Produrre ossigeno per le future basi lunari dalla regolite

Estrarre ossigeno dalla Luna: l’ESA ci è riuscita con la regolite. L’agenzia spaziale europea sta mettendo a punto un metodo per estrarre l’ossigeno dalla regolite, direttamente sulla Luna. Questo articolo potrebbe iniziare con un bel “trovato ossigeno sulla Luna“, magari scritto tutto in maiuscolo per sottolineare l’importanza della scoperta. Ma commetteremmo un errore, perché la presenza dell’ossigeno sul satellite naturale della Terra era nota da tempo. Non nella debole atmosfera lunare, non prodotto da esseri vegetali: per trovarlo bisogna cercare… nel suolo lunare.

E’ possibile utilizzare questo ossigeno per rendere abitabile un’atmosfera ostile come quella della Luna? L’ESA sta sviluppando un metodo per poter estrarre questa risorsa, ma non senza difficoltà.La Regolite

Il suolo lunare è caratterizzato da molti strati, il più esterno dei quali è uno strato di roccia chiamato “Roccia Madre”. Questa Roccia Madre è rivestita da materiale polveroso, tecnicamente definito come granulomateria eterogenea. Il nome rende l’idea di un “terriccio” insomma.

Chiunque stia leggendo questo articolo avrà sicuramente avuto modo di vedere una delle immagini più importanti della storia umana: l’impronta lasciata dall’astronauta Neil Armstrong durante il primo sbarco sulla Luna (20 luglio 1969).

Ecco, quello è il materiale polveroso di granulomateria eterogenea: la regolite. Ve ne abbiamo parlato qualche tempo fa in concomitanza dell’apertura dei campioni di suolo lunare delle missioni apollo. Si tratta quindi della parte più esterna del suolo lunare, quella a contatto con l’atmosfera e che, sorprendentemente, contiene anche ossigeno.Due pugni di polvere

L’immagine che segue ha un certo fascino, perché mostra due porzioni di regolite in due stati diversi: nella parte sinistra dell’immagine potete osservare la Regolite così come appare in natura, mentre sulla destra è presente la stessa regolite ma trattata attraverso un processo di estrazione dell’ossigeno dal suo interno. Dopo aver estratto tutto l’ossigeno presente, ciò che resta è un insieme di leghe metalliche.
Quindi in realtà, i vantaggi derivanti da questa operazione sono due: aver ottenuto una certa quantità di ossigeno ed una certa quantità di metalli. Questo concetto è molto importante perché, in un ambiente ostile e quasi “sterile” come quello lunare, avere a disposizione in loco sia l’ossigeno che il metallo significa poter pensare di utilizzarli per sviluppare tecnologie direttamente sulla Luna, come strutture metalliche e impianti per la produzione di propellente per razzi.E’ stata fortuna?

I campioni prelevati dalla superficie della Luna confermano che la regolite lunare è composta per il 40% circa di ossigeno in peso, il che lo rende l’elemento più abbondante presente al suo interno. Non c’è bisogno di sottolineare come l’ossigeno sia una risorsa estremamente preziosa, ma è invece doveroso specificare un aspetto legato alla sua estrazione. L’ossigeno presente nella regolite è legato chimicamente al materiale sotto forma di ossidi, è quindi non disponibile per l’uso immediato.

C’è bisogno di un processo di estrazione altamente ingegnerizzato. Lo studio che ne descrive le varie fasi fa parte di un progetto gestito attraverso il Networking and Partnering Initiative dell’ESA, sfruttando una rete di ricercatori accademici avanzata, volta proprio alle applicazioni spaziali.

Ecco la ricetta

Il trattamento a cui è stato sottoposto il campione di regolite lunare è stato eseguito utilizzando un metodo chiamato elettrolisi del sale fuso (molten salt electrolysis). Esistono metodi alternativi di estrazione dell’ossigeno, ma lo studio è arrivato a dimostrare che questi processi ottengono rese significativamente inferiori, mentre alcuni sono stati direttamente esclusi in quanto richiedono la fusione della regolite a temperature superiori a 1600 °C.

Il processo prevede il posizionamento della regolite in polvere in un contenitore rivestito con cloruro di calcio fuso (CaCl2), che funge da elettrolita, ovvero da sostanza che allo stato fuso manifesta la trasformazione delle molecole che la compongono in ioni (particelle cariche). Il tutto viene riscaldato a 950 ° C. A questa temperatura la regolite rimane solida.

Passando attraverso un flusso di corrente elettrica, l’ossigeno viene estratto dalla regolite tramite “migrazione”, ovvero si separa dal resto dei componenti metallici della regolite e se ne distanzia. Il processo sembra semplice, ma in totale sono state necessarie 50 ore per estrarre il 96% dell’ossigeno totale, con una percentuale di estrazione che si arresta al 75%, se si interrompe il processo dopo le prime 15 ore. Questa pratica si basa sul processo FCC, che è stato ampliato da una società britannica chiamata Metalysis , che si occupa della produzione commerciale di metalli e leghe.

Mark Symes, supervisore del progetto all’università di Glasgow, spiega: “Stiamo lavorando con Metalysis ed ESA per tradurre questo processo industriale nel contesto lunare, e i risultati finora sono molto promettenti“. James Carpenter, il responsabile della “lunar strategy” dell’ESA commenta: “Questo processo darebbe ai colonizzatori lunari l’accesso all’ossigeno per il carburante e il supporto vitale, nonché a una vasta gamma di leghe metalliche per la produzione in sito: ma l’esatta quantità di materia prima disponibile dipenderebbe da dove atterrano“.

Il macchinario non è piccolo

Un prototipo dello strumento con il quale si può procedere all’estrazione è stato installato nel Materials and Electrical Components Laboratory of the European Space Research and Technology Centre, per gli amici ESTEC, con sede a Noordwijk nei Paesi Bassi.
Avere un dispositivo del genere in una struttura accademica è una grande opportunità: si presta allo studio e alla messa a punto delle fasi di estrazione e di produzione di ossigeno, oltre poi a poter misurare la quantità di ossigeno tramite un spettrometro di massa per ottenere una lettura precisa dell’estrazione.

Alexandre Meurisse, ricercatore dell’ESA, aggiunge: “Ora che abbiamo tutto in funzione, possiamo cercare di perfezionarne alcuni aspetti, ad esempio riducendo la temperatura operativa, e magari progettare una nuova versione di questo sistema (portatile, NDR) che potrebbe un giorno volare sulla Luna per essere utilizzato direttamente lì“.

L’impianto funziona silenziosamente, per ora l’ossigeno prodotto nel processo viene scaricato in un tubo di scarico e rilasciato nell’atmosfera, ma un giorno verrà immagazzinato e reso disponibile per l’uso sulla Terra. L’obiettivo finale sarebbe quello di progettare un “impianto pilota” in grado di funzionare in modo sostenibile sulla Luna, con la prima dimostrazione di funzionamento per la metà del 2020.

Le due più grandi agenzie spaziali stanno preparando la strada per un ritorno sulla Luna, come vi abbiamo più volte raccontato qui sulle pagine di Everyeye. Questo significa che è in corso una “preparazione” generale del settore aerospaziale per far fronte alle richieste di una eventuale attività scientifica e commerciale al di fuori dell’atmosfera terrestre.

È di un parere simile anche Tommaso Ghidini, capo della divisione Strutture, meccanismi e materiali dell’ESA, che commenta così: “L’ESA e la NASA stanno tornando sulla Luna tramite missioni con equipaggio, questa volta con l’intento di rimanere. Di conseguenza stiamo spostando il nostro approccio ingegneristico verso un uso sistematico delle risorse lunari. Stiamo lavorando con i nostri colleghi della direzione per l’esplorazione umana e robotica, l’industria europea e il mondo accademico per fornire approcci scientifici di alto livello e tecnologie abilitanti fondamentali come questa, necessaria a garantire una presenza umana sostenuta sulla Luna e forse, un giorno, Marte“.

Crediti immagini: European Space Agency (ESA) – University of Glasgow