الاستخدام الموضعي للموارد

في سياق استخدام الموارد في الموقع (ISRU)، يُسعى إلى الحصول على الماء في أغلب الأحيان مباشرةً كوقود أو كمادة خام لإنتاج الوقود. تشمل تطبيقاته استخدامه في دعم الحياة، سواءً للشرب مباشرةً، أو لزراعة الغذاء ، أو لإنتاج الأكسجين ، أو في العديد من العمليات الصناعية الأخرى، وكلها تتطلب إمدادًا جاهزًا من الماء في البيئة ومعدات لاستخراجه. وقد تم اكتشاف هذا الماء خارج الأرض بأشكال متنوعة في جميع أنحاء النظام الشمسي ، وتم بحث عدد من تقنيات استخراج الماء المحتملة. بالنسبة للماء المرتبط كيميائيًا بالتربة السطحية ، أو الجليد الصلب، أو نوع من أنواع التربة الصقيعية، يمكن استخلاص الماء عن طريق التسخين الكافي. ومع ذلك، فإن هذا ليس بالأمر السهل كما يبدو لأن الجليد والتربة الصقيعية غالبًا ما يكونان أصلب من الصخور العادية، مما يستلزم عمليات تعدين شاقة. في حال وجود طبقة من الغلاف الجوي، كما هو الحال على سطح المريخ، يمكن استخراج الماء مباشرةً من الهواء باستخدام عملية بسيطة مثل WAVAR . مصدر آخر محتمل للماء هو طبقات المياه الجوفية العميقة التي تحافظ على دفئها بفعل الحرارة الجيولوجية الكامنة للمريخ، والتي يمكن استغلالها لتوفير كل من الماء والطاقة الحرارية الأرضية.

تم اقتراح إنتاج وقود الصواريخ من سطح القمر عن طريق معالجة جليد الماء المكتشف عند القطبين . تشمل الصعوبات المحتملة العمل في درجات حرارة منخفضة للغاية واستخراج الماء من التربة القمرية . تعتمد معظم الطرق على التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين وتخزينهما في درجات حرارة منخفضة للغاية كسوائل. يتطلب هذا كميات كبيرة من المعدات والطاقة. بدلاً من ذلك، قد يكون من الممكن تسخين الماء في صاروخ نووي أو شمسي حراري ، ^{[ 5 ]} والذي قد يكون قادرًا على نقل كتلة كبيرة من القمر إلى مدار أرضي منخفض (LEO) على الرغم من انخفاض الدفع النوعي بشكل كبير ، وذلك لكمية معينة من المعدات. ^{[ 6 ]}

يمكن صنع بيروكسيد الهيدروجين (H2O2 ₎ أحادي الدفع من ^الماء على المريخ والقمر. ^[ ₇ ^]

تم اقتراح استخدام الألومنيوم بالإضافة إلى معادن أخرى كوقود صاروخي مصنوع باستخدام موارد القمر، ^{[ 8 ]} وتشمل المقترحات تفاعل الألومنيوم مع الماء. ^{[ 9 ]}

بالنسبة للمريخ، يمكن تصنيع وقود الميثان عبر عملية ساباتير . وقد اقترحت شركة سبيس إكس بناء مصنع للوقود على المريخ يستخدم هذه العملية لإنتاج الميثان ( CH4).₄ ) والأكسجين السائل (O2₎منجليد الماء تحت السطحأكسيد الكربونالجوي_2. ^{[ 10 ]}​

لطالما كان الأكسجين أحد الأهداف الرئيسية للاستخراج عند دراسة استخدام الموارد في الفضاء ^{[ 11 ]} . المصدر الرئيسي للأكسجين في الفضاء هو التربة القمرية ، والتي يؤدي اختزالها كيميائيًا لاستخراج الأكسجين إلى إنتاج معادن كمنتج ثانوي ^{[ 12 ]} . وقبل إعلان وكالة ناسا عن برنامج أرتميس بقليل ، بدأت دراسة العمليات التي تستهدف استخراج المعادن تحديدًا في الانتشار ^{[ 13 ]} . وقد اقتُرحت العديد من حالات الاستخدام للمعادن المستخرجة من موارد خارج الأرض، بما في ذلك مواد البناء ( السيليكون ، والألومنيوم ، والحديد ، والمغنيسيوم ، والتيتانيوم ، والمنغنيز ، والكروم ) ^{[ 14 ]} ، ووقود الصواريخ الصلب (الألومنيوم، والمغنيسيوم) ^{[ 15 ]} ، وتخزين الطاقة ( البوتاسيوم ، والصوديوم ، والمنغنيز، والتيتانيوم، والمغنيسيوم، والحديد، والألومنيوم، والسيليكون) ^{[ 16 ]} ، والسوائل الحرارية والمبردات ( الصوديوم والبوتاسيوم ) ^{[ 17 ]} .

العديد من العمليات التي تم بحثها لاستخراج المعادن في الفضاء هي بالفعل طرق معالجة راسخة على الأرض، باستثناء أن التصاميم الجاهزة للفضاء تحتاج إلى مراعاة الظروف المختلفة بشكل كبير الموجودة في الفضاء بما في ذلك الجاذبية والضغط وظروف الإشعاع وقضايا سلسلة التوريد وتوافر المياه والحاجة إلى التشغيل الآلي / التشغيل عن بعد ^{[ 12 ]} .

لطالما طُرحت فكرة إمكانية تصنيع الخلايا الشمسية من المواد الموجودة في تربة القمر. فالسيليكون والألومنيوم والزجاج، وهي ثلاثة من المواد الأساسية اللازمة لتصنيع الخلايا الشمسية، تتواجد بتراكيز عالية في تربة القمر، ويمكن استخدامها في إنتاج هذه الخلايا. ^{[ 18 ]} في الواقع، يوفر الفراغ الطبيعي على سطح القمر بيئة مثالية للترسيب المباشر للأغشية الرقيقة من مواد الخلايا الشمسية باستخدام تقنية الترسيب الفراغي. ^{[ 19 ]}

يمكن استخدام الألواح الشمسية المنتجة على سطح القمر لدعم العمليات على سطحه، بالإضافة إلى الأقمار الصناعية الموجودة خارجه. وقد تكون الألواح الشمسية المنتجة على سطح القمر أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنةً بالألواح الشمسية المنتجة والمشحونة من الأرض، إلا أن هذه المفاضلة تعتمد بشكل كبير على موقع التطبيق المحدد.

من التطبيقات المحتملة الأخرى للألواح الشمسية المُستمدة من القمر توفير الطاقة للأرض. في شكلها الأصلي، والمعروفة باسم قمر الطاقة الشمسية الصناعي ، كان الهدف من هذا المشروع توفير مصدر طاقة بديل للأرض . كان من المقرر إطلاق الخلايا الشمسية إلى مدار حول الأرض وتجميعها، ثم نقل الطاقة المُولدة إلى الأرض عبر حزم الموجات الدقيقة. ^{[ 20 ]} على الرغم من الجهود الكبيرة المبذولة لدراسة تكلفة هذا المشروع، إلا أن عدم اليقين يكمن في تكلفة وتعقيد عمليات التصنيع على سطح القمر.

يتطلب استعمار الكواكب أو الأقمار الحصول على مواد بناء محلية ، مثل التربة السطحية . فعلى سبيل المثال، أظهرت الدراسات التي استخدمت تربة المريخ الاصطناعية الممزوجة براتنج الإيبوكسي ورباعي إيثوكسي سيلان ، قيمًا عالية كافية لمعايير القوة والمقاومة والمرونة. ^{[ 21 ]}

قد يشمل تعدين الكويكبات استخراج المعادن لاستخدامها كمواد بناء في الفضاء، وهو ما قد يكون أكثر فعالية من حيث التكلفة من استخراج هذه المواد من جاذبية الأرض العميقة، أو من جاذبية أي جرم سماوي كبير آخر كالقمر أو المريخ . تحتوي الكويكبات المعدنية على كميات هائلة من المعادن المحبة للحديد ، بما في ذلك المعادن النفيسة .

يركز البحث في استخدام الموارد المحلية في المريخ بشكل أساسي على توفير وقود الصواريخ لرحلة العودة إلى الأرض - سواء كانت رحلة مأهولة أو رحلة لجمع العينات - أو لاستخدامه كوقود على سطح المريخ. وتعتمد العديد من التقنيات المقترحة على الغلاف الجوي للمريخ ، المعروف جيدًا، كمادة خام. ^{[ 22 ]} ونظرًا لإمكانية محاكاة هذا الغلاف الجوي على الأرض، فإن هذه المقترحات سهلة التنفيذ نسبيًا، مع أنه ليس من المؤكد أن وكالة ناسا أو وكالة الفضاء الأوروبية ستفضلان هذا النهج على مهمة مباشرة تقليدية. ^{[ 23 ]}

_{من المقترحات الشائعة لاستخدام الموارد المحلية على سطح} المريخ استخدام تفاعل ساباتير ، CO₂ + 4H₂ _→ CH₄ ₊ 2H₂O _، لإنتاج الميثان على سطح المريخ، لاستخدامه كوقود دافع. يُحرر الأكسجين من الماء بالتحليل الكهربائي ، ويُعاد تدوير الهيدروجين إلى تفاعل ساباتير. تكمن فائدة هذا التفاعل في أنه - اعتبارًا من عام ٢٠٠٨عندما لم يكن توافر الماء على المريخ مثبتاً علمياً بشكل كافٍ، كان يُعتقد أن الهيدروجين فقط (وهو عنصر خفيف) هو ما يجب جلبه من الأرض. ^{[ 24 ]}

اعتبارًا من عام 2018أعلنت شركة سبيس إكس عن هدفها المتمثل في تطوير تقنية لمحطة وقود على سطح المريخ، قد تستخدم نسخة معدلة مما وُصف في الفقرة السابقة. فبدلاً من نقل الهيدروجين من الأرض لاستخدامه في إنتاج الميثان والأكسجين، صرّحت الشركة بأنها تخطط لاستخراج المياه اللازمة من الجليد المائي الجوفي ، وإنتاج وتخزين المواد المتفاعلة الناتجة عن تفاعل ساباتير، ثم استخدامها كوقود لرحلات عودة مركبة ستار شيب في موعد لا يتجاوز عام 2023. ^{[ 25 ] [ 26 ]} وحتى عام 2023، لم تُنتج سبيس إكس أو تنشر أي تصاميم أو مواصفات لأي تقنية لاستخدام الموارد في الموقع. ^{[ 27 ]}

يُقترح تفاعل مشابه للمريخ، وهو تفاعل تحويل غاز الماء العكسي _: CO₂ + H₂ → _CO + H₂O _. يحدث هذا التفاعل بسرعة في وجود عامل حفاز من الحديد والكروم عند درجة حرارة 400  درجة مئوية، ^{[ 28 ]} وقد تم تطبيقه في بيئة اختبار أرضية من قِبل وكالة ناسا. ^{[ 29 ]} وكما في السابق، يُعاد تدوير الهيدروجين من الماء عن طريق التحليل الكهربائي ، ولا يحتاج التفاعل إلا إلى كمية صغيرة من الهيدروجين من الأرض. والنتيجة النهائية لهذا التفاعل هي إنتاج الأكسجين، الذي يُستخدم كمؤكسد في وقود الصواريخ.

ومن التفاعلات الأخرى المقترحة لإنتاج الأكسجين والوقود ^{[ 30 ]} التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون الجوي،

${\displaystyle {\ce {{\overset {atmospheric \atop {carbon\ second}}{2CO2}}->[{\text{energy}}]{2CO}+O2}}}$^{[ 31 ]}

كما اقتُرح إنتاج الأكسجين والهيدروجين وأول أكسيد الكربون في الموقع من رواسب الهيماتيت المريخية عبر عملية فصل حراري كيميائي ثنائية الخطوات _{لثاني أكسيد الكربون والماء ،} وتحديدًا في دورة الأكسدة والاختزال للمغنيتيت / الوستيت . ^{[ 32 ]} على الرغم من أن التحلل الحراري هو العملية المباشرة أحادية الخطوة لفصل الجزيئات، إلا أنه غير عملي وغير فعال في حالة الماء _أو ثاني أكسيد الكربون _. ويعود ذلك إلى أن العملية تتطلب درجة حرارة عالية جدًا (> 2500 درجة مئوية) لتحقيق نسبة تفكك مفيدة. ^{[ 33 ]} يطرح هذا الأمر مشاكل في إيجاد مواد مناسبة للمفاعل، وخسائر ناتجة عن إعادة تركيب المنتجات بشكل مكثف، وفقدان مفرط للإشعاع عبر الفتحة عند استخدام حرارة شمسية مركزة. وقد اقترح ناكامورا دورة الأكسدة والاختزال للمغنيتيت/الوستيت لأول مرة للتطبيق الشمسي على الأرض، ^{[ 34 ]} وكانت من أوائل الدورات المستخدمة في فصل الماء ثنائي الخطوات باستخدام الطاقة الشمسية . في هذه الدورة، يتفاعل الماء مع أكسيد الحديد الثنائي (FeO) لتكوين الماغنيتيت (Fe3O4 _{) والهيدروجين} . وفيما يلي ملخص التفاعلات في عملية الانشطار هذه المكونة من خطوتين: 

${\displaystyle {\ce {Fe3O4->[{\text{energy}}]{3FeO}+\overbrace {1/2O2} ^{\underset {(\operatorname {by-product} )}{oxygen}}}}}$

ويتم استخدام FeO الناتج في التحليل الحراري للماء أو ثاني أكسيد _{الكربون}  :

3FeO _{+ H2O} → الحديد _3O4 + _H2

3FeO + CO ₂ → Fe ₃ O ₄ + CO

تتكرر هذه العملية بشكل دوري. وتؤدي العملية المذكورة أعلاه إلى انخفاض كبير في الطاقة الحرارية المُدخلة مقارنةً بالعملية المباشرة أحادية الخطوة لفصل الجزيئات. ^{[ 35 ]}

مع ذلك، تتطلب هذه العملية وجود الوستيت (FeO) لبدء الدورة، ولكن لا يوجد الوستيت على سطح المريخ، أو على الأقل ليس بكميات كبيرة. ومع ذلك، يمكن الحصول على الوستيت بسهولة عن طريق اختزال الهيماتيت (Fe₂O₃ ) _{، وهو مادة وفيرة} على سطح المريخ، وتبرز بشكل خاص رواسب الهيماتيت الكثيفة الموجودة في تيرا ميريدياني . ^{[ 36 ]} يُعد استخدام الوستيت المستخرج من الهيماتيت، المتوفر بكثرة على سطح المريخ، عملية صناعية معروفة على الأرض، وتتم من خلال تفاعلي الاختزال الرئيسيين التاليين:

3Fe₂O₃ + _H₂ → _2Fe₃O₄ + _H₂O​​_​​_​​

3Fe2O3 + _CO → _{2Fe3O4 +} CO2_​​_​

كان من المقرر أن تُظهر مركبة الهبوط "مارس سيرفيور" المقترحة لعام 2001 إمكانية إنتاج الأكسجين من غلاف المريخ الجوي ، ^{[ 37 ]} وأن تختبر تقنيات الخلايا الشمسية وطرق التخفيف من تأثير غبار المريخ على أنظمة الطاقة، ولكن تم إلغاء المشروع. ^{[ 38 ]} تضمنت مهمة مركبة "مارس 2020" الجوالة نموذجًا تجريبيًا لتقنية استخدام الموارد المحلية ( تجربة استخدام موارد أكسجين المريخ المحلية ) التي استخلصت _ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وأنتجت بنجاح 5.37 غرامًا من الأكسجين _خلال ساعة واحدة. ^{[ 39 ]}

اقترح البعض إمكانية بناء المباني على سطح المريخ باستخدام البازلت لما يتمتع به من خصائص عزل جيدة. ومن شأن بنية تحتية من هذا النوع أن تحمي الكائنات الحية من التعرض للإشعاع. ^{[ 40 ]}

تتوفر جميع الموارد اللازمة لصناعة البلاستيك على سطح المريخ. ^{[ 41 ] [ 42 ]} ويمكن إتمام العديد من هذه التفاعلات المعقدة باستخدام الغازات المستخلصة من الغلاف الجوي للمريخ. ومن المعروف وجود آثار من الأكسجين الحر، وأول أكسيد الكربون، والماء، والميثان. ^{[ 43 ] [ 44 ]} ويمكن إنتاج الهيدروجين والأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء، وأول أكسيد الكربون والأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون والميثان عن طريق تفاعل ساباتير بين ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. توفر هذه التفاعلات الأساسية اللبنات الأساسية لسلاسل تفاعلات أكثر تعقيدًا قادرة على صناعة البلاستيك. يُستخدم الإيثيلين في صناعة أنواع البلاستيك مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين ، ويمكن إنتاجه من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. ^{[ 45 ]}

2CO + 4H ₂ → C ₂ H ₄ + 2H ₂ O .

يمتلك القمر موارد خام وفيرة ذات أهمية محتملة لسلسلة من التطبيقات المستقبلية، بدءًا من استخدام المواد القمرية لتسهيل الأنشطة البشرية على سطح القمر نفسه ، وصولًا إلى استخدام الموارد القمرية لدعم قدرة صناعية مستقبلية ضمن نظام الأرض والقمر. ^{[ 46 ]} تشمل الموارد الطبيعية الطاقة الشمسية والأكسجين والماء والهيدروجين والمعادن. ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

يمكن استخدام مادة الأنورثيت الموجودة في المرتفعات القمرية كخام للألومنيوم . وتستطيع مصاهر الألومنيوم إنتاج الألومنيوم النقي، ومعدن الكالسيوم، والأكسجين، وزجاج السيليكا من الأنورثيت. كما يُعد الأنورثيت الخام مناسبًا لصناعة الألياف الزجاجية وغيرها من المنتجات الزجاجية والخزفية. ^{[ 50 ]} وتتمثل إحدى تقنيات المعالجة في استخدام الفلور المستخرج من الأرض على شكل فلوريد البوتاسيوم لفصل المواد الخام عن الصخور القمرية. ^{[ 51 ]}

تم اقتراح أكثر من عشرين طريقة مختلفة لاستخلاص الأكسجين من تربة القمر. ^{[ 8 ]} غالبًا ما يوجد الأكسجين في المعادن والزجاج القمري الغني بالحديد على شكل أكسيد الحديد . يمكن استخلاص الأكسجين بتسخين المادة إلى درجات حرارة أعلى من 900  درجة مئوية وتعريضها لغاز الهيدروجين. المعادلة الأساسية هي: FeO + H₂ _→ Fe + H₂O _. وقد أصبحت هذه العملية أكثر عمليةً مؤخرًا بفضل اكتشاف كميات كبيرة من تربة القمر المحتوية على الهيدروجين بالقرب من قطبي القمر بواسطة المركبة الفضائية كليمنتين . ^{[ 52 ]}

يمكن أيضًا استخدام المواد القمرية كمواد بناء عامة، ^{[ 53 ]} من خلال تقنيات معالجة مثل التلبيد ، والضغط الساخن، والتسييل ، وطريقة صب البازلت . يُستخدم البازلت المصبوب على الأرض في صناعة الأنابيب، على سبيل المثال، حيث تتطلب مقاومة عالية للتآكل. ^{[ 54 ]} يُعدّ الزجاج والألياف الزجاجية سهلَي المعالجة على سطح القمر والمريخ. ^{[ 50 ]} كما صُنعت ألياف البازلت من نماذج محاكاة للتربة القمرية.

أُجريت اختبارات ناجحة على الأرض باستخدام مادتين محاكيتين لتربة القمر، وهما MLS-1 و MLS-2 . ^{[ 55 ]} في أغسطس 2005، تعاقدت وكالة ناسا على إنتاج 16 طنًا من تربة القمر المُحاكاة، أو مادة محاكاة تربة القمر، لإجراء أبحاث حول كيفية استخدام تربة القمر في الموقع . ^{[ 56 ] [ 57 ]}

وتستند مقترحات أخرى ^{[ 58 ]} إلى فوبوس وديموس . تدور هذه الأقمار في مدارات عالية نسبياً فوق المريخ، ولها سرعات إفلات منخفضة للغاية، وعلى عكس المريخ، فإن قيم دلتا-في العائدة من أسطحها إلى المدار الأرضي المنخفض أقل من تلك العائدة من القمر.

يقع سيريس على مسافة أبعد من المريخ، ويتطلب سرعة أكبر، لكن نوافذ الإطلاق وأوقات السفر فيه أفضل، وجاذبيته السطحية لا تتجاوز 0.028 ضعف جاذبية الأرض، مع سرعة إفلات منخفضة للغاية تبلغ 510  م/ث. وقد تكهن الباحثون بأن التركيب الداخلي لسيريس يتضمن غلافًا غنيًا بالجليد المائي فوق نواة صخرية. ^{[ 59 ]}

يمكن أن تكون الكويكبات القريبة من الأرض والأجسام الموجودة في حزام الكويكبات مصادر للمواد الخام لاستخدام الموارد في الموقع.

طُرحت مقترحاتٌ لاستخراج الغازات اللازمة لدفع الصواريخ ، باستخدام ما يُسمى مُجمِّع السوائل الدافعة . ويمكن استخلاص الغازات الجوية مثل الأكسجين والأرجون من غلاف كواكب مثل الأرض والمريخ والكواكب العملاقة الخارجية بواسطة أقمار صناعية تعمل بمُجمِّع السوائل الدافعة في مدار منخفض. ^{[ 60 ]}