Технологии извлечения воды из грунтов космических природных объектов

- © П.П. Ананьев, О.М. Гридин,

А.В. Плотникова, Ю.В. Смирнова, 2013

УДК 330 15 91

П.П. Ананьев, О.М. Гридин, А.В. Плотникова, Ю.В. Смирнова

ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ВОДЫ ИЗ ГРУНТОВ КОСМИЧЕСКИХ ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Проведен обзор современных технологий извлечения воды из лунного грунта. Показано, что извлечение воды из лунного грунта технически возможно, но требует значительных затрат. Изложены результаты исследований Научно-образовательного центра «Инновационные горные технологии» при Московском Государственном Горном Университете, которые свидетельствуют о возможности эффективной добычи воды из лунного грунта на основе магнитно-импульсной технологии. Масса разрабатываемого технологического модуля в 9,45 раз меньше, производительность по перерабатываемому грунту в 1,25 раза больше, а по выходу воды в 3,75 раза больше чем у аналога NASA RASSOR Excavator. Ключевые слова: добыча полезных ископаемых, космическое пространство, магнитно-импульсная обработка, добыча воды, Луна

Лобыча полезных ископаемых вне Земли - неизбежное будущее для человечества. О возможности такой добычи существует масса публикаций в различных источниках. Но экономические показатели ставят свои условия для добычи и переработке полезных ископаемых в космосе. Доставка 1 кг груза на околоземную орбиту составляет около десяти тысяч долларов США, доставка того же груза на Луну - двадцати тысяч долларов США. Еще дороже обойдется доставка космических полезных ископаемых для переработки на Землю. В то же время, по оценкам специалистов НАСА доставка того же количества груза из пояса астероидов или с Марса на орбиту Луны потребует гораздо меньших затрат. Таким образом, можно предположить, что именно Луна явится в обозримом будущем объектом добычи и переработки полезных ископаемых вне Земли. Для обеспечения такой деятельности на Луне необходимо обеспечить по-

лучение из местного сырья воды и кислорода, наличие которых позволит решить основную логистическую задачу - получение водородного ракетного топлива.

Впервые сведения об обнаружении воды на Луне были опубликованы в 1978 году советскими исследователями в журнале «Геохимия». Факт был установлен в результате анализа образцов, доставленных зондом «Луна-24» в 1976 году. Доля воды найденной в образце грунта составила 0,1 % .[1]

Группа геохимиков во главе с Джереми Бойсом из Калифорнийского технологического института доказала наличие воды в форме гидро-ксильных групп, входящих в структуру фосфорсодержащих минералов апатитов, которые были привезены на Землю миссией «Аполлон-14» [2].

Российские учёные, с помощью созданного ими прибора LEND, установленного на зонде LRO, выявили участки Луны, наиболее богатые во-

дородом. На основании этих данных HACA выбрало место для проведения бомбардировки Луны зондом LCROSS. После проведения эксперимента, 13 ноября 2009 года HACA сообщило об обнаружении в кратере Кабеус в районе южного полюса воды в виде льда.

Согласно данным, переданным радаром Mini-SAR, установленном на индийском лунном аппарате Чандра-ян-1, в регионе северного полюса обнаружено не менее 600 млн. тонн воды, большая часть которой находится в виде ледяных глыб, покоящихся на дне лунных кратеров. Вода была обнаружена в более чем 40 кратерах, диаметр которых варьирует от 2 до 15 км. Сейчас уже нет никаких сомнений в том, что найденный лёд — это именно водный лёд [3].

Местами, недра Луны содержат больше воды, чем некоторые участки земной мантии. Об этом свидетельствует анализ образцов лунного грунта, доставленных американскими астронавтами в ходе миссий по программе «Аполлон» в конце 60-х — начале 70-х годов. Исследователи использовали метод так называемого ионного микрозондирования, который позволяет обнаруживать содержание самых малых следов воды с очень высокой точностью[4].

Истолченные образцы расплавных включений они облучали тонким пучком ионов цезия, что позволило собрать достаточное количество данных, свидетельствующих, что вода там содержится в количествах, превышающих прежние оценки в сто раз. Если данное предположение подтвердится, то можно надеяться на извлечение до 100 литров воды из одной тонны грунта.

Зарегистрировано было также неожиданно высокое содержание элементов, которые обычно обнаружи-

вают в образцах земной магмы — серы, фтора, хлора [5]. Основные минеральные фазы лунных пород плагиоклаз, пироксен, оливин, ильменит и минералы группы шпинели. Плагиоклазы - твердый раствор альбита (НаА1Б1308) и анортита (СаА12Б1208). Лунные плагиоклазы близки по составу к анортиту. Пироксены в первом приближении можно подразделить на ортопиросены, имеющие состав (Мд,Ре)БЮ3, и клинопироксены -(Са,Мд,Ре)БЮ3, содержащие обычно некоторые повышенные концентрации Т1, А1 и Сг. В лунных породах присутствуют как орто- так и клино-пироксены. Оливины имеют более простой состав - (Мд,Ре)2БЮ4 и в породах лунной коры наблюдаются как магнезиальные, так и железистые разности этой фазы. Ильменит - рудный минерал (РеТЮЗ) впервые был обнаружен в Ильменских горах на Урале и от этих гор и получил свое название. Минералы группы шпинели - в лунных породах в основном представлены серией твердых растворов хромита (РеСг204) и ульвошпинели (Ре2ТЮ4) с некоторой примесью гер-цинита (РеА1204). Установлена также и сама шпинель (МдА1204), содержащая примеси Ре и Сг.

Наличие в лунной породе химически связанной воды проявляется только при ее нагревании; она обуславливает изменение свойств породы при высоких температурах. Вследствие нарушения кристаллической решетки минералов при выделении из них химически связанной воды происходит ослабление и разрушение пород, а в ряде случаев их упрочнение (глины). Известно, что химически связанная вода наряду с другими молекулами и ионами входит в состав кристаллической решетки минералов; удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращению его

в другое, безводное соединение. Вода, находящаяся в кристаллической решетке в виде молекул, называется кристаллизационной. Она характерна, например, для гипса (Са804 •2Н20), опала (Si02 -пИ20), карналлита (KCl-MgCl2-6H20) и многих других минералов. Кристаллизационная вода, как правило, удаляется при температуре 200—600 °С. Воду, образующуюся при нагреве из входящих в кристаллическую решетку гидро-ксильных ионов (ОН- и Н+), называют конституционной, температура ее выделения до 1300°С. Ее наличие характерно для таких минералов, как тальк, малахит, каолинит и др.[6].

Одна из самых ранних идей извлечения лунной воды принадлежит Фрицу Звицки (Fritz Zwicky), американскому астрофизику швейцарского происхождения. Основным источником энергии для лунной установки Звицки служит Солнце. Его лучи с помощью специальных движущихся зеркал постоянно фокусируются на камере из прозрачного пластика, внутри которой находится лунный грунт. Большинство лунных пород имеет вулканическое происхождение и потому должны содержать и себе, по мнению Ф. Звицки, от 1 до 10 % кристаллизационной воды. Когда лунные минералы будут нагреты Солнцем до температуры примерно 3000оС, вода начнет выпариваться из породы. Водяной пар прежде его конденсации можно использовать для привода турбины с целью выработки электроэнергии. Сконденсированный пар дает питьевую воду, часть которой используют и для полива лунных растений. Предполагается, что из некоторых лунных пород удастся получить и азот [7]. Неточности в данных можно объяснить отсутствием в то время сведений о составе лунного грунта, в котором нет карбонатов.

Есть неточности и в температурных показателях.

К более современным проектам принадлежит проект фирмы «Карбо-тек» (г. Хьюстон, США), включающий по контракту с НАСА разработку крупной установки на лунной поверхности для производства кислорода в количествах, позволяющих использовать его в качестве ракетного топлива в двигателях водородно-кислородного типа. В качестве исходного материала предполагается использовать породы, обогащенные ильменитом. В установке происходит процесс экстракции при температурах от 700 до 1200 °C и давлении 10 атм. Проект рассчитан на 400 т полезной нагрузки для транспортировки на лунную поверхность оборудования, из которых 45 т приходится на энергетическую установку мощностью 5 МВт для поддержания процесса экстракции. Такой «кислородный завод» на лунной поверхности должен давать 1000 т кислорода в год. Принцип работы установки заключается в нагревании массы исходного материала (от солнечного коллектора) до 700 °C при давлении до 10 атм. При этом из лунного вещества выделятся и другие газы. Наиболее эффективная технология - сжигание полученной из реголита смеси газов в лунном кислороде с последующим отделением воды [8].

Менее энергоемким является проект британских химиков. Кембриджские ученые предложили добывать кислород с помощью метода электрохимического разложения горных пород Луны, которые состоят из оксидов - соединений металлов с кислородом [9]. В предложенной электрохимической ячейке роль катода играет фрагмент породы, а анод сделан из инертной смеси титаната и рутената кальция (СаТЮз и CaRuO3). Электро-

ды погружены в расплав хлорида кальция. При пропускании электрического тока кислород из материала катода высвобождается в среду расплава. После этого анионы кислорода переходят к аноду, на котором выделяется молекулярный кислород. Эксперименты, проводившиеся на искусственно полученной из материалов NASA лунной породе, показали, что три реактора высотой в один метр могли бы производить на Луне из трех тонн местных пород одну тонну кислорода в год. Для обеспечения работы этих реакторов понадобится около 4 кВт мощности, которую могут обеспечить либо солнечные батареи, либо небольшой ядерный реактор.

Большой интерес представляют заявления и проекты ближайшего будущего компаний:

Американская компания SpaceX (AstroboticTechnology) занимается разработкой двух луноходов и посадочного модуля. Один из луноходов будет предназначен для добычи воды на полюсах Луны, второй - для изучения средних широт Луны. Спускаемый модуль предназначен для автономного перелета к Луне и мягкой посадки с луноходом на борту. Компания уже зарезервировала старт ракеты-носителя Falcon 9 (Серия ракет-носителей, разработанных американской компанией SpaceX) в 2015 году [10].

NASA (США) разрабатывает проект по созданию специализированного робота-погрузчика массой 45 кг., максимальная скорость передвижения не превышает 4 сантиметров в секунду, грузоподъемность (по грунту) 18 кг, место переработки грунта -технологическая платформа массой 900кг. По расчётам, чтобы заправить одну ракету топливом, получаемым гидролизом из лунной воды (кислород и водород), одному RASSOR

Ехсауа1ог'у потребуется работать пять лет по 16 часов в сутки. Завершение указанного ОКР планируется на 2014 год [11].

Американская энергетическая компания «Шеклтон» ведет исследования, направленные на разработку горных месторождений Луны в течение ближайших нескольких лет. Планы компании предполагают плавление льда и очистку воды, превращение воды в кислород и перекись водорода, а затем конденсацию газов в жидкий водород, жидкий кислород и перекись водорода, которые являются потенциальным ракетным топливом.

Добываемая вода будет использоваться исключительно в качестве ракетного топлива, чтобы обеспечить операции внутри низкой околоземной орбиты - например, космический туризм и удаление космического мусора, а также для деятельности на Луне и в более удалённом космическом пространстве. В настоящий момент компанией реализуется первый этап, включающий в себя создание команды для миссии, поиск инвесторов для финансирования, а также детальное планирование дальнейшей работы.

Второй этап предполагает запуск на Луну двух беспилотных вездеходов для разведки водных месторождений. В дальнейшем планируется создать несколько станций по заправке и техническому обслуживанию на низкой околоземной орбите [12].

В настоящий момент Научно-образовательный центр «Инновационные горные технологии» (НП ЦИГТ), созданный при участии Московского государственного горного университета и Института проблем комплексного освоения недр РАН, приступил к разработке технологии извлечения воды из обезвоженных грунтов.

Масса Пpoнзвoднтельнocть прн nepei^áo-rKe грунта Bbixoa вoды

Технологический модуль 100 кг 100 кг/ч 1,5л/час

RASSOR Excavator 94B кг 80 кг/ч 0,4 л/час

Рассматривается два основных направления по возможным способам добычи воды на космических объектах:

- получение воды изо льда. Этот метод является наиболее перспективным, но может иметь серьезные недостатки, связанные с необходимостью разведки и сложностью проведения горных работ;

- получение воды из имеющегося грунта, который, как правило, является обезвоженным.

Существующие исследования

структуры и свойств воды в космических грунтах в настоящий момент не могут дать достаточно информации о ее свойствах. Предположительно, вода в грунте представляет собой кристаллическую модификацию похожую на лед в виде физически связанной воды или находится в гидроксидах.

НП ЦИГТ планирует применить технологии, основанные на ряде физических воздействий. Использование электромагнитных воздействий может обеспечить ослабление связей в физически и химически связанной воде. Предлагается разработать техноло-

1. Американский ученый признал приоритет СССР в обнаружении воды на Луне. Lenta.ru (30 мая 2012).

2. Ученые нашли новый источник воды на Луне. Weekend: 23-25 июля 2010 года (130). РИА Новости http://ria.ru/science/20100721/257098290 .html#ixzz2Xd10fCbC

3. Луна. Википедия. 13.06.2013. Российские учёные указали на потенциальные локации воды на Луне

гию и ее аппаратное обеспечение, основанную на воздействии на грунт электромагнитных полей различных частот и интенсивностей. Предварительные эксперименты на земных аналогах космических грунтов показали возможность значительного повышения извлечения воды.

Для реализации указанных эффектов центром, планируется создание макета технологического модуля, способного в непрерывном режиме извлекать из обезвоженного грунта воду.

Ожидаемые технические характеристики модуля НП ЦИГТ по сравнению с аналогом NASA приведены в таблице.

Предварительные результаты экспериментальных исследований показали перспективность использования импульсных электромагнитных воздействий в технологии извлечения воды. Имеются предпосылки по увеличению извлечения воды в 1,5 - 1,7 раза и снижению температуры выпаривания в 1,5 ч 2,5 раза по сравнению с заявленными методами получения воды из грунтов природных космических объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Джонатан Эймос, Научный отдел Би-Би-Си. «На Луне нашли значительное количество воды»

B. High Pre-Eruptive Water Contents Preserved in Lunar Melt Inclusions (Erik H. Hauri, Thomas Weinreich, Alberto E. Saal, Malcolm C. Rutherford, James A. Van Or-man). Published Online May 26 2011 Science 8 July 2011: Vol. 333 no. 6039 pp. 213-21B DOI: 10.1126/science. 1204626

6. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. Изд. 3-е. перераб. и доп. М., «Недра», 1978. 390 с.

7. Зигель Ф.Ю. Можно ли жить на Луне? ЫйрУ/аБ^опаийса. ги/роЫу-у-коБто5/оБУоеше-1ипу/289.Ы:т1.

8. Шевченко В.В. Лунная база. М.: Знание, 1991. - 64 с., ил. - (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»: № 6).

9. Химики придумали, как получить кислород на Луне. 13 августа 2009. Нау-ка/Корреспондент.пе:.

10. Водяной двигатель (26.07.2013). Ыйр://шшш.соБтоБ-]оигпа1.ги/аг-Нс1еБ/1422/

11. HACA создает робота для добычи воды на луне (26.07.2013). http://compulenta.computerra.ru/tehnika/rob otics/10004210/

12. Добыча ископаемых на Луне может стать реальностью (26.07.2013). http://tainy.net/22924-dobycha-iskopaemyx-na-lune-mozhet-stat-realnostyu.html

13. Микроволновые пушки помогут добывать воду на Луне и на Марсе - ученый (26.07.2013).

http://ria.ru/science/20081006/151915934 .html ГТТТГ^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Ананьев Павел Петрович - кандидат технических наук, специалист в области электромагнитных технологий, генеральный директор Некоммерческого Партнерства «Научно-образовательный центр «Инновационные горные технологии» (НП ЦИГТ), ад:@таП.ги Гришин Олег Михайлович - доктор технических наук, профессор, дп<1тот@уап<1ех.ги Московский государственный горный университет,

Плотникова Анна Валерьевна - старший научный сотрудник Некоммерческого Партнерства «Научно-образовательный центр «Инновационные горные технологии» (НП ЦИГТ), старший преподаватель, Московский государственный горный университет, ад:@таП.ги Смирнова Юлия Владимировна - заместитель директора ООО «ГАН», дип_роБ:@таП.ги

А

ГОРНАЯ КНИГА -

Освоение минеральных объектов н методология оценки

Г.В. Секисов, Н.В. Зыков 2012 г. 432 с.

ISBN: 978-5-98672-345-7 UDK: 553.04:622.013.3

Изложены состав и содержание иерархических систем; исходных понятийно-терминологических и научно-производственных категорий; минеральных объектов освоения; способов и методов их освоения; минеральных производств, их продукции и минеральных отходов. Рассмотрены принципы и признаки рационального и эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых. Обоснованы и развиты методы оценки результатов освоения, включая рациональность и эффективность сквозного освоения минеральных объектов, главным образом твердоминеральных.

Для научных работников, специалистов, преподавателей, аспирантов и студентов горногеологического профиля.