Międzynarodowy zespół naukowców, w skład którego weszli również badacze z Politechniki Wrocławskiej, opracował technologię ekstrakcji wody z regolitu księżycowego w warunkach laboratoryjnych. To kluczowy krok we wspieraniu eksploracji Układu Słonecznego.

Astronauci nie mogą funkcjonować bez wody i choć można ją wysyłać na orbitę z Ziemi, to naukowcy cały czas szukają sposobów na jej wytwarzanie w przestrzeni kosmicznej. Jeden z pomysłów zakłada wykorzystanie do tego celu regolitu księżycowego zawierającego w sobie wystarczającą ilość lodu. Wyzwanie opracowania odpowiedniej technologii do pozyskania i oczyszczania wody podjął interdyscyplinarny zespół, w skład którego weszli specjaliści z Niemiec, Austrii, Polski i Włoch.

Projekt LUWEX („Validation of Lunar Water Extraction and Purification Technologies for In-Situ Propellant and Consumables Production”) rozpoczął się w listopadzie 2022 r. i trwał dwa lata. Pracami kierowali badacze z Niemieckiego Centrum Aeronautyki i Kosmonautyki (DLR) w Bremie. W skład grupy weszli także naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Brunszwiku (Niemcy) i Politechniki Wrocławskiej oraz przedstawiciele firm Liquifer Systems Group (Austria), Thales Alenia Space (Włochy) i Scanway Space (Polska).

– Naszym celem było opracowanie innowacyjnej technologii do pozyskiwania, oczyszczania i monitorowania jakości wody z regolitu księżycowego. Pozyskana w ten sposób woda może być łatwo przechowywana i bezpośrednio wykorzystywana jako środek do spożycia i użycia przez astronautów lub poddana elektrolizie do wodoru i tlenu, co stanowi bardzo efektywną kombinację paliwa rakietowego – mówi dr hab. Karol Leluk, prof. uczelni z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr.

Urządzenie do produkcji ziarnistego lodu. W tle widoczny jest element piezoelektryczny, na pierwszym planie mgła wodna.

Regolit + lód = woda

Regolit to, w dużym skrócie, zwietrzała, luźna skała pokrywająca Ziemię oraz inne skaliste planety i księżyce. Powstaje, gdy skała zostaje poddana długotrwałym procesom fizycznym i chemicznym. Nasz Księżyc jest np. pokryty kilkumetrową warstwą drobnego regolitu, którego źródłem są odłamki skał powstałe m.in. w czasie uderzeń meteorytów.

Aby symulować księżycowy regolit zawierający lód, naukowcy stworzyli w laboratorium mieszankę, łącząc syntetyczny regolit księżycowy z drobinami lodu. Lód użyty w eksperymencie powstał w wyniku błyskawicznego zamrożenia drobnych kropelek wody w ciekłym azocie. W efekcie powstały kuliste cząsteczki o średnim promieniu 2,4 mikrometra — około jednej dwudziestej grubości ludzkiego włosa.

– Taki symulant umieszczono następnie w systemie ekstrakcji wody opracowanym przez DLR, znajdującym się w komorze próżniowo-termicznej, co pozwoliło na jego przetestowanie w warunkach podobnych do księżycowych. Piętnaście kilogramów symulantu umieszczono we wstępnie schłodzonym pojemniku wewnątrz komory próżniowej, z której odpompowano powietrze – wyjaśnia prof. Leluk. – Następnie został ogrzany i rozpoczęto proces jego mieszania, aby zapewnić równomierne rozprowadzenie ciepła. W tych warunkach temperatury i ciśnienia lód sublimował bezpośrednio do pary wodnej, która została skroplona na miedzianych rurkach schłodzonych do - 150°C. Tak skroplony surowiec (woda) został zebrany celem jego oczyszczenia – dodaje.

Z lewej: zanieczyszczona woda, bezpośrednio po procesie ekstrakcji. Z prawej: woda oczyszczona.

Księżycowe warunki w laboratorium

Cały proces ekstrakcji i oczyszczania wody został zweryfikowany eksperymentalnie w Comet Physics Laboratory w Brunszwiku, unikalnym obiekcie zaprojektowanym w celu odtworzenia warunków panujących na powierzchni Księżyca. W laboratorium znajduje się m.in. komora próżniowo-termiczna, w której możliwe jest prowadzenie procesu w temperaturach do -170°C w warunkach próżni. Obiekt ten, pierwotnie opracowany do badań nad kometami, umożliwił badaczom testowanie technik ekstrakcji w warunkach zbliżonych do tych panujących na Księżycu na modelu w skali rzeczywistej.

– Eksperymenty trwały kilka miesięcy, a każdy test miał na celu wyprodukowanie co najmniej pół litra wody. Ostatecznie podczas prób udało się wydobyć i oczyścić prawie 65% wody z symulantu. W trakcie wszystkich eksperymentów wyprodukowano ponad trzy litry wody przeznaczonej do spożycia – mówi prof. Karol Leluk.

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej i specjaliści z Thales Alenia Space byli odpowiedzialni za oczyszczenie wyekstrahowanej wody, tak aby jej jakość spełniała rygorystyczne wymagania dotyczące użytkowania przez ludzi i produkcji paliwa rakietowego.

Udział zespołu z PWr polegał na zaprojektowaniu i wykonaniu podsystemu do analizy jakości wody oraz zintegrowaniu go z całym układem. Pomiar dokonywany jest w dwóch punktach: przed i po układzie oczyszczania wody dając informację w zakresie wydajności podsystemu oczyszczania ale także pełniąc rolę układu monitorującego jej jakość w czasie rzeczywistym.

W przypadku przekroczenia wartości mierzonych parametrów po stronie wody czystej, istnieje możliwość natychmiastowego wstrzymania procesu gromadzenia wody i identyfikacji uszkodzeń na linii. Dane z obu zespołów czujników monitorujących stan wody (podsystemów) zbierane są przez centralny dla całego systemu komputer, co może być również wykorzystane do analizy wydajności i sprawności działania systemu.

– Dzięki opracowaniu i zademonstrowaniu technologii wydobywania i oczyszczania wody z symulantu regolitu księżycowego, położyliśmy podwaliny pod zrównoważoną eksplorację kosmosu i utorowaliśmy drogę przyszłym inicjatywom wykorzystania zasobów in-situ. Projekt stanowi tym samym ważny kamień milowy w badaniach nad wykorzystaniem zasobów księżycowych – podkreśla prof. Karol Leluk.

Projekt LUWEX był finansowany w ramach programu ramowego Unii Europejskiej – Horyzont Europa, a jego wartość to blisko 1,5 mln euro.  stanowi ważny kamień milowy w badaniach nad wykorzystaniem zasobów księżycowych.

W skład zespołu zaangażowanego w realizację projektu na PWr weszli prof. Karol Leluk, dr inż. Anna Jurga, dr inż. Aleksandra Klimonda, dr inż. Sławomir Szerzyna i mgr inż. Aleksandra Cichoń.

mic