nukleáris fűtőelemek (akár a Földről szállítják feldolgozásra, akár helyi hasadóreaktorokban állítják elő). Az RTG-k felhasználhatóak a rendelkezésre álló napfénytől független energiaellátásra, mind a holdi, mind a nem holdi alkalmazásokhoz. Az RTG-k káros, mérgező és radioaktív anyagokat tartalmaznak, ami baleset esetén aggodalomra adhat okot ezen anyagok véletlen. nem szándékos eloszlása miatt.
Elméleti holdi erőforrás a nukleáris fúzió potenciális üzemanyagai. A hélium-3 különös médiafigyelmet kapott, mivel a holdi regolitban nagyobb mennyiségben van jelen, mint a Földön. Azonban az emberiség eddig nem alkalmazta ellenőrzött módon a magfúziót, nettó felhasználható energia kibocsátásával. Továbbá, míg a hélium-3 szükséges a magfúzió egy lehetséges változatához, mások ehelyett a Földön könnyebben előállítható magokra, például a tríciumra, a lítiumba vagy a deutériumba támaszkodnak.
Oxigén
A regolit elemi oxigéntartalmát 45 tömegszázalékra becsülik. Az oxigén gyakran megtalálható a vasban gazdag holdásványokban és üvegekben vas-oxid formájában. Ilyen holdásványok és -üvegek például az ilmenit, az olivin, a piroxén, az ütőüveg és a vulkáni üveg. A Holdon az oxigén különböző izotópjai vannak jelen, a 16O, 17O és 18O. Legalább húsz különböző lehetséges eljárást írtak le az oxigén kinyerésére a holdi regolitból, de mindegyik nagy energiabefektetést igényel: 2-4 megawattév-nyi energiát 1000 tonna oxigén előállításához. Míg a fém-oxidokból történő oxigénkivonás szintén hasznos fémeket termel, a víz alapanyagként való felhasználása nem. A holdbéli talajból történő oxigéntermelés egyik lehetséges módszere két lépésből áll. Az első lépés a vas-oxid hidrogéngázzal történő redukciója, melynek során elemi vas (Fe) és víz (H2O) keletkezik. A vízből ezután elektrolízissel oxigén állítható elő, amely alacsony hőmérsékleten cseppfolyósítható és tárolható. A felszabaduló oxigén mennyisége a hold ásványaiban és az üvegben található vas-oxid mennyiségétől függ. A holdi talajból történő oxigéntermelés viszonylag gyors folyamat, néhány tíz perc alatt lezajlik. Ezzel szemben a holdüvegből az oxigén kinyerése több órát vesz igénybe.
A regolit elemi oxigéntartalmát 45 tömegszázalékra becsülik. Az oxigén gyakran megtalálható a vasban gazdag holdásványokban és üvegekben vas-oxid formájában. Ilyen holdásványok és -üvegek például az ilmenit, az olivin, a piroxén, az ütőüveg és a vulkáni üveg. A Holdon az oxigén különböző izotópjai vannak jelen, a 16O, 17O és 18O. Legalább húsz különböző lehetséges eljárást írtak le az oxigén kinyerésére a holdi regolitból, de mindegyik nagy energiabefektetést igényel: 2-4 megawattév-nyi energiát 1000 tonna oxigén előállításához. Míg a fém-oxidokból történő oxigénkivonás szintén hasznos fémeket termel, a víz alapanyagként való felhasználása nem. A holdbéli talajból történő oxigéntermelés egyik lehetséges módszere két lépésből áll. Az első lépés a vas-oxid hidrogéngázzal történő redukciója, melynek során elemi vas (Fe) és víz (H2O) keletkezik. A vízből ezután elektrolízissel oxigén állítható elő, amely alacsony hőmérsékleten cseppfolyósítható és tárolható. A felszabaduló oxigén mennyisége a hold ásványaiban és az üvegben található vas-oxid mennyiségétől függ. A holdi talajból történő oxigéntermelés viszonylag gyors folyamat, néhány tíz perc alatt lezajlik. Ezzel szemben a holdüvegből az oxigén kinyerése több órát vesz igénybe.
Vízkinyerés
Több keringő szonda összesített bizonyítékai arra utalnak, hogy vízjég van jelen a Hold felszínén a sarkokon, de főként a déli pólus régiójában. Megállapították, hogy a Hold állandó árnyékban lévő felszínének összesített területe az északi féltekén 13 361 km2, a déli féltekén pedig 17 698 km2, ami összesen 31059 km 2-t jelent. Jelenleg nem ismert, hogy ezek az állandóan árnyékolt területek mennyi vízjeget és más illékony anyagokat tartalmaznak. Arra a következtetésre jutottak, hogy a vízjégnek apró (< ~10 cm), különálló jégdarabok formájában kell lennie, amelyek a regolitban oszlanak el, vagy vékony bevonatként a jégszemcséken.
Extrakciós módszerek
A kiterjedt holdi tengereket bazaltos lávafolyások alkotják. Ásványtanukat öt ásvány kombinációja uralja:
A kiterjedt holdi tengereket bazaltos lávafolyások alkotják. Ásványtanukat öt ásvány kombinációja uralja:
anortitok (CaAl2Si2O8),
ortopiroxének ((Mg,Fe)SiO3),
klinopiroxének (Ca(Fe,Mg)Si2O6),
olivinek ((Mg,Fe)2SiO4) és
ilmenit (FeTiO3),
amelyek mind bőségesen előfordulnak a Holdon.
A Hold felszínének kémiai összetétele:
Vegyületképlet összetétele
szilícium-dioxid SiO2 45,4% 45,5%
alumínium-oxid Al2O3 14,9% 24,0%
mész CaO 11,8% 15,9%
vas(II)-oxid FeO 14,1% 5,9%
magnézium-dioxid MgO 9,2% 7,5%
titán-dioxid TiO2 3,9% 0,6%
nátrium-oxid Na2O 0,6% 0,61%
szilícium-dioxid SiO2 45,4% 45,5%
alumínium-oxid Al2O3 14,9% 24,0%
mész CaO 11,8% 15,9%
vas(II)-oxid FeO 14,1% 5,9%
magnézium-dioxid MgO 9,2% 7,5%
titán-dioxid TiO2 3,9% 0,6%
nátrium-oxid Na2O 0,6% 0,61%
Felmerült, hogy az olvasztárok feldolgozhatják a bazaltos lávát, és tiszta kalciummá, alumíniummá, oxigénné, vassá, titánná, magnéziummá és szilícium-dioxid üveggé bonthatják. Az Európai Űrügynökség 2020-ban finanszírozást ítélt oda a Metalysisnek az FFC Cambridge eljárás továbbfejlesztésére, amelynek célja a titán regolitból történő kinyerése, miközben melléktermékként oxigén keletkezik. A nyers holdanortitot üvegszál és más kerámiatermékek előállítására is fel lehetne használni. Egy másik javaslat a Földről hozott fluorid kálium-fluoridként való felhasználását irányozza elő a nyersanyagok holdkőzetektől való elválasztására.