Лунный грунт содержит активные элементы, которые могут быть катализаторами в восстановительных реакциях электролиза воды, а также превращения углекислого газа в метан и другие углеводороды. То есть, используя солнечный свет и эти природные катализаторы из лунного реголита, в принципе можно организовать на лунной станции производственный цикл по изготовлению необходимых для жизнедеятельности компонентов (кислорода, воды и топлива) с использованием преимущественно местных материалов и источников энергии.
Недавно китайская станция «Чанъэ-5» доставила на Землю два килограмма образцов лунного грунта — такую операцию проделали впервые за почти пятьдесят лет. Его изучение уже позволило продвинуться в понимании геологической истории Луны, в частности, уточнить её геохронологическую модель, поскольку удалось заполучить образцы как раз «среднего возраста», или во временном промежутке около двух миллиардов лет, заполнив пробел между слишком древними и слишком молодыми породами, которые доставляли «Аполлоны» и станции «Луна». Химическим составом проб грунта заинтересовались геохимики. Они обнаружили в лунном грунте соединения железа и титана, которые могут быть катализаторами в некоторых полезных реакциях, в частности, для электролиза воды. Неисчерпаемыми (и практически единственными) ресурсами, доступными на Луне, являются солнечная энергия и лунный реголит. Поэтому открытие в составе лунной почвы естественных катализаторов позволило надеяться, что на Луне можно организовать замкнутый цикл производства определённых продуктов с опорой только на лунные ресурсы. Прежде всего речь идёт о веществах, необходимых на лунной станции — это кислород, вода, водород и углеводороды, в частности, топливо.
Исходя из таких наблюдений физики предложили стратегию «внеземного фотосинтеза». Система или установка, по замыслу, использует лунный грунт для электролиза воды, добываемой на самой Луне или же при утилизации паров от дыхания астронавтов. Молекулы воды при этом распадаются с образованием водорода и кислорода, а источником энергии для процесса выступает освещение Солнца. Также находит применение углекислый газ, выделяющийся при дыхании: предполагается, что можно заставить его вступать в реакцию с водородом, получаемым при электролизе воды его в процессах гидрогенизации, в которых лунный грунт используется как катализатор.
При этом можно получить разнообразные углеводороды, в частности, метан, который можно использовать в качестве топлива. В этой стратегии основным внешним источником энергии выступает Солнце. Таким образом, солнечную энергию в сочетании с катализаторами также естественного происхождения из лунного грунта можно будет использовать для получения нескольких продуктов, критичных для обеспечения жизнедеятельности лунной станции: кислорода, воды и топлива. В дальнейшем предполагается проверить работу такой системы в реальных условиях. Исследователи надеются, что возможность для таких испытаний представится во время будущих пилотируемых полётов на Луну в рамках китайской программы космических исследований.
Предлагаемая стратегия включает несколько этапов, на которых протекают разные химические реакции, и использует то, что во время лунной ночи и лунного дня температура на поверхности изменяется в диапазоне от 100 K до 300 K (от −173°C до +127°C). На первом этапе газ, выделяющийся при дыхании, осушается с отделением сухих паров CO2 и O2. Воду предполагается использовать отдельно — по прямому назначению или же для электролиза под действием солнечного излучения, при этом выделяется водород и кислород. При низких температурах в ночное время углекислый газ конденсируется в сухой лёд. И, наконец, днём можно использовать нагретую до 130 °C поверхность для гидрогенизации с участием катализаторов в лунном грунте. Основные продукты при этом — метан CH4 и метанол CH3OH. Метан можно уже использовать как топливо, а метиловый спирт — как исходное соединение при получении более сложных углеводородов.
Эффективность катализаторов в лунном грунте ожидаемо ниже, чем промышленных катализаторов, которые получают на Земле. Сейчас исследователи пробуют разные подходы, которые могли бы добиться большего. Например, экспериментируют с выплавлением массы реголита с получением специальных материалов (высокоэнтропийных наночастичных сплавов) с лучшими каталитическими свойствами.
Стратегии выживания на внеземной станции изобретают давно. Как правило, в большинстве проектов добычи необходимых для жизни ресурсов требуется энергия, поставляемая с Земли. Например, на борту марсохода Perseverance находится экспериментальная установка, позволяющая получать кислород из углекислого газа, в основном составляющего марсианскую атмосферу. Про первые эксперименты по получению кислорода на приборе MOXIE можно прочитать в более раннем нашем материале. Однако для питания этой установки используется радиоизотопный источник энергии, который всё равно пришлось доставить с Земли вместе с самим марсоходом. Более интересны, очевидно, проекты, предполагающие производство исходя только из местных ресурсов и полезных ископаемых, то есть ISRU (In-Situ Resource Utilization). На Луне это прежде всего — запасы водяного льда в реголите и собственно сам грунт. Если он действительно может работать как катализатор в восстановительных реакциях, то проблема обеспечения астронавтов основными ресурсами «на месте» решаема хотя бы в принципе. Но скорее всего КПД такого естественного химического реактора пренебрежимо мало, поскольку нужные вещества, если и есть в реголите, то в следовых концентрациях. Так что для работы полноценной фабрики кислорода для начала потребуется построить на Луне фабрику для обогащения реголита… И может оказаться в итоге, что дешевле и проще для жителей лунной колонии будет всё же летать за некоторыми компонентами на Землю.