Обозначения:

Wt% – соотношение массы вещества к общей массе.

Ppm – миллионная доля равная 1⋅10⁻⁶ от базового показателя.

μg/g – мкг/г, аналогично Ppm

Общий состав

Луна является самым одним из самых выгодных мест для освоения и разработки месторождений в Солнечной системе, здесь в достаточном количестве присутствуют солнечная энергия, кислород и различные металлы (в основном, железо и кремний). Общий химический состав лунной поверхности представлен в таблице 1.1

Элемент	Массовое содержание в лунных морях, %	Массовое содержание в лунных нагорьях, %
SiO2	45.4	45.5
Al2O3	14.9	24
CaO	11.8	15.9
FeO	14.1	5.9
MgO	9.2	7.5
TiO2	3.9	0.6
Na2O	0.6	0.6

Лунный минерал	Состав минерала
Плагиоклазовый полевой шпат	Кальций Алюминий Кремний Кислород
Пироксен	Железо Магний Кальций Кремний Кислород
Оливин	Железо Магний Кремний Кислород
Ильменит	Железо Титан Кислород

Истинные размеры богатых ресурсами регионов могут быть меньше, чем мы в настоящее время можем измерить. Большинство карт ограничено пространственным разрешением доступных инструментов. Если это так, то истинная концентрация ресурсов может быть выше, чем сейчас считается, и будет располагаться на меньших площадях. [1]

Гелий-3

Гелий-3 может быть использован в качестве топлива для атомных термоядерных реакторов. В отсутствие магнитного поля и атмосферы в лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром.

Глобальные запасы ³He оцениваются в 6.50×10⁸ кг, где 3.72×10⁸ кг приходятся на освещённую сторону Луны, а 2.78×10⁸ кг – на обратную сторону Луны. [4]

На рисунке 1.2 показаны видно неравномерное распределение лунного ³He с преобладанием высокотитанистых морских базальтов в Океане Бурь и Море Спокойствия. В этих двух областях, которые в совокупности покрывают около 2 миллионов км², концентрации ³He могут превышать 20 частей на миллиард. Это примерно в два раза выше самой высокой концентрации, фактически измеренной в образце реголита на сегодняшний день. Если принять концентрации 20 частей на миллиард и предположить, что толщина залежей реголита составляет 3 м, общая масса ³He для этих двух регионов около 2×10⁸ кг. Важно сказать про относительно неизвестное распределение ³He в высоких широтах. Хотя хорошо задокументированное соответствие концентрации ³He содержанию ильменита позволяет ожидать низких полярных концентраций, как показано на рисунке 1.5, неизвестна степень, в которой более низкие температуры полярных реголитов могут увеличивать содержание ³He. [5]

Вода

Особый интерес представляют кратеры около полюсов Луны, дно которых находятся в постоянной тени из-за небольшого (1.5°) наклона оси вращения Луны. Водяной лед может быть устойчивым в таких постоянно затененных «холодных ловушках», где температура поверхности ниже 40 К. Любой водяной лед, обнаруженный в таких холодных ловушках, вероятно, в конечном итоге образовался в результате ударов комет и/или гидратированных метеоритов о поверхность Луны, хотя также возможно, что молекулы H2O и/или OH образовались в результате взаимодействия солнечного ветра и реголита в более низких широтах, которые  мигрировали в полярные регионы и оказались там в ловушке. Косвенное свидетельство наличия льда в постоянно затененных полярных кратерах было предоставлено нейтронным спектрометром на космическом корабле Lunar Prospector. Эта интерпретация была подтверждена результатами миссии НАСА по наблюдению и зондированию лунных кратеров (LCROSS), которая в 2009 году вошла в постоянно затененную область южного полярного кратера Кабео и измерила концентрацию водяного льда в 5,6 ± 2,9 wt% (массовая доля элементов вещества в процентах). Это число было подтверждено с помощью космических и наземных радиолокационных приборов, которые указали на дополнительное присутствие значительных (толщиной ≥ 2 м) отложений относительно чистого льда в некоторых постоянно затененных регионах, хотя интерпретация этих данных подвергается сомнению. Подтверждение наличия водяного льда в этих местах и форма, которую принимает лед (например, блоки относительно чистого льда или кристаллы льда, смешанные с реголитом), почти наверняка потребуют дополнительных измерений на месте. [5]

Учитывая водную массу 5.6 wt% и плотность лунного реголита 1660 кг/м³, потенциально существует 2900 миллионов тонн воды в верхнем слое реголита толщиной 1 м. [3]

Кислород

Местный источник лунной воды, будь то полярный лед или гидратированные реголиты и/или пирокластические отложения, будет предпочтительным выбором в качестве источника кислорода на Луне. Тем не менее, давно признано, что при необходимости кислород может быть извлечен из безводных оксидов и силикатных минералов в лунном реголите. Существует двадцать различных возможных процессов извлечения кислорода из лунного реголита. Следует отметить, что все они довольно энергоемки: потребуется от 2 до 4 мегаватт-лет энергии (т.е. 6-12×10¹³ Дж) для производства 1000 тонн кислорода. В любом случае для этих уровней мощности потребуется небольшой ядерный реактор или несколько тысяч квадратных метров солнечных панелей. Исторически один из наиболее изученных из этих процессов включает восстановление минерала ильменита, например: FeTiO3 + 2H → Fe + TiO2 + H2O. [5]

Как и все предложенные схемы экстракции кислорода, для этой реакции требуются высокие температуры (700-1000 °C). Обратите внимание, что этот конкретный путь к кислороду дает воду в первую очередь и, следовательно, является возможным путем получения воды на Луне, если местные источники недоступны, при условии, что источник водорода существует. Ильменит встречается в основном в высокотитанистых морских базальтах (где он может составлять более 25% по объему), поэтому следует, что этот процесс наиболее эффективно использовался бы в тех же географических регионах, которые обсуждались выше в контексте добычи ³He, т.е. Океан Бурь, Море Спокойствия и дополнительные небольшие участки высокотитанистых базальтов, расположенных в других местах. Важно отметить, что этот процесс также производит металлическое Fe и рутил (TiO2), которые могут быть дополнительно переработаны для получения Ti и дополнительного кислорода, которые также могут иметь дополнительную экономическую ценность. [5]

Железо

Железо (Fe) в основном заключено в силикатных минералах, таких как оливин и пироксен и оксидном минерале ильменит. Более удобным источником для добычи железа может быть реголит, но его концентрация в такой породе очень мала (около 0.5%). Гораздо более высокие концентрации местного железа и связанных с ним сидерофильных элементов потенциально могут быть обнаружены вблизи любых богатых железом. Более мелкие рассеянные магнитные аномалии в других местах на Луне (рисунок 1.4) могут аналогичным образом указывать на присутствие богатого железом материала на поверхности Луны или вблизи нее, которые остались после столкновения с железными метеоритами. Только дальнейшие исследования позволят определить, верна ли эта интерпретация и пригодность для эксплуатации таких метеоритных обломков. [5]

Богатые железом регионы, образовавшиеся в результате столкновений с астероидами, довольно малы (~30-300 км в поперечнике) и ограничены примерно 20 участками. Их будет довольно легко обработать, поскольку они в основном являются металлическими и макроскопическими. Другие источники лунного железа, хотя и широко распространены, будет труднее обрабатывать как с энергетической точки зрения, так и из-за того, что в них железо содержится в виде зерен субмикронного размера. [1]

Титан

Титан (Ti) является потенциально полезным металлом для аэрокосмических разработок, который имеет значительную концентрацию (обычно в диапазоне 5-8 wt%) в базальтах лунной поверхности. Он почти полностью встречается в ильмените (FeTiO3), из которого может быть извлечен электрохимическими процессами. Концентрация Ti в хондритных астероидах и метеоритах сравнительно низкая (обычно <0.09 wt%). Таким образом, в контексте будущей космической экономики Луна может иметь значительное преимущество перед астероидами в качестве источника Ti. Тот факт, что кислород также производится в результате производства Ti из ильменита, может сделать комбинированное производство Ti/O2 одной из наиболее экономически привлекательных будущих отраслей промышленности на Луне. [5]

Алюминий

Алюминий (Al) является еще одним потенциально полезным металлом с концентрацией в лунных горных реголитах (обычно 10-18 wt%), которая на порядок выше, чем в вероятных астероидных источниках (1 wt% в углеродистых и обычных хондритах и <0,01 wt% в железных метеоритах).

Для извлечения Al потребуется расщепление анортитового плагиоклаза (CaAl₂Si₂O₈), который повсеместно встречается в горных районах Луны, но это будет энергоемко. Альтернативные, возможно, менее энергоемкие процессы включают процесс фторирования, кислотное разложение реголита с получением чистых оксидов с последующим восстановлением Al₂O₃. [5]

Кремений

Кремний (Si) в изобилии содержится во всех породах (около 20 wt%), в контексте будущей индустриализации космоса это имеет потенциально огромное значение для производства массивов солнечных панелей для преобразования солнечного света в электричество. Предлагаемые стратегии извлечения аналогичны тем, которые будут использоваться для извлечения Al из лунных пород. [5]

Редкоземельные элементы (уран, торий и другие)

Редкоземельные элементы (РЗЭ) проявляют широкий спектр промышленно важных оптических, электрических, магнитных и каталитических свойств. Некоторые лунные породы содержат относительно повышенные уровни РЗЭ (REE – rare-earth element), которые из-за соответствующих повышенных содержаний фосфора (Р) и калия (K) стали известны в лунной геологии как породы богатые “крипом” (KREEP). Поскольку уран (U) и торий (Th) также сосредоточены в богатых “крипом” породах, их распределение может быть отображено приборами на КА, способными обнаруживать гамма-лучи, испускаемые этими радиоактивными элементами. На рисунке 1.7 показана карта лунных поверхностных концентраций Th, полученная при помощи гамма-спектрометра на космическом аппарате Lunar Prospector. [5]

Объем KREEP, лежащего в лунном море Океан Бурь, был оценен в 2,2 × 108 км³, исходя из концентрации радиоактивных (выделяющих тепло) элементов и площади, обозначенной как «высокоторийная». Потенциальные запасы РЗЭ в этих породах оцениваются в ~ 2.25×10¹⁴ – 4.5×10¹⁴ кг. [5]

Уран может оказаться важным элементом для разработки космической ядерной энергетики и ядерных двигателей в качестве исходного сырья для производства плутония (Pu). Было высказано предположение, что на Луне U и Th будут сосредоточены в богатых “крипом” ландшафтах и, следовательно, будет корреляция с повышениями концентрации РЗЭ, обсужденными выше. В лунных материалах было обнаружено, что обилие урана линейно масштабируется с Th, и отношением U/Th, поэтому лунная карта Th, показанная на рисунке 1.2, также указывает места, где можно ожидать увеличение количества U. Даже «высокие» концентрации тория (~ 10 ppm) на Луне являются низкими по земным стандартам. [5]

Наибольшие концентрации наблюдаются в 34 регионах, размер которых составляет менее 80 км, а может быть и гораздо меньше. Необходимы улучшенные прямые измерения тория. [1]                                                                                         

Также есть две альтернативные глобальные карты тория с высокоширотными (рисунок 1.8) и низкоширотными данными (рисунок 1.9) [2]

Ссылки

[1] https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2103/2103.09045.pdf

[2] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/1999JE001177

[3] https://www.mdpi.com/2079-9276/6/3/40/htm

[4]https://www.researchgate.net/publication/223952251_Quantitative_estimation_of_helium-3_spatial_distribution_in_the_lunar_regolith_layer

[5] https://arxiv.org/abs/1410.6865

[6] https://www.pnas.org/content/115/36/8907

[7] https://www.lpi.usra.edu/lunar/missions/clementine/images/