Aikaisemmissa artikkeleissa sivuttiin hieman paikallisten resurssien hyötykäytöstä, jossa pääpaino oli propellantin valmistuksella. Mutta aikaisempi maksiimi pätee- ”Avaruudessa energia on lähes ilmaista. Massa maksaa”.

ISRU- eli miten puristetaan kivestä hyödykettä.

Kun mietitään kaivostoimintaa, on ensin ajateltava mitä oikeastaan ollaan tekemässä. Kokonaisvaltaisesti tätä toimintaa käsitellään alan kirjallisuudessa termillä ISRU, eng. In-situ Resource Utilization; paikanpäällisten resurssien käyttö.  

Tätä voi lähestyä ajattelemalla mitä hyvänsä jalosteprosessia joka tuottaa mitä tahansa hyödykettä- Mutta mittakaava on hyvä muistaa.

Laajennettaan ajatusta. Kaikki jalostus lähtee liikkeelle löydetystä malmista. Malmilla tässätapauksessa tarkoitetaan jonkin halutun materiaalin esiintymistä tiheydellä jota voidaan jalostuksessa hyöndytää.

Alkuunsa pitää löytää jonka jälkeen malmi louhitaan ja jaotellan. Malmi rikastetaan ja syntynyt kuona hylätään. Syntynyt rikaste ajetaan prosessointiin, missä rikaste käsitellään lopulliseksi hyödykkeeksi ja rikastuksen kuona hylätään jälleen.

Esimerkinomaisesti lohkona:

Tähän arkkityyppiin nojaavat kaikki tunnetut jalostamot. Niiden käyttämä raaka-aine, malmi, vaihtelee prosessista riippuen.

Vaihtoethoja on mittavasti, mutta oletetaan, että ensimmäinen hyödyke jota haluamme valmistaa, on jokin polttoaine. Lähin maanulkopuolinen kaivos jossa tätä voisi tehdä olisi Kuu, mikä on mukavasti naapurissa. Siihen oikeastaan kuun hyvät puolet loppuvat. Kuu on massiivinen, ilmaton kohde jolle on tyypillistä suuret lämpötilagradrientit, sekä korkeat säteilyannokset, ja (vahvistetut) matalat malmivarat

Polttoainetta kivestä

Jos hyödykkeemme on oltava polttoaine, pitää miettiä mitä polttoainetta tarkalleen voimme valmistaa.  Selkeästi vaihtoehtoja ovat Kerolox, Hydrolox ja myrkkyraketit. Mitä näiden valmistamiseen sitten tarvittaisiin?

Hydrolox on helpoin, se tarvitsee polttoaineekseen vetyä ja hapettimeksi happea. Kerolox toisena, se käyttää hiilivetyjä, joista helpoin olisi metaani ja hapettimeksi kelpaisi taas happi. Metaania sellaisenaan löydy kuusta, mutta se on vain CH4 Myrkkymoottoreista pitäisi valita sellainen myrkkypari jonka voisi jotenkin syntetisoidakin paikanpäällä-  Ja jolle olisi moottoreita ”hyllystä”. Monometyyli hydratsiini-hydraatition sellaisenaan kontrollimoottoreiden polttoaine ja sen voi laittaa päämoottoriin happitetraoksidin kanssa. Kummallakaan ei ole erityisen helppo synteesi, mutta molemmat ovat varastoitavissa pitkäaikaisesti.

Mutta, kaikkien rakenneaineet ovat samat. Happea (O), Typpeä (N), Hiiltä (C) ja Vetyä (H).

Sitten pitää luoda katsaus ”malminkartoitukseen”, eli mitä tiedämme kuun pinnan kemikaaleita- Raporteissa vilisee outoja termejä. Aggluniitteja, regoliittia, ilmeniittiä ja sekalaista muuta. Kuun geologia on kiintoisa aihe sellaisenaankin, mutta olemme tutkimassa mahdollisuutta teollistumiselle.

Suurimmaksi osaksi raportit yhtämielisiä seuaavasta koostumuksesta:

Happea on saatavilla huomattava määrä, muihin kemikaaleihin verrattuna- Typpi, Hiili ja vety loistavat poissaolollaan.

Puuttuvista kemikaaleista vetyä itseasiassa on regoliitissa; aurinkotuulen protonien iskeymät regoliittiin tuottavat sidottua vetyä, mutta pitoisuus on niin vähäinen, ettei sitä kannata edes esittää ylläolevassa taulukossa. Määrä on 50 ppm, eli 50 yksikköä miljoonaa kohti. Samoin hiiltä on löydetty regoliitista noin 80 ppm verran, mutta typpeä ei ole kuin 5 ppm.

Näistä voidaan päätellä, että kaksi propellanttiparia ovat edes mahdollisia- Hiilivety ja happi-vety moottorit. Määrät on hyvä pitää mielessä.

Vedyn irroittaminen regoliitista on merkittävästi helpompaa kuin hiilen, joten käsitellään sitä nyt alkuunsa. Vedyn termisissä reaktioissa hapettuminen tuottaa vettä. Ja vesi on helppoa varastoida. Yhden vesigramman valmitaminen kuussa nielee 2500g regoliittia, etenkin ilmeniittiä sisältävässä reogliitissa. Ilmeniitti esiintyy mineraalimuodossa, tarkemmin sanoen kristallisina matriiseina regoliitissa, joka itseaiassa tekee prosessista vaikeaa.  Periaatteessa vedyn Irroitukseen riittää pelkkä kuumennus, mutta lämpötila on korkea, noin 2000K.  Ja sen seurauksena ilmeniitti pitäisi seuloa pois, tai seurauksana kuonassa menetetään arvokkaita materiaaleja. Arviot hyötyluku menetyksestä vaihtelevat  90% aina 99% saakka.  

Tämä menetys tarkoittaa, että kuun regoliitti ei välttämättä ole koskaan kaupallisesti kannattavaa toimintaa; toisin on kuusta löydetyn jään jonka irroitus onkin jo huomattavasti helpompaa. 

Jäätä on löydetty SOFIA mittauksissa [4], mutta pitoisuudet ovat edelleen matalia, 100-412 ppm.  Noin 400ml vettä kuutiometristä kuuta. Määrä on huomattava, mutta sijainnit eivät ole lupaavia. Tutkittu kohde oli Clavius kraateri, lähellä kuun etelänapaa.  Verrantona, saharan pitoisuus vedelle on satakertainen.

Toinen haaste on energia. Kuun navat ovat sijaintikulmaltaan ikävällä sijainnilla aurinkoon nähden, joten voimantuotto aurinkopaneeleilla  vaatii sekä varastoa (14 vuorokauden ajan, jokaista kuukiertoa kohden), ja jalostaminen on energiaintensiivistä. Joten raskaita ytimiä olisi taas suotavaa halkoa reaktorissa.

Arvoton kuona- vai onko sittenkään?

Vesijään jalostusketju on todella yksinkertainen. Malmille ei tarvitse tehdä mitään muuta kuin lämmittää se veden kiehumispisteseen ja kerätä vesihöyry talteen.  Riippuen millaisessa maaperässä jäätä löydettiin, se voi olla seuraavan vaiheen malmia.

”Kuona” on tässä tapauksessa seuraavan ketjun  malmi.  Tässä tapauksessa malmi on regoliittia joka on kahta mineraalia: Ilmeniittiä (FeTiO_3) ja Pyreksiiniä ((Fe,Mg)SiO_3).  Maan tasolla mineraaleja ei jalosteta, mutta kuussa kannattaa. Jokainen säästetty kilo, ja sitä rataa.

Prosessia jolla raaka-ainetta käsitellään kutsutaan redusoinniksi ja mitä mineraalista irtoaa, riippuu täysin käytetystä redusointikaasusta,  Jos Ilmeniittiä lämmitetään ja reduktiokaasuna on vety, syntyy vesihöyryä .  Vesihöyry voidaan elektrolyysillä hajottaa uudestaan vedyksi ja hapeksi, jonka jälkeen saadaan kierto kiinni, vaikkakin osa (mining the sky, p.69) menetään diffuusiossa kuuman vedyn ja metallin välille, mutta menetykset eivät välttämättä ole merkittäviä. Tutkimukset kuun osalla viittaavat ilmeniittiin suurimpana lähteenä  aurinkotuulen tuottamasta vedystä. Tämän pitoisuus on mitätön, mutta kenties riittävä kompensoimaan menetykset.

Toisena vaihtoehtona on käyttää hiilimonoksidia, joka muodostaa reduktiossa hiilidioksidia joka voidaan, erittäin energiaintensiivisesti palauttaa takaisin hiilimonoksidiksi.

Molemmissa tapauksissa tuotetaan viimeisessä vaiheessa kuonana rutiilia (TiO_2), joka kelpaa  lämpökilpien valmistamiseen. Tällä on kiinnostusta lähinnä paluutehtäviin maahan, joka voi olla hyödyksi, mikäli halutaan pudottaa Maa-Kuu L1 jokin objekti takaisin LEO:lle edullisesti. Toinen materiaali joka reduktiosta on mahdollista kerätä on rauta. Erittäin puhdas rauta. Laskelmat osoittavat, että jokaista happitonnia kohden kolme ja puolitonnia rautaa- jota voidaan jatkojalostaa karbonointi prosessissa jossa hiilimonoksidin radikaalireaktiolla tuotetaan karbonyyliä. Aiempi rauta on riittävää modulien- ja jalostamoiden rakentamiseen. Karbonointiprosessista syntyvästä raudasta voidaan valmistaa propellanttitankkeja.

Lähiasteroidit

Kuu on kuiva ja malmeja ei ole helposti saatavilla, volatiilit haihtuvat sijainnin vuoksi nopeasti.  Termiä lähiasteroidi viljellään alan artikkeleissa runsaasti, mutta yleensä jätetään huomioimatta, miten läheisistä asteroideista oikein on kyse ja miten suuresta määrästä on kyse.

Suurin osa Lähiasteroideista NEA (Near Earth Asteroids) on leikkaavilla radoilla maan radan kanssa ja niiden orbitaalijakso on osapuilleen yksi kalenterivuosi.

Ja niitä on n. 27 000 kappaletta.

Suurin osa näistä lähiasteroideista on alle kilometrin halkaisijaltaan. Spacewatch projektin vahvistamat luvut osoittavat, että maan rataa ympäröi massiivinen pari asteroideja ja komeettoja joista suurin osa, osuessaan aikaansaisivast massatuhon.

Spacewatch vahtii tällä hetkellä noin kahta tuhatta objektia, joilla on korkea todenäköisyys osua Maahan. Tiedossa olevat orbitaaliluvut herättävät akateemista mielenkiintoa. Objektien suhteellinen ratanopeus on hidas, joten ne ovat herkkiä rataperkessiolle jonka seurauksena näitä asteroideja sinkoaa ulos aurinkokunnasta säännöllisesti. Osa raporteista antaa ratojen maksimieliniäksi vain muutamia kymmeniätuhansia vuosia, joten lähiasteroideja sekä tulee ja menee maan lähiradoille.  Orbitaalimekaniikasta jolla nämä objektit radoilleen pääsevät voisi kirjoittaa pitkälti, mutta tämä artikkeli keskittyy asteroideihin raaka-aineina, joten mistä nämä lähiasteroidit muodostuvat.

Lähiasteroideista on saatu hyvin näytteitä maahan saakka, joten niiden rakenteesta tiedetään jonkin verran. Noin 87% kaikista maaahan iskeytyneistä asteroideista ovat nk. Kondriittimeteoreja, kivisiä meteroreja joiden sisällä on lasisia pisaroita. Kemiallisesti, nämä asteroidit ovat piimineraaleja, metallista rautaa ja sulfideja. Kondriitti meteorit jakautuvat vielä viiteen rakenne alakategoriaan, joista kolme ensimmäistä voidaan määritellä metallisiksi ja joita pitoisuuksiensa vuoksi voitaisiin käsitellä malmina maanpäällissä laitoksissakin; näiden kondriittien jako tehdäänkin rautapitoisuuden vuoksi, luokkina H (high), L (low) ja LL (low-low). Jäljelläolevat ovat hiilikondriitteja (C), joka jaetaan vielä lisäksi Murchinson (CM)- ja Ivuna (CI) alakategorioihin.

Normaali hiilikondriitti on geologisesti kiintoisa, kantaen huomattavat määrät hiiltä sekä lähes täysin redusoituja metalleja, joissa ei ole enää rautaa lainkaan. Mutta Murchinson  ja Ivuna ovat tosin tälle artikkelille kiintoisa, sillä Murchinson-kondriitit ovat massaltaan noin 10% vettä, sitoutuneena erilaisiin savimaisiin piihydraatteihin. Metalleja CM tyypin kondriiteissa ei ole nimeksikään.  Ivuna on harvinainen, mutta sisältää jopa 20% vettä piihydraateissa, runsaasti sulfideja sekä hiiliyhdisteitä.

Noin 7% kaikista löydöistä on määritelty akondriiteiksi, sillä niiden kiderakenteissa ei ole helmimäisiä rakenteita lainkaan vaan niiden kiderakenteet ovat muokkautuneet painovoimakaivoissa, joten niitä pidetään iskeymärejekteinä planeettojen ja kuiden pinnoista. Hyväksytään. Akondriitit ovat geologeille kiintoisia, mutta hieman tämän artikkelin tarkastelun ulkopuolella.

3% löydetyistä ovat rautameteoriitteja, joiden rakenne on lähes yksinomaa rautaa, nikkeliä ja kobolttia, jonka kiderakenne viittaa magmaperäiseen muodostumiseen, joten rautaasteroidit ovat akondriittien tapaan myös asteroidi-iskeymien rejektaa.

Näin ollen, yleensä asteroideja joita voidaan havaita, jaotellaan neljään tyyppiin: C-tyyppi (hiilikondriitti), S-tyyppi (kiviasteroidit), M-tyyppi (Rautameteorit) , ja V-tyyppi (HED meteorit)

Polttoainejalostuksen kiinnostus on luonnollisesti CM ja CI (Murchinson- ja Ivune), mutta M-sarjan asteroideissa on oma kiinnostuksensa. Pidin tähän asti salaisuutena M-tyyppisten meteorien tarkemman sisällön- niissä on muutama ppm myös jalometalleja. Määrät ovat mitättömiä, mutta mittakaava on hyvä muistaa.

Pienin tunnettu ja mitattu M-tyypin asteroidi on 3554 Amun. Se on kaksikilometrinen objekti, massaltaan noin 30 miljardia tonnia. (30×10^10t) Jos Amun’in rakenteelle antaa keskimääräiset arvot M-tyypin rautaasteroidille, sen rauta ja nikkeli olisi  9 triljoonaa euroa arvoltaan. Koboltti toisi ylimääräiset 6 Triljoonaa, jalometallit toiset kuusi triljoonaa ja ei-metalliset materiaalit (hiili, fosfori, rikki, gallium, germanium, arseeni) nostaisivat Amun 3554 tuotteiden arvon noin 20 Triljoonaan euroon.

Tämänhetkinen laukaisukustannus  tonnille hyötykuormaa on siinä 3,5 miljoonaa euroa. Ja koska Amun 3554 on jo radalla, se edustaa noin 200 000 triljoonaa euroa raaka-aineita radalla. [6]

Kannattaa hengittää syvään, jos on unohtunut. Mittakaava, arvoisat lukijat. Mittakaava on hyvä muistaa. Tämä, varsin pieni asteroidi kiertoradalla on arvoltaan suurempi kuin mitään mitä olemme vieneet kiertoradalle koskaan, tai koko planeetan bruttokansantuote… kahden tuhannen vuoden ajalta.

Komeetat

Kaikista kohteista aurinkokunnassa, vesirikkaimpia ovat komeetat, joiden sisältö on noin 50% pelkkää vesijäätä. John S. Lewis mainitsee kirjassaan huomion, että nk. Sammunut komeetta ei ole eroteltavissa visuaalisella tarkastelulla C tyypin kondriittimeteorista, jonka uloimmat jääkerrokset ovat haihtuneet sen saavuttua NEO radalle, mutta sen jääydin on todennököisesti koskematon[6].  Yksi tällainen kohde on 1949 havaittu komeetta Wilson-Harrington, joka ratalaskelmista paljasituikin NEO asteroidiksi 1979 VA.  Varovaiset arviot havaintojen pohjalta antavat alustavaksi luvuksi 50%. Siis 50% kaikista C kondriiteista saattavat olla komeettoja, joiden kivikuoren alla on jäinen ydin.

Kuorikerroksen paksuudesta ei ole konsensusta, mutta Philae laskeutui 67P/Churyumov–Gerasimenko komeetalle ja antoi pölykuorelle paksuudeksi 20cm. 20 cm kiveä olisi tarpeeksi laskemaan lämpögradienttia siinämäärin, että jää ei sublimoituisi komeetan sisältä, joten se on siedettävä keskiarvo.

Louhinta

Tutkimustulokset lähiavaruuden resursseista ovat selvät. Sopivaa ”malmia” on saatavilla.  Ja jopa riippumatta siitä mitä halutaan jalostaa, ongelmat alkavat nyt hahmottua. Alkuunsa on tehtävä päätös siitä miten valittua malmia halutaan jalostaa:

1. Valmistus ja käyttö kohteessa
2. Raaka-ainekuljetukset maahan
3. Prosessointi in-situ ja vain hyödykkeiden lähetys maahan
4. Koko malmiesiintymän tuominen Cis-lunar avaruuteen.

Kaikissa on puolensa ja kaikissa on haasteensa.  Ongelmat joita pitää miettiä ovat:

1. Painottomuus. Kaikki materiaalit kelluvat painottomassa tilasa, ja suurin osa louhimismenetelmistä perustuu räjäytyksiin ja materiaalien putoamiseen.
2. Vettä ei ole käytettävissä. Kaikki kaivostoiminta vaatii runsaasti vettä.
3. Suurin osa planetaarisista erottelumenetelmistä perustuu painoivoimaiseen erotteluun.
4. Pöly. Maassa tapahtuvat kaivostoiminta on uskomattoman sotkuista puuhaa ja nyt ei ole vettä sitomassa pölyä, eikä pöly laskeudu, ikinä. Sen sijaan se tarttuu aivan kaikkeen, kameran linsseihin, tiivisteisiin ja filttereihin.
5. Ei ole olemassa kevyttä louhintakonetta. Teollisessa tuotantomittakaavassa kaivoskoneet ovat raskaimpia koneita joita pitäisi saattaa kiertoradalle.
6. Etäisyys, etäisyys, etäisyys.

Tämän artikkelin tiimoilta pohditaan kahta merkittävää tapaa louhia, kohteissa jotka on jo annettu, joten tiedämme mitä malmeja on saatavilla. Ensimmäinen on Kuu ja toinen on sammunut komeetta NEO alueella. Molemmissa tapauksissa päähyödyke on vesi.

Tapaus Kuu

Pääasiallisesti kuussa valmistettua vettä käytetään paikallisesti ja maan lähiradoilla hyödykkeenä.  Merkittävä etu saman tien on edes jonkinlainen painovoima, Maa on kirjaimellisesti näköetäisyydellä- eli varaosia ja eksperteillä on mahdollisuus puuttua tilanteeseen. Kuun putoamista maahan ei ole huolenaihe, kenellekään, kuusta löytyy volatiilejä ja raaka-aine spektri on laaja.

Haasteena on kuun korkea delta-v vaatimus kiertoradalle palaamiseksi, ja merkittävät kulut tukikohtien rakentamiseen ja niiden vaatimat teknologoiden kehitys.

ESA on saanut tutkimuksissaan aikaiseksi laboratoriotason sulasuola elektrolyysiin perustuvan jalostuslaitoksen, joka tuottaa sekä happea, että metalleja:

Toiminnallisesti, astiaan ajetaan regoliittia, jonka elektrolyyttinä on sulaa kalsiumkloridisuolaa 950 °C, virran ajaminen elektrodien välillä, kalsiumkloridin pelkistää regoliitistä hapen ja samalla kerää metalleja anodille. Metallien laatu ja irroitetun hapen määrä on riippuvainen käytetystä regoliitista. Ilmeniitin tapauksessa rautaa (Fe) ja Titaania (Ti).

Tapaus NEO

Lähiasteroidin tapauksessa prosessi  on yksinkertaisempi. Vesijää, vaikka on sitoutunut kivien sekaan on kuitenkin mahdollista louhia kuumentamalla jäämalmia vesihöyryllä.  Hyödyntämällä geotermisistä voimalaitoksista tunnettua menetelmää menetelmää, kohteeseen porataan kaksi reikää. Toinen rei’istä on porakaivo, joka toimii lämpölähteenä ja toisessa keruukaivo, josta jäämalmista irroitettu vesihöyry tiivistetään ja varastoidaan.

Tällaiseen toimintaan keskittyy David Kuck’in kehittämä Kuck Mosquito. Mosquito, tai kotoisammin moskiitto on jääporajärjestelmän ympärille rakennettu raketti, tai oikeammin prospektori.  Sen jalostuskohde ovat ensisijaisesti CM ja CI tyyppiset kondriittiasteroidit. Asteroidien painovoimakaivot ovat siinämäärin matalia, että mosquito ei niinkään laskeudu kuin telakoituu valittuun asteroidiin ja lukitsee itsenä paikoilleen laskeutumistelineissä olevilla ankkureilla. Tämän jälkeen se poraa kaksi reikää asteroidin pintaan ja alkaa irroittamaan jäämalmista vettä vesihöyrynä, joka tiivistetään vesitankkiin.

Mosquito on lisäksi varustettu elektrolyysilaitteistolla jolla se valmistaa polttoaineeta pieneen kemialliseen monopropellanttimoottoriin  vetyperoksidin (H2O2) muodossa. Järjestelmä ei ole ilman ongelmiaan. Kuck esittää minimijääpitoisuudeksi 30% ja huomauttaa, että komeetan kuoren paineistaminen voi aiheuttaa kuoren halkamisen.  Lisäksi, vetyperoksdin käyttö propellanttina tuo matalan ISP:n ongelmat: Laskennallisesti 100t tuominen lähiasteroideilta maahan nielee 250t vettä propellanttina. Mosquito kantaa lähdössä 350 tonnia vettä, josta perille saadaan vain 100t.

Mosquito on ensijaisesti tarkoitettu lähiasteroideille, eikä kykene mitenkään operoimaan Kuussa tai Marsissa. Molemmissa kohteissa vaaditaan suuri-impulssinen rakettimoottori jota Mosquitossa ei vain ole. Mutta, Marsin Järjestelmässä ovat jälleen kaksi kohdetta Deimos ja Phoebos. Deimoksen päiväntasaajalla kuori on liian paksu mosquiton porajärjestelmille, mutta navalla porat saattaisivat riittää, sillä kuoren paksuuden on laskettu olevan noin kaksikymmentä metriä.

David Kuck’in mosquito. Merkittävä pala rakettiteknologiaa joka tulisi rakentaa, jos aiomme vakavissaan teollistamaan cis-kuu avaruutta.

Lähteet:

1. 1)     “Electrostatic Beneficiation of Lunar Regolith; A review of the Previous Testing As Starting Point For Future Work.” J.W. Quinn. Lunar ISRU 2019: Developing a New Space Economy Through Lunar Resources and Their Utilization. July 15–17, 2019, Columbia, Marylan
   1. 2)      “Exploring the Moon — A Teacher’s Guide with Activities, NASA EG-1997-10-116 – Rock ABCs Fact Sheet” (PDF). NASA. November 1997. Retrieved 19 January 2014.
2. 3)      “Thermogravimetric Analysis of the Reduction of ilmenite and NU-LHT-2M With Hydrogen and Methane.” P. Reiss, F. Kerscher and L. Grill. Lunar ISRU 2019: Developing a New Space Economy Through Lunar Resources and Their Utilization. July 15–17, 2019, Columbia, Maryland
3.  “NASA – SOFIA discovers water on sunlit surface of the Moon”. NASA. 26 October 2020.
4.      Hydrogen Reduction of Ilmenite: Towards an In Situ Resource UtilizationDemonstration on the Surface of the Moon 
5.  Mining The Sky, John S. Lewis
6.   Dave Kuck, “The Exploitation of Space Oases,” Princeton Conference on Space Manufacturing, Space Studies Institute, 1995