• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
25 августа
Василий Парфенов
23
1 799

Китайские ученые добыли воду из лунного реголита, доставленного на Землю зондом «Чанъэ-5»

8.3

Хочется пить, мыться, поливать теплицу и улетать потом домой? Просто добавь жару! Новая методика, предложенная китайскими учеными, позволит добывать жизненно важную жидкость прямо из лунного грунта, даже если концентрация воды в нем минимальна. Ее эффективность успешно проверили на образцах реголита, которые удалось получить в рамках миссии «Чанъэ-5».

Выработка воды из лунного грунта
Общая схема конструкции предложенной системы для добычи воды из лунного грунта с различными сценариями ее применения: водоснабжение, полив растений, выработка водорода и кислорода / © Xiao Chen et. al., Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen, The Innovation

Вода неоспоримо важна для любой человеческой деятельности. Мы с ее помощью моемся, готовим пищу и, конечно, употребляем в чистом виде — пьем. Помимо этого живительная влага необходима для множества технологических и медицинских процедур. Наконец, из воды можно сравнительно легко (было бы электричество) получить чрезвычайно эффективную топливную пару для ракетных двигателей: кислород с водородом.

Издревле любые путешествия людей в значительной мере были ограничены доступностью питьевой воды. Если нет возможности пополнить ее запасы по пути, невозможно безопасно идти, ехать, плыть или лететь, дольше, чем позволяет безжалостная математика уравнения «объем бочки деленный на минимальный дневной норматив потребления всеми участниками экспедиции». И космонавтика не исключение, причем взять с собой емкость побольше очень трудно — каждый килограмм полезной нагрузки на счету.

Поэтому любые длительные вояжи в межпланетное пространство или на лишенные воды небесные тела, например Марс и Луну, столь сложны технически. И именно поэтому любые рабочие способы пополнить запасы воды настолько важны для будущего космонавтики. Китайские инженеры и ученые, похоже, произвели небольшую революцию в освоении естественного спутника Земли. Они экспериментально подтвердили, что, используя сравнительно простую технологию, можно легко обеспечить лунную экспедицию местной водой для всех возможных применений в полном объеме.

Наличие воды на Луне — вопрос закрытый, она там есть, только ее очень мало. Среднее содержание H2O и гидроксид-иона (OH) в лунном реголите варьируется от десяти до тысячи частей на миллион. Проще говоря, в самом оптимистичном случае из тонны местного грунта получится добыть килограмм воды. Предложенная исследователями из Поднебесной методика позволяет превзойти этот показатель в пятьдесят раз. Причем работали они со сравнительно «сухим» реголитом — собранные зондом «Чанъэ-5» образцы имеют всего лишь 283 части воды на миллион.

Выработка воды из лунного грунта
Электронная микроскопия лунного реголита, нагретого до 973 градусов Кельвина, — предварительная стадия предлагаемой технологии добычи воды. На этом этапе атомарный водород, заключенный в нанометровых полостях кристаллической решетки минералов, начинает восстанавливать оксиды железа. Формируются пузырьки пара и кристаллы чистого железа. Голубые кадры сделаны просвечивающим электронным микроскопом (TEM) с разным увеличением, кадры болотного цвета — просвечивающим растровым электронным микроскопом (STEM) / © Xiao Chen et. al., Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen, The Innovation

Дело в том, что большая часть уже обнаруженной на Луне воды вырабатывается прямо в грунте. Солнечный ветер, один из основных компонентов которого — протоны, бомбардирует лунную поверхность. В ней эти протоны «воруют» электроны у попавшихся на пути молекул и превращаются в атомарный водород. Большая его часть сразу улетучивается в космическое пространство, но некоторое количество успевает либо вступить в реакцию, либо остается застрявшим в кристаллической решетке разных минералов.

В первом случае атомарный водород имеет шанс позаимствовать кислород у какого-нибудь оксида и в результате получается гидроксил-ион. Когда он «подхватывает» еще один атом водорода, образуется молекула воды. Поскольку в месте посадки «Чанъэ-5» поверхность сравнительно молодая, в ней накопилось недостаточно много OH или H2O. Но в нанополостях минералов реголита всегда на порядки больше спрятанного атомарного водорода. Лабораторный анализ показал, что как минимум в выбранных для эксперимента образцах, содержалось примерно 0,56 процента атомарного водорода по массе.

Использовать его для получения воды принципиально очень просто: при нагреве до 1200-1500 градусов атомарный водород отлично восстанавливает оксиды металлов (особенно железа), а побочным продуктом становится вода. Да, температуры высокие, но достижимые, например, с помощью гелиоконцентратора — зеркала, фокусирующего отраженный солнечный свет на малой площади. Такие установки способны сравнительно быстро выпаривать воду из лунного реголита в промышленных масштабах. А отход этого процесса можно будет использовать как строительный материал или сырье для добычи металлов.

Статья с подробным описанием эксперимента, его методики и всестороннего анализа предложенной технологии опубликована в рецензируемом журнале The Innovation. Авторы исследования подсчитали, что из одного грамма реголита, собранного «Чанъэ-5», можно получить 51-76 миллиграммов воды и 157 миллиграммов чистого железа. То есть из одной тонны выходит не менее 50 килограммов питьевой воды. Китайские ученые указывают, что этого хватит на обеспечение жидкостью полусотни лунных колонистов. Хотя норма литр воды на человека выглядит несколько жестокой, опыт NASA показывает: необходимо минимум два, а во время работы в скафандре и того больше (по 240 миллилитров на каждый час работы).

Логично предположить, что в случае более старого реголита или взятого поближе к полюсам выработка воды с тонны породы может быть радикально выше. И это хорошие новости, даже если не получится полностью обеспечить экспедицию за счет местных ресурсов, можно рассчитывать на пополнение запасов и брать с Земли минимальную норму. Вдобавок существует еще лунная вечная мерзлота — подповерхностные слои грунта с повышенным содержанием ледяных кристаллов (порядка 0,1-1 процента по массе), которые находятся в некоторых приполярных регионах. И если учесть все это, будущее экспедиций на Луну выглядит чуть более радужным.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 14:21
Юлия Трепалина

Ученые из Аргентины в серии экспериментов проследили за поведением домашних собак во время разногласий между членами семьи и выявили у четвероногих питомцев ряд характерных реакций на конфликт.

Позавчера, 20:37
Андрей

Американские ученые проанализировали данные о поедании фекалий животными, чтобы выяснить, какие причины стоят за этим поведением и какие закономерности можно проследить. В результате они разделили всю выборку более чем из 150 видов на семь категорий по тому, что заставляет зверей питаться таким сомнительным продуктом.

18 ноября
Юлия Трепалина

Работать под началом шефа-абьюзера тяжело, но свежее исследование показало, что бывают варианты похуже. Ученые выяснили, что еще негативнее на моральный дух и производительность труда сотрудников влияет, когда во главе команды стоит самодур, у которого вспышки агрессии непредсказуемо сменяются этичным поведением.

16 ноября
Evgenia

Международная коллаборация физиков под руководством ученых из Йельского университета в США представила самые убедительные на сегодня подтверждения существования нового типа сверхпроводящих материалов. Доказательство существования нематической фазы вещества — научный прорыв, открывающий путь к созданию сверхпроводимости совершенно новым способом.

15 ноября
Елизавета Александрова

Принято считать, что естественный спутник Земли возник в результате ее столкновения с другой планетой, но к этой версии есть вопросы. Теперь ученые предложили рассмотреть сценарий возможного захвата Луны притяжением Земли из пролетавшей мимо двойной системы.

Позавчера, 14:21
Юлия Трепалина

Ученые из Аргентины в серии экспериментов проследили за поведением домашних собак во время разногласий между членами семьи и выявили у четвероногих питомцев ряд характерных реакций на конфликт.

30 октября
Елизавета Александрова

Под рыжим верхним слоем с виду обычного камня открылся целый калейдоскоп довольно неожиданных оттенков. Это особенно интересно с учетом того, где лежит камень — в марсианском кратере, который по всем признакам когда-то был озером.

16 ноября
Evgenia

Международная коллаборация физиков под руководством ученых из Йельского университета в США представила самые убедительные на сегодня подтверждения существования нового типа сверхпроводящих материалов. Доказательство существования нематической фазы вещества — научный прорыв, открывающий путь к созданию сверхпроводимости совершенно новым способом.

31 октября
Татьяна

Органические молекулы с пи-связью образуют очень устойчивые геометрии, которые не любят нарушаться. В 1924 году немецкий химик Юлиус Бредт сформулировал соответствующий запрет, вошедший в учебники химии. Тем не менее это в некоторых случаях возможно. В новой работе американские исследователи представили несколько «антибредтовских» соединений из класса олефинов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

23 Комментариев
1 2
1 2
25.08.2024
-
0
+
Даже если по их же собственной картинке оценить (по соотношению площадей) какую долю занимают белые пузырьки пара, получится процентов 5. А это при температуре 1000К! Камень всё ещё остаётся камнем, плотность 2700. А у пара плотность будет где-то 0,3. Ок, считаем что пар под давлением, плотность 2,7. Всё равно эта объёмная доля пара в 5% превратится в массовую долю 0,005%. И это доля пара(!) Массовая доля водорода будет ещё в 9 раз меньше. Как вообще это прошло рецензию?
    1, кстати, внезапный вопрос я так понимаю, химия у вас в сфере профессиональных интересов можете мне на пальцах объяснить, в чем разница между "имплантацией" химических элементов/частиц в молекулы или кристаллы и интеркаляцией а то я, по ходу, начинаю путаться в терминологии
    +
      ещё комментарии
      -
      0
      +
      Василий, а молекулярные биологи решили выпендриться и назвали процесс внедрения молекул интеркаляцией. Чтоб не думали что они полупроводниками занимаются, стоматологией или родовспоможением 😁
      1 2
      1 2
      30.08.2024
      -
      1
      +
      Эх, а я ведь недостаточно химик для таких вопросов). Я даже не могу сообразить, в чём отличие интеркаляции от адсорбции. И там и там силы Ван дер Ваальса. Интеркаляция, насколько понимаю, возникает в слоистых материалах. Возможно, атомная имплантация слоистости не требует
1 2
1 2
25.08.2024
-
0
+
>0,56 процента атомарного водорода по массе Чччевоо? 0,56% по МАССЕ это хорошо насыщенный водородом адсорбент, который прямо специально наводородили до предела. Ок, порошкообразный грунт может быть адсорбентом, но чтобы в вакууме и при регулярном прогреве до 100°С получить столько водорода? Пффф китайцам нет доверия, 100% они специально выбирали отдельные зёрна с высокой концентрацией. В образцах с Аполлонов обнаруживали газы (азот, например), но там было содержание в десятки ppm молярных, а не массовых. А 0,56 массовых процентов водорода это порядка 100 000 молярных ppm. На 40 широте Луны, где освещённость и прогрев почти как на экваторе. Стопроцентное враньё от китайских коллег🤣
    1, я щас ещё раз внимательно гляну текст работы. Всегда есть вероятность, что это я чего-то не понял
    +
      ещё комментарии
      >The magnetism and TGA results indicate that the total H content in LR is ~0.56 wt.% Я туплю или они косячат? Ссылка в новости почему-то отвалилась, я точно помню, что добавлял ее вчера. С компа зайду, поправлю https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00128-0 (пдф там в открытом доступе)
        1 2
        1 2
        26.08.2024
        -
        0
        +
        Василий, я тоже прочитал эту часть. Надо всю статью читать конечно. Но из этого куска получается что 40% водорода связано в ильмените, 50% в плагиоклазе. При этом ильменита в грунте всего 6%, поэтому в нём должно быть ≈4% массовых водорода (на картинке подчеркнул, похоже что там опечатка, вместо LR должно быть ilmenite) 4% это кстати как в гидриде титана TiH2, вот только ильменит не гидрид титана)). Из этой концентрации они предполагают, что молекула FeTiO3 (ильменит) фиксирует аж 5,4 атома водорода. По какому такому механизму?? Но на самом деле, пока я всё это читал, стал сомневаться в своих же громких словах. Ведь реголит на Луне не поглощает водород из молекулярного газа (как это происходит в экспериментах и статьях по водородному хранению). Реголит как бы облучается на ускорителе, и не молекулами а атомами. А на Земле никто эти процессы не изучал, потому что для хранения водорода они практической ценности не представляют. И вроде бы солнечный ветер не проникает глубоко, и мои обвинения что китайцы специально отбирали зёрна с высокой концентрацией водорода, имеют смысл. Но ведь есть ещё и галактические лучи, они тоже по большей части из водорода, а энергия атомов и глубина проникновения большая. В любом случае вопросы остаются. 0,5% водорода по массе это 5% воды по массе, а при переходе воды в пар это уже будут сотни процентов по объёму...грунт должен был распухнуть, но на картинках этого нет. Нужно всю статью читать...P.S. Из этой статьи получается что вся Луна покрыта грунтом с эквивалентом 5% воды по массе. А это очень много, это всего в 10 раз меньше чем грязный лёд на полюсах, над которым все трясутся и ищут. Теперь можно буквально в любом месте ставить базу и добывать ракетное топливо, это бы перевернуло все планы по колонизации Луны!!https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001910351400476X
          1, там в самом тексте мало про то, как именно водород фиксируется ильменитом и другими кристаллами, надо скролить вниз пдфки к дополнительным изображениям. Атомарный водорол "застревает" в каналах кристаллической решетки, которые имеют полторы-две сотни нанометров ширины. Насколько я понимаю механизм, часть протонов солнечного ветра имеет настолько большую энергию, что буквально впечатывается в кристаллы, где заимствует электрон. При этом молекулы в минералах находятся в слишком низком энергетическом состоянии, чтобы этот водород как-то с ними прореагировал. Так что он просто остаётся там, как в губке, либо улетучивается. Да, это большая новость для освоения Луны. Я очень надеюсь, что их результаты воспроизведут. Иначе прямо грустно будет
            А над приполярными регионами все "трясутся", потому что там уже готовая вода в виде гидроксил-ионов, молекул или целых кристаллов. Это гораздо менее энергозатратно для добычи и немного проще технологически. Хотя все равно по сути "выпаривать", просто при меньших температурах
              Статью на имплантацию водорода у упор сначала не заметил, гляну обязательно
              1 2
              1 2
              26.08.2024
              -
              0
              +
              Ну на мой взгляд если теплоизолировать 2 камеры, и качать тепло из одной а другую, то основные затраты будут только на первоначальный подогрев. В одной камере горячий отработанный реголит остывает, в другой - свежий холодный нагревается. Между камерами прокачивать газ, например азот - и всё, простая конструкция (воздуходувку под 1000-1100 градусов Цельсия сделать можно, материалы есть, привод холодным мотором через длинную ось). Первичный нагрев: 10 тонн реголита, теплоёмкость возьмём 0,9 кДж/кг*К, нагрев на 900 градусов, нужно 8 ГДж, если нагрев за 5 суток, то мощность нагревателя всего 20 кВт. Получается, переработали 10 тонн, коэффициент извлечения воды возьмём 0,7, получим 70кг воды в сутки. Ну наверное для небольшой базы достаточно, примерно такой порядок энергозатрат будет...
                1, теплоизолировать только друг от друга придется, вообще легкотня, они же все равно в вакууме будут, потери только на излучение, которых не избежать в любом случае ну и да, это очень простые технологии только мне кажется что в реальности все сделают еще проще -- для космонавтики чем примитивнее конструкция, тем луче остановятся на уже предложенных зеркалах, так надежнее
          1, Алсо, если не сложно, можете скинуть источник на содержание воды в "грязном льде", потому что я помню только результаты миссии LCROSS, там было 5+-2% льда по массе
            1 2
            1 2
            26.08.2024
            -
            0
            +
            "Грязный лёд над которым все трясутся и ищут" это моя фигура речи. Все ищут чистый лёд, но его же там не найдено? Лкросс нашёл 5%, а это единственный пока надёжный источник. Вероятно лёд если и есть, то на глубине и грязный. Примесь пыли в 25% по объёму как раз и даст 50% по массе..."грязный лёд")
              1, есесена не найдено, и не будет никогда найдено чтобы был "чистый лед", нужны водяные тела (озера, моря, океаны), их на луне не было и быть не могло на луну воду приносят либо солнечный свет, либо кометы а значит вода либо молекулярная, либо максимум в форме мелких кристаллов льда (осколков), хорошо перемешанных с другими породами в тех пластах пород, которые соответствуют особо интенсивным бомбардировкам луны, воды будет больше
                Василий, на Луне основная масса воды не может принесена ни солнечным ветром, ни кометами, т.к. в лунной воде дейтерия как в земной. В кометной его намного больше, чем в земной, а в солнечном ветре -- намного меньше. Т.е. основная масса воды там совсем другого происхождения (собственно, не секрет, какого -- земного, другого объяснения совпадению по долям изотопов в лунной и земной воде быть не может). П.С,: кстати, ряд ученых считает, что конкретно чистый водный лед на полюсах Луны есть -- https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1802345115 https://science.nasa.gov/missions/mini-rf/nasa-radar-finds-ice-deposits-at-moons-north-pole/
                Александр, Прямо по первой ссылке: Spectral modeling shows that some ice-bearing pixels may contain ∼30 wt % ice that is intimately mixed with dry regolith Под чистым льдом понимались пласты, похожие на земную вечную мерзлоту с жилами льда (50-60% воды по массе), а не просто отдельные кристаллы, перемешанные с породой. Такое ни при каких сценариях на Луне появиться не может. И даже типичных для земной вечной мерзлоты 10-30% воды по массе там будет лишь единичных местах. В целом, тут вообще надо мух от котлет отделять. На Луне должно быть минимум три резервуара воды: условно магматический (связанная в манти, коре и соответствующих им породах), условно реголитный (гидроксил-ионы и молекулярная вода в поверхностном слое) и условная вечная мерзлота (на глубинах от метра и ниже). Изотопный состав воды из первого резервуара, безусловно соответствует земному, ибо одна природа пород. Собственно, соотношение D/H хорошо исследовано именно для нее -- в образцах из камней, собранных аполлонами, советскими миссиями и китайскими. Реголитная вода будет смесью из полученной в результате взаимодействия с солнечным ветром, магматической (оч мало) и привнесенной кометами (тоже не супер много). Именно поверхностную воду в реголите и видят все зонды. Вечная мерзлота -- самая интересная, ибо кроме как из-за комет в больших количествах ей там взяться неоткуда. Пока Луна была горячей, часть воды выходила из пород, но задержаться на поверхности могла только при наличии плотной атмосферы, откуда потом конденсировалась. С поверхности туда тоже большой объем "опуститься" не мог, ну не падает на Луну столько космического хлама, чтобы зарыть и сконцентрировать даже на небольшой глубине значительные объемы "солнечноветровой" воды. Собственно говоря, LCROSS нашел вечную мерзлоту, уверенность высокая. Но ее изотопный состав, насколько я помню, еще не измеряли.
                Ну и да, подозреваю, что тут вообще изначально претензия была к моей фразе: >на луну воду приносят либо солнечный свет, либо кометы Надо было написать "на поверхность луны" или "ту воду, которую все надеются найти и использовать в качестве ресурса" или как-то еще конкретизировать, что содержащуюся в магматических породах/минералах воду я просто оставляю за скобками. Ее нецелесообразно добывать, а в поверхностные или приповерхностные резервуары она подняться и собраться в более-менее внятные концентрации не могла (известными мне и применимыми к Луне геологическими процессами). Всегда забываю, что интернеты -- хуже чем зал суда. Одна не до конца выверенная формулировка и тебя распнут
                Василий, "Spectral modeling shows that some ice-bearing pixels may contain ∼30 wt % ice that is intimately mixed with dry regolith Под чистым льдом понимались пласты, похожие на земную вечную мерзлоту с жилами льда (50-60% воды по массе), а не просто отдельные кристаллы, перемешанные с породой. " 30% массы -- это не отдельные кристаллы, перемешанные с породой, а с, учетом плотности лунного реголита, материал, в котором лед по объему доминирует. "Такое ни при каких сценариях на Луне появиться не может" Такое на Луне безусловно появиться может, такие сценарии уже давно озвучены. Собственно, вот по этой работе на Луне толщина такой вечной мерзлоты -- до километр: https://journals.nasspublishing.com/index.php/eps/article/view/940 "Вечная мерзлота -- самая интересная, ибо кроме как из-за комет в больших количествах ей там взяться неоткуда." Напротив, основной механизм появления вечной мерзлоты там совсем иной -- см. ссылку выше. Кометы не могут быть источником лунной воды по целому ряду причин, например: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063315002615 "Пока Луна была горячей, часть воды выходила из пород, но задержаться на поверхности могла только при наличии плотной атмосферы, откуда потом конденсировалась." Это не совсем так. Есть и пограничные ситуации. Если водяной пар поднимается изнутри, а над ним есть перекрывающие пласты, то потери воды из приповерхностного слоя не будет.
                Я тебе уже в лс все по этой теме ответил. Плюс, Горькавого приводить в аргументах -- рискованная практика. Человек, безусловно, мегамозг и авторитетный. Но когда ты в одно лицо разрабатываешь сразу и теорию образования Луны, и теорию образования двойных астероидов, и теорию возникновения вселенной -- ты гарантированно хотя бы в одной сфере не видишь всей картины. Следовательно неизбежен черри-пикинг и прочие изъяны. А насчет комет и астероидов докапываться вообще низко. Они друг от друга отличаются только процентом содержания летучих компонентов. Так что глобальной разницы, кто принес воду нет -- хоть обедненные водой кометы (повышенное содержание нелетучих компонентов в которых защитило достаточное количество воды от испарения при столкноввении), хоть богатые водой астероиды (а работа по ссылке именно об этом). Моя логика от этого не меняется. И естественно есть разные ситуации. Все сценарии в какой-то степени приложили руку к насыщению Луны водой. Вопрос только какие больше. Докапываться до обобщения, что оно не учло частности -- это вообще за гранью. Хотя опять же, мы в интернетах, чему я удивляюсь.
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно