در آینده‌ای نه‌چندان دور، دانشمندان و فضانوردان قصد دارند پایگاه‌هایی در ماه بسازند تا از آنجا به کاوش‌های فضایی خود ادامه دهند. ساخت چنین پایگاه‌هایی چالش‌های بسیاری دارد؛ یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها تأمین اکسیژن است؛ گازی که برای بقای فضانوردان ضروری است. این گاز همچنین برای ساخت ابزار و تجهیزات نیز کاربرد دارد. در همین راستا، مهندسان و دانشمندان فناوری‌هایی را آزمایش می‌کنند که می‌تواند اکسیژن را از خاک ماه (رگولیت) استخراج کند. یکی از این آزمایش‌ها را با هم مرور می‌کنیم.
مهندسان درون کره‌ای بزرگ با دقت روی تجهیزات خود کار می‌کردند. در مقابل آنها دستگاهی فلزی به رنگ نقره‌ای قرار داشت که با سیم‌های رنگی پیچیده شده بود؛ جعبه‌ای که امیدوارند روزی در ماه اکسیژن تولید کند. در این آزمایش، دانشمندان دستگاه تولید اکسیژن از خاک ماه را درون گوی بزرگی قرار دادند؛ زیرا درون این گوی شرایط ماه ازجمله خلأ و دماهای بالا تقلید شده است.
زمانی که تیم از گوی خارج شد، آزمایش آغاز شد. دستگاه جعبه‌شکل مقادیر کمی از رگولیت –مخلوطی از گرد و غبار با ترکیب شیمیایی مشابه خاک ماه– را به درون خود کشید سپس آن را به‌صورت خمیر درآورد. این خمیر تا دمای ۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد گرم شد. سپس برخی مواد واکنش‌دهنده به آن اضافه شدند تا مولکول‌های حاوی اکسیژن شکل بگیرند. در این زمان، حباب‌هایی درون خمیر ایجاد شدند.
این آزمایش تابستان سال ۱۴۰۳ در مرکز فضایی «جانسون» ناسا انجام شد. این فقط یکی از فناوری‌هایی است که محققان درحال توسعه آن هستند تا بتوانند منابع تأمین انرژی برای حضور فضانوردان در پایگاه‌های تحقیقاتی ماه را فراهم کنند. «برنت وایت»، مدیر برنامه شرکت خصوصی «Sierra Space»، می‌گوید: «ما تمام آزمایش‌های لازم برای تأیید این سیستم تولید اکسیژن را در زمین با موفقیت پشت سر گذاشته‌ایم. نوبت آن رسیده این دستگاه به ماه برود.»
نتایج این آزمایش شگفت‌انگیز و قابل‌توجه بود اما هنوز چالش‌های بزرگی وجود دارد: گرانش ماه و جنس رگولیت. آزمایش‌هایی که براساس اصول علمی روی زمین یا حتی در مدار زمین انجام می‌شوند، نمی‌توانند گرانش ضعیف ماه را شبیه‌سازی کنند. این یکی از مسائلی است که هنوز حل نشده و باید در مأموریت‌های واقعی ماه در آینده آزمایش شود. رگولیت ماه نیز به علت ویژگی‌های منحصربه‌فردی که دارد، مانند جنس سخت و تیز، به‌راحتی در هوا معلق می‌ماند و با ورود به موتور دستگاه‌ها می‌تواند آنها را خراب کند.
«پاول بورک» از دانشگاه «جان هاپکینز» می‌گوید: «گرانش ماه ممکن است برای برخی فناوری‌های استخراج اکسیژن مشکل‌ساز باشد، مگر اینکه مهندسان طراحی ویژه‌ای برای آن انجام بدهند.» فروردین سال گذشته، بورک و همکارانش مقاله‌ای منتشر کردند که نتایج شبیه‌سازی‌های کامپیوتری را نشان می‌داد. این مقاله شرح داد چگونه فرایند استخراج اکسیژن ممکن است تحت‌تأثیر گرانش ضعیف ماه قرار بگیرد. فرایندی که در این مقاله بررسی شده، الکترولیز رگولیت مذاب است که از برق برای شکستن مواد معدنی حاوی اکسیژن در خاک ماه استفاده می‌کند تا اکسیژن را مستقیم استخراج کند.
مشکل این است که این تکنولوژی با تشکیل حباب‌های اکسیژن روی سطح الکترودها در عمق رگولیت مذاب عمل می‌کند. بورک می‌گوید: «رگولیت مانند عسل بسیار چسبناک است و ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد که کارکردن با آن را دشوار می‌کند. همین ویژگی‌ها سبب می‌شوند این حباب‌ها به‌سرعت بالا نروند و ممکن است در جدا شدن از الکترودها تأخیر داشته باشند.»
ممکن است راه‌حل‌هایی نیز وجود داشته باشد. یکی از این راه‌حل‌ها می‌تواند لرزاندن دستگاه باشد تا حباب‌ها از الکترودها جدا شوند. همچنین استفاده از الکترودهای صاف‌تر ممکن است باعث شود حباب‌ها راحت‌تر جدا شوند. استفاده از سونیکاتورکه با کمک امواج صوتی حباب‌ها را جدا کند، از دیگر راهکارهای ممکن است.
دانشمندان تخمین زده‌اند هر فضانورد در روز به مقداری اکسیژن نیاز دارد که معادل 2 یا 3 کیلوگرم رگولیت است که باید در دستگاه تولید اکسیژن مصرف شود، البته این بسته به سطح آمادگی جسمانی و فعالیت‌های فضانورد متفاوت است. سیستم‌های پشتیبانی زندگی در پایگاه‌های ماه احتمالاً اکسیژن بازدم فضانوردان را بازیابی می‌کنند تا مجدداً بهجای اکسیژن استفاده شوند؛ بنابراین نیاز به پردازش مقدار زیادی رگولیت برای زنده نگه‌داشتن ساکنان ماه نیست.
اکسیژن فقط برای تنفس فضانوردان نیاز نیست، بلکه از آن برای تولید سوخت موشکی که فضاپیماها را تا مقاصد دورتر -مانند مریخ- می‌برد نیز استفاده می‌کنند. چه چیزی باید برای تأمین مواد موردنیاز چنین مأموریت‌هایی استفاده شود؟ جواب در خاک خاکستری‌رنگ ماه نهفته است.
خاک ماه مقدار زیادی فلز و ماده معدنی حاوی اکسیژن در خود دارد. استخراج این مواد می‌تواند به کاهش هزینه مأموریت‌های فضایی دور -مثل سفر به مریخ- کمک کند؛ زیرا آوردن این منابع از زمین به ماه نه‌فقط هزینه هنگفتی دارد، بلکه به دلایل فنی بسیار دشوار است.
«پالاک پاتل»، دانشجوی دکتری دانشگاه «MIT»، همراه همکارانش موفق به طراحی سیستم آزمایشی الکترولیز رگولیت مذاب برای استخراج اکسیژن و فلزات از خاک ماه شده‌اند. ماشین‌هایی که با این ایده کار می‌کنند، در آینده‌ای نه‌چندان دور می‌توانند فلزاتی مانند آهن، تیتانیوم یا لیتیوم را از خاک ماه استخراج کنند. این مواد می‌توانند به فضانوردان ماه کمک کنند قطعات یدکی چاپ سه‌بعدی برای پایگاه خود بسازند یا اجزای جایگزین برای فضاپیماهای آسیب‌دیده تولید کنند.
همچنین پاتل اشاره می‌کند در آزمایش‌های جداگانه، او رگولیت شبیه‌سازی‌شده را به ماده‌ای شیشه‌ای مقاوم تبدیل کرده است. شیشه می‌تواند در ساخت پایگاه استفاده شود. علاوه‌براین، او و همکارانش روش‌هایی پیدا کرده‌اند که این ماده را به آجرهای توخالی و مقاوم تبدیل کنند که آن نیز می‌تواند برای ساخت سازه‌ها در ماه استفاده شود.
باوجود چنین چالش‌هایی، پژوهشگران امیدوارند با طراحی دقیق‌تر دستگاه‌ها و آزمایش‌های بیشتر، بتوانند علاوه‌بر تولید اکسیژن از خاک ماه، راهی برای بهره‌برداری از منابع موجود در ماه نیز پیدا کنند. این کار نه‌فقط هزینه‌های مأموریت‌ها را کاهش می‌دهد، بلکه می‌تواند به تسهیل سفرهای فضایی به سیارات دیگر، ازجمله مریخ، کمک کند.
