Zuurstof en brandstof produceren op de maan: het kan met stof en zonlicht, volgens onderzoekers in China

Verschillende landen en instellingen plannen in de niet zo verre toekomst bemande basissen op de maan. Voor zo'n basis zou het natuurlijk handig zijn als niet alle hulpmiddelen met raketten vanop de aarde aangevoerd moeten worden, maar ter plaatse aangemaakt zouden kunnen worden.  

De Chinese materiaalwetenschappers Zhigang Zou en Yingfang Yao van de Nanjing Universiteit zeggen dat ze nu, samen met collega's van de universiteit en andere Chinese instellingen, een eerste stap in die richting hebben gezet. 

Ze hopen een systeem te ontwerpen dat gebruik maakt van maangrond en zonnestraling, de twee meeste voorkomende hulpbronnen op de maan, om bepaalde stoffen ter plaatse te produceren. 

Het team analyseerde maangrond die het Chinese ruimtetuig Chang'e 5 had meegebracht en ontdekte dat het staal bepaalde verbindingen bevat - onder meer ijzer- en titaniumrijke stoffen - die zouden kunnen werken als katalysator om gewenste producten zoals zuurstof aan te maken op basis van zonlicht en koolstofdioxide.  

Op basis van die waarneming stelde het team een strategie voor voor 'buitenaardse fotosynthese'. 

In essentie gebruikt het systeem maangrond voor de door zonlicht aangedreven elektrolyse van water dat onttrokken is aan de maan en de uitgeademde lucht van astronauten. Dat water wordt dus ontbonden in zuurstof en waterstof. 

De koolstofdioxide die uitgeademd wordt door de bewoners van de maan, wordt eveneens opgevangen en gecombineerd met het waterstof van de elektrolyse in een proces van hydrogenering, waarbij eveneens maangrond als katalysator gebruikt wordt. 

Dat proces levert koolwaterstoffen - verbindingen van uitsluitend koolstof en waterstof - op zoals methaan, die gebruikt zouden kunnen worden als brandstof. De onderzoekers slaagden er ook in methanol - brandalcohol - te produceren, een verbinding van koolstof, waterstof en zuurstof. 

De strategie gebruikt als energie enkel zonlicht om een aantal gewenste producten voort te brengen zoals water, zuurstof en brandstof, die het leven in een maanbasis zouden kunnen mogelijk maken, zeggen de onderzoekers. 

Het team is nu op zoek naar een gelegenheid om het systeem uit te testen in de ruimte, wellicht in een toekomstige bemande Chinese maanmissie. 

De maangrond is een minder efficiënte katalysator dan verschillende katalysatoren die op aarde beschikbaar zijn en het team geeft toe dat de processen die het bedacht heeft, nog niet voldoende op punt staan om in een buitenaardse omgeving te kunnen overleven.

Yao zei dat het team verschillende benaderingen aan het uittesten is om het ontwerp te verbeteren. Een daarvan is het omsmelten van de maangrond tot een materiaal met een nanostructuur en een hoge entropie, wat een betere katalysator zou zijn. 

Volgens astronoom Michael Hecht van het Massachusetts Institute of Technology is dat echter niet het enige probleem dat het team moet overwinnen. Volgens Hecht neemt het Chinese team aan dat het mogelijk is vloeibare koolstofdioxide op de maan uit de ‘lucht’ te halen bij temperaturen van -173 graden Celsius, maar in New Scientist noemt hij dat onmogelijk.

Hecht, die gespecialiseerd is in de studie van buitenaardse planeten en aan het hoofd stond van de ontwikkeling van het MOXIE-instrument in de Marsrover Perseverance van de NASA, was niet betrokken bij de studie. 

Het MOXIE-instrument maakt deel uit van een reeks strategieën die al eerder voorgesteld zijn om buiten de aarde te kunnen overleven. Maar zoals de meeste van die ontwerpen, heeft het een energiebron van de aarde nodig. MOXIE kan koolstofdioxide uit de atmosfeer van Mars gebruiken om zuurstof te produceren, maar het instrument wordt aangedreven door een kernbatterij in de rover. 

Ondanks die problemen is Yao optimistisch. "We gebruiken in-situ hulpbronnen uit de omgeving om de ladingen van raketten te minimaliseren en onze strategie biedt een scenario voor een duurzame en betaalbare buitenaardse leefomgeving", zo zei hij.

"In de nabije toekomst zullen we de snelle ontwikkeling van de bemanderuimtevaartindustrie zien", zei Yao. "Net zoals in het Zeilvaarttijdperk in de jaren 1600 honderden schepen de zee in gingen, zullen we het 'Ruimtetijdperk' betreden. Maar als we een grootschalig onderzoek van buitenaardse werelden willen uitvoeren, zullen we manieren moeten bedenken om de ladingen te verminderen, wat betekent dat we zo weinig mogelijk moeten rekenen op bevoorrading vanop de aarde en dat we in de plaats daarvan buitenaardse hulpbronnen zullen moeten gebruiken." 

De studie van de onderzoekers van de Nanjing Universiteit, de Chinese universiteit van Hong Kong, de Chinese Academie voor Ruimtetechnologie en de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei is gepubliceerd in het tijdschrift Joule. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van Cell Press.