Какое производство будет первым на Луне?

Чтобы строительство и развитие крупных лунных баз стало возможным, их необходимо обеспечить местным производством. Стройматериалы — один из самых очевидных первых шагов: лунный реголит уже находится под ногами и может использоваться для создания различных конструкций и материалов.

Однако любая лунная инфраструктура, в том числе и производство стройматериалов, столкнется с проблемой. Ему нужно большое количество энергии. Привозить же целую солнечную электростанцию, чтобы делать кирпичи — не самая разумная стратегия. Куда оптимальнее потратить эту же энергию на производство солнечных панелей, энергия которых далее понадобится для масштабирования всей последующей лунной инфраструктуры.

В таком случае возникает вопрос. А точно ли можно производить солнечные панели непосредственно на Луне, используя местные ресурсы?

Давайте разберемся, какие проблемы приходится решать исследователям и компаниям, пытающимся реализовать эту идею.

Что есть на Луне для производства солнечных панелей?

Лунный реголит — это смесь минералов, содержащих множество полезных химических элементов. Из тех, что непосредственно связаны с производством солнечных элементов и их конструкцией:

1. Кремний — основа большинства современных солнечных элементов, а также основной компонент для производства стекла.

2. Алюминий — металл с хорошей электропроводностью, который может использоваться для токосъемников и проводки.

Кроме них, реголит содержит в значительных количествах кислород, железо, титан, кальций и другие элементы, которые потенциально могут найти применение в производстве.

Главная проблема заключается в том, что эти элементы находятся в составе минералов, а не в виде готового сырья. Чтобы использовать их по отдельности, реголит необходимо переработать и разделить на нужные компоненты. И это уже нетривиальная технологическая задача.

Самый очевидный способ научиться производить что-либо из лунного реголита — сначала воспроизвести этот процесс на Земле. Для этого используют реголитные симулянты — искусственные материалы, состав и свойства которых подбираются под реальные образцы лунного грунта, доставленные экспедициями Apollo (реголитные симулятны, кстати, отдельная кроличья нора, подробнее о них есть у нас в канале).

При производстве высокотехнологичной продукции на Земле широко используются кислоты, щелочи, растворители и специальные технологические газы. На Луне нет земной химической инфраструктуры и стоит под вопросом возможность ее там воспроизвести. Поэтому многие исследователи пытаются разработать процессы, которые требуют как можно меньше привозных реагентов.

Отсюда возникает сразу несколько вариантов того, как построить такое производство.

Как можно превратить реголит в солнечную панель?

Один из вариантов — вообще отказаться от сложной химии и использовать преимущественно физические и электрохимические процессы. В этом случае реголит сначала перерабатывают, извлекая из него необходимые элементы, а затем используют их для производства компонентов солнечной панели.

С этим подходом, например, работают исследователи из Хьюстонского университета США^[1], разрабатывающие концепцию полного производственного цикла солнечных панелей из лунного реголита.

Более конкретный пример такого пути сегодня дает Blue Origin^[2]. В 2021 году компания начала проект Blue Alchemist, задача которого — научиться превращать лунный реголит в материалы, необходимые для создания энергетической инфраструктуры на Луне.

Первой проблемой для них стало само извлечение полезных элементов. На Луне они находятся не в виде готовых металлов, а связаны с кислородом в составе минералов. Поэтому Blue Origin остановилась на электролизе расплавленного реголита. Реголит нагревают примерно до 1600 °C, после чего через расплав пропускают электрический ток. В результате кислород отделяется от железа, кремния и алюминия. При этом кислород становится отдельным полезным продуктом, а не отходом.

Но получить кремний — лишь половина задачи. Для солнечных элементов требуется материал очень высокой чистоты. Blue Origin разработала собственный метод очистки и заявляет, что получает кремний чистотой более 99,999%. Это ниже 6N–7N (99,9999–99,99999%), которые обычно используют для современных солнечных элементов. Однако повторить такую степень очистки на Луне может оказаться неоправданно сложно и дорого, что приводит к снижению планки пригодного для использования качества.

Затем команда перешла непосредственно к солнечным элементам. Уже с 2024 года из симулянта лунного реголита Blue Origin производит солнечные элементы, токопроводящие провода и защитное стекло. По заявлению Blue Origin, последнее должно защищать солнечные элементы от лунной радиации более десяти лет.

Так постепенно Blue Alchemist превратился из эксперимента по извлечению отдельных материалов в полноценную производственную цепочку.

К 2025 году по заявлениям проект прошел критический анализ, после чего Blue Origin перешла к подготовке следующего этапа — автономной демонстрации всей цепочки в условиях, имитирующих лунную среду. Вероятно, уже в этом году у компании получится проверить, сможет ли система самостоятельно принять реголитный симулянт на входе и выдать на выходе готовые солнечные элементы, провода и другие продукты.

Получается, Blue Alchemist сегодня является одним из наиболее комплексных подходов к построению солнечной энергетики на Луне: компания пытается связать добычу сырья, его переработку, получение кремния и изготовление самого солнечного элемента в единый производственный цикл.

Но у этого пути есть проблема — высокая температура обработки, что сильно усложняет производство.

Специалисты из Maana Electric^[3] решили организовать процесс получения кремния на основе электрохимических процессов в расплавах солей. Это позволило снизить рабочую температуру с 1600°C до менее 1000°C.

И это не единственное отличие их подхода. Ведь если для Blue Origin этот вопрос сейчас скорее исследовательский, то для Maana он имеет совершенно иное значение.

Эта компания была основана в Люксембурге в 2018 году Йостом ван Оорсхотом. До этого он работал в космическом секторе. Но когда Люксембургское космическое агентство объявило о €200 млн инвестиций в их программу “космические ресурсы”, это стало поводом для переезда и создания Maana.

Компания изначально создавалась для местного изготовления солнечных панелей, у них не было дополнительных источников дохода. Потому они приняли необычное решение: использовать принцип ISRU (In Situ Resource Utilisation, производство из местных ресурсов) не только на Луне, но и на Земле..

Так появилась концепция TerraBox — автоматизированной фабрики, которую можно доставить в пустыню и использовать для производства солнечных панелей из песка. Это помогает сэкономить значительные средства на логистике солнечных панелей от завода до солнечной фермы. Ее лунным продолжением должна стать LunaBox — система, способная перерабатывать реголит и производить из него солнечные панели непосредственно на поверхности Луны.

2024 год для Maana стал ключевым. Тогда компания смогла показать не отдельный процесс или компонент, а работающий солнечный элемент с успешным использованием кремния, полученного из песка с помощью ее собственной технологии. Характеристики фотоэлементов были подтверждены при участии Национальной лаборатории возобновляемой энергетики США. Следующим этапом компания называла объединение этой технологии с производством стекла из обогащенного реголита.

Однако даже такой подход не обязательно означает, что на Луне придется извлекать каждый материал отдельно.

Исследователи Потсдамского университета^[4] и Технического университета Берлина рассматривают возможность изготавливать на Луне стеклянную подложку и корпус солнечной панели, а сам фотоэлемент доставлять с Земли. В их концепции используются перовскитные солнечные элементы: тонкий слой материала позволяет получить большую площадь панели при относительно небольшой массе перевозимого сырья. По их расчетам, 1 кг перовскитов покроет 400 м² панелей (про перовскиты тоже у нас в канале).

Похожую стратегию выбрали и исследователи Китайской академии наук^[5]: значительную часть материалов предполагается получать непосредственно из реголита, импортировать же предполагается только необходимые для эффективной работы солнечного элемента легирующие добавки.

Такие компромиссные подходы помогают значительно сократить объем производства, который необходимо развернуть на Луне. И это может оказаться особенно важным на первых этапах освоения спутника: необязательно сразу строить завод, способный самостоятельно производить абсолютно каждый компонент.

Но есть и еще более радикальный вариант — вообще не разделять реголит на отдельные материалы там, где это возможно.

Именно так решили поступить JPM Silicon^[6]  и Технический университет Берлина. В их подходе кремний не извлекают из реголита отдельным этапом.

В 2022 году под патронажем Германского космического агентства начался проект SoMo. В нем TU Berlin отвечает за работу с реголитом и производство стеклянной подложки, а JPM Silicon — за получение кремниевого слоя и изготовление солнечного элемента.

Логика здесь такая: сначала симулянт лунного реголита плавят и превращают в стекло. Таким образом, реголит становится не только источником кремния, но и самой подложкой будущего солнечного элемента. Затем содержащийся в стекле диоксид кремния преобразуют непосредственно в фотоактивный слой металлического кремния.

Но это еще не полностью самостоятельный процесс, потому что для восстановления кремния необходим алюминий. Он содержится в реголите и его можно выделить по технологиям тех же Blue Origin, однако JPM Silicon пока не заявляли о том, что они собираются с этим делать. По этой причине алюминий сейчас стоит рассматривать как потенциально импортируемый с Земли материал.

В 2024 году TU Berlin сообщила о создании полностью функционального солнечного элемента с использованием симулянта лунного реголита.

Таким образом, у исследователей и компаний сегодня фактически есть несколько уровней локализации производства: от доставки части готовых компонентов с Земли до попытки получить из реголита все необходимые материалы.

Насколько это близко к лунному производству?

На Земле уже продемонстрированы работающие солнечные элементы с использованием материалов из реголитного симулянта. При этом проекты находятся на разной стадии: Blue Origin ближе всего подошла к полному производственному циклу, Maana Electric — к отработке способа получения кремния, а JPM Silicon и TU Berlin — к сокращению самой производственной цепочки.

Но ни один из этих подходов пока не вышел за пределы земных лабораторий. Остается неизвестным и КПД получаемых фотоэлементов: открытых данных по этому показателю недостаточно для объективного сравнения технологий.

Главная задача теперь — объединить отдельные процессы в единую надежную систему. На Луне оборудование должно работать в вакууме, выдерживать большие перепады температур и годами перерабатывать абразивный реголит. Для электрохимических процессов дополнительно потребуется удерживать и возвращать в цикл расплавленные соли, использовать устойчивые к агрессивной среде электроды и надежно отводить кислород. Пониженная гравитация также повлияет на поведение расплавов и газовых пузырьков.

Наконец, производство должно быть максимально автоматизировано. В отличие от земного завода, лунную установку нельзя постоянно обслуживать или снабжать расходными материалами с Земли. Поэтому чем меньше вмешательства человека и внешних поставок требует система, тем лучше она подходит для реального лунного производства.