Місяць як джерело рідкісноземельних елементів

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Тетяна Кошлякова
Кандидатка геологічних наук, старша наукова співробітниця Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М.П.Семененка НАН України

Засоби масової інформації давно вже рясніють грізними попередженнями про майбутній дефіцит енергоресурсів, чистої води, орних земель. Але сучасна технологічна цивілізація для свого розвитку потребує й інших важливих компонентів, видобуток яких уже найближчим часом може стати проблемою. Чи зможемо ми її вирішити завдяки розробці ресурсів небесних тіл?

Що таке «рідкісні землі»

Рідкісноземельні елементи (рідкісноземельні метали) — група з 17 елементів періодичної системи, до якої входять скандій (Sc), ітрій (Y), а також підгрупа з 15 лантаноїдів: лантан (La), церій (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), прометій (Pm), самарій (Sm), європій (Eu), гадоліній (Gd), тербій (Tb), диспрозій (Dy), гольмій (Ho), ербій (Er), тулій (Tm), ітербій (Yb) і лютецій (Lu). Назва «рідкісноземельні елементи» склалася історично, адже у XIX столітті вони вважалися малопоширеними (насправді це не зовсім так), а «землі» — це давнє найменування важкорозчинних оксидів, характерних для цих елементів. У вільному вигляді вони є типовими металами сріблясто-білого забарвлення та мають схожі хімічні властивості. Церій, лантан і неодим користуються найбільшим попитом, ітрій — і справді один із найрідкісніших елементів.

Бастнезит — мінерал, що використовується як сировина для отримання рідкісноземельного елементу церію (Се). Вартість подібного зразка може сягати тисячі доларів США. Джерело: Martin Zinn

Геологам відомо майже 100 мінералів, що містять рідкісноземельні елементи, однак у якості сировини практичне значення мають фосфати (монацит і ксенотим), флуоркарбонати (бастнезит й ітросинхізит), а також оксид-лопарит. Промисловими джерелами також є глинисті мінерали кори вивітрювання гранітів.

Навіщо потрібні рідкісноземельні елементи

 У наш час «рідкісні землі» мають критичне значення для низки ключових технологій у медицині та енергетиці. Вони знайшли своє місце більш ніж у сотні галузей. Зокрема, ці елементи використовуються як легуючі домішки для різних сталей і сплавів, а також в електронних приладах, магнітних матеріалах і запалювальних сумішах. У ядерній енергетиці вони присутні як каталізатори й акумулятори водню. Більшість їх застосовується у вигляді змішаних сполук, оксидів і мішметалу (сплаву на основі рідкісноземельних металів) як каталізатори крекінгу нафти, а також у виробництві скла, кераміки та в металургії. На ці галузі припадає майже 70% сумарного споживання рідкісноземельних елементів. Також вони входять до складу акумуляторних електродів, магнітів, контрастних речовин у МРТ. Значення цих елементів важко переоцінити й на побутовому рівні, адже вони є важливими компонентами у виготовленні високотехнологічних пристроїв і різноманітних гаджетів, які сьогодні є практично в кожному домі: комп’ютерів, мобільних телефонів, планшетів, ноутбуків тощо. Одними з таких компонентів є неодимові магніти, присутні у жорстких дисках, гучномовцях і мобільних телефонах. Застосування рідкісноземельних металів дозволило мініатюризувати всі ці пристрої — без них смартфони сягали б розмірів черевика, а маса ноутбука становила би 10 кг.

Розвідані запаси рідкісноземельних елементів на Землі складають приблизно 120 млн тонн. Більше третини цих запасів (приблизно 45 млн тонн) — у Китаї. Крім того, до числа основних країн із великими родовищами «рідкісних земель» входять Індія, Австралія, В’єтнам і Бразилія. Річний видобуток цих металів у світі станом на 2018 рік становив майже 170 тис. тонн. За таких темпів загальносвітових запасів вистачить на 700 років. Однак їхнє споживання щорічно зростає на 10-15%. Попит на рідкісноземельні метали збільшується і починає перевищувати пропозицію, оскільки у світі стає дедалі актуальнішою відновлювальна енергія. Такі метали, як неодим і празеодим, є важливими в чистій енергетиці й у високотехнологічних сферах, тому вони перебувають у центрі уваги, особливо у зв’язку зі зростанням популярності електромобілів і гібридних автомобілів. Зважаючи на такий високий попит і обмежені можливості повторного використання, фахівці NASA запропонували пошукати рідкісноземельні елементи на інших планетах та іхніх супутниках, і в першу чергу — на Місяці. На думку вчених, там можуть існувати великі родовища цих металів, доступність яких компенсує вартість доправлення видобутої сировини на Землю.

Гірські породи Місяця

Перші зразки місячних порід були доставлені на Землю 1969 року, коли американські астронавти на космічному кораблі Apollo 11 вперше здійснили висадку на Місяць. Наразі найбільша колекція зразків гірських порід з нашого супутника загальною масою 382 кг зберігається у Лабораторії місячних зразків Космічного центру ім. Джонсона (Г’юстон, штат Техас, США). Вона функціонує з 1979 року й увібрала в себе матеріал, зібраний астронавтами впродовж шести експедицій на Місяць. Найцінніші зразки (2200 одиниць) зберігаються у рукавичних камерах, заповнених інертним газом (азотом), у сховищі, виготовленому з нержавіючої сталі. Всі інструменти та контейнери є стерильними. Камери зі зразками пересувають до інших приміщень Лабораторії за допомогою спеціальних шлюзів. Щороку незалежна експертна комісія розглядає нові пропозиції дослідників, а куратори розсилають приблизно 400 місячних зразків 40-50 ученим з усього світу. Майже всі зразки мініатюрні — не важче одного граму. Після завершення дослідницьких робіт їх обов’язково повертають назад до Лабораторії. За всі роки досліджень ці зразки дали змогу вченим зрозуміти природу та походження нашого супутника. Вважається, що Місяць утворився близько 4,5 млрд років тому в результаті зіткнення молодої Землі з планетоїдом розміром із Марс, унаслідок чого стався потужний викид у космос уламків і хмари пилу, яка згодом «сконденсувалася» у сферичний об’єкт. Було підтверджено, що абсолютна більшість місячних кратерів виникла в результаті ударів астероїдів і комет, а не внаслідок вулканізму. Постійний потік метеоритів, мікрометеоритів, а також вплив сонячної радіації змінював корінні породи, створивши шар дрібнозернистого ґрунту та пилу (реголіту), що вкриває всю поверхню нашого нічного світила.

Зразок породи (чорно-білої брекчії), що зберігається у Лабораторії місячних зразків Космічного центру ім. Джонсона в місті Г’юстон, США. Джерело: NASA

На ранньому етапі своєї еволюції Місяць був рідкою магматичною кулею, вкритою тонкою твердою кіркою більш легких мінералів. Згодом ця кірка перетворилася на білий анортозит, що «плавав» поверхнею магми, сформувавши місячні високогір’я. Пізніше, як наслідок затвердіння магми, виникла базальтова порода. Анортозит і базальт є основними корінними породами нашого супутника. Інша поширена місячна порода — брекчія — являє собою роздроблені уламки інших порід, зцементовані під дією тепла внаслідок вулканічної активності. Анортозит (плагіоклазит) є магматичною гірською породою, що складається переважно з багатого на кальцій вапняно-лужного польового шпату (зазвичай лабрадориту, рідше — андезиту чи бітовніту) з невеликим вмістом кольорових мінералів — олівіну, піроксену, титаномагнетиту, апатиту тощо. На Землі до анортозитових магматичних комплексів приурочені родовища титану, хрому, платиноїдів та, в окремих випадках, рідкісноземельних металів.

Місячні родовища рідкісноземельних металів

Інтерес до нашого природного супутника, який у 80-ті роки минулого століття почав потроху згасати, «підігріло» відкриття ознак присутності покладів водяного льоду й інших замерзлих летючих сполук поблизу місячних полюсів. Наявність води на Місяці суттєво полегшила би його подальше освоєння та розробку корисних копалин на його поверхні.

Зображення частини північної півкулі Місяця в умовних кольорах, отримане за результатами зйомки космічного апарата Galileo з використанням трьох спектральних фільтрів. Кожен колір відповідає породі з різним хімічним складом. Фотографування здійснювалося під час наближення до Землі 7 грудня 1992 року, для побудови зображення використано 53 знімки. Джерело: NASA/JPL

Перший автоматичний апарат у новому тисячолітті відправило до Місяця Європейське космічне агентство (ESA) ще у 2003 році. Зонд SMART-1 був запущений 28 вересня 2003-го і пропрацював на селеноцентричній орбіті майже три роки, після чого його перевели на траєкторію зіткнення з місячною поверхнею. Приклад європейців наслідували Японія, Індія та Китай. Найуспішнішою місією, що функціонує й по сьогодні, вважається американський апарат LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), який уже 13 років працює в околицях нашого природного супутника та передає на Землю найдетальніші знімки його поверхні, а також багато інших наукових даних.

Плани щодо експедиції на місячну поверхню зараз активно розробляють США (в кооперації з Євросоюзом) і Китай. NASA готує нову висадку людини на Місяць у 2025 році — нагадаємо, що востаннє американські астронавти побували там у грудні 1972-го. Місія отримала назву Artemis і спрямована на те, щоб доставити на поверхню природного супутника Землі першу жінку. Метою експедиції також є південний місячний полюс, де розташовані глибокі кратери, на дно яких ніколи не потрапляє сонячне світло, та ділянки, освітлені майже постійно. На таких ділянках могли би функціонувати зонди, що працюють на сонячних батареях.

Керівництво NASA вважає, що реалізація планів розвідки та видобутку рідкісноземельних елементів на Місяці цілком можлива у найближчі роки, враховуючи величезні обсяги інвестицій у космічну галузь. Варто зауважити, що кошти вже надходять не лише від держави, але й від потужних приватних компаній (SpaceX, Blue Origin і Virgin Orbit).

США також мають плани з організації тривалої присутності астронавтів на Місяці. Компанії Boeing і Lockheed Martin уже уклали угоду з NASA щодо створення ракети-носія та капсули, які слугуватимуть основою для програми місячних досліджень. SpaceX та Blue Origin вже працюють над створенням космічних кораблів, що доправлятимуть людей і вантажі на поверхню нашого супутника. Завдяки залученню приватних компаній очікується, що витрати NASA на реалізацію цієї програми не перевищать 20 млрд доларів. Blue Origin, заснована найбагатшою (станом на 2020 рік) людиною світу генеральним директором Amazon Джеффом Безосом, стане головною підрядною організацією в цьому партнерстві. У травні 2019 року керівник компанії представив проєкт посадкового модуля під назвою Blue Moon. Дорожня карта NASA з висадки людини на Місяць у 2025 році передбачає будівництво на навколомісячній орбіті мінікосмічної станції, що отримала назву Gateway (англ. «ворота», «шлюз»). Посадковий апарат, наданий комерційною організацією, буде направлений до цієї станції, де очікуватиме на прибуття команди астронавтів NASA.

Художнє зображення космічної станції LOP-Gateway і корабля Orion перед стикуванням. Джерело: NASA

Тим часом фахівці ESA розробляють технології, які дозволили би побудувати місячну базу за допомогою 3D-друку. До цього процесу долучилося британське архітектурне бюро «Foster+Partners». Розглядається можливість використання місячного ґрунту як основного будівельного матеріалу. Вже розроблена конструкція підвісного купола, що матиме стільникову структуру для захисту від мікрометеоритів і космічного випромінювання, а також надувне укриття для астронавтів. Згідно з задумом архітекторів, порожниста структура конструкції, що нагадує пташині кістки, забезпечить оптимальне поєднання міцності та ваги. Технологія 3D-друку має спростити процес освоєння Місяця, оскільки практично не вимагатиме постачання з Землі. Британська компанія Monolite уже представила принтер D-Shape, здатний розпилювати в’яжучий розчин із будівельного матеріалу, подібного за фізичними властивостями до піску. Тривимірні «роздруківки» створюються шар за шаром. Зазвичай компанія використовує свій принтер для виготовлення скульптур і штучних коралових рифів, які допомагають захищати пляжі від морських хвиль. У місячних умовах планують перемішувати реголіт з оксидом магнію і використовувати цю суміш як будівельний матеріал для 3D-друку. Подальша обробка спеціальним розчином має перетворити готову конструкцію на твердий матеріал, схожий на камінь.

На даний момент успішно проведені експериментальні дослідження щодо можливості роботи 3D-принтера в умовах, наближених до місячних. Як аналог реголіту використовувалася базальтова порода з вулкану, розташованого у центральній частині Італії. Також у лабораторії були відтворені умови космічного вакууму. Зараз тривають подальші дослідження, що мають за мету подолати температурні обмеження (3D-друк найкраще працює за температури +20°C) та створити безпечні умови для астронавтів, у першу чергу захистивши їх від вдихання місячного пилу, гострі частинки якого здатні пошкодити легені та дихальні шляхи.

Художнє зображення дослідницької бази на місячній поверхні. Джерело: NASA

Таким чином, через 50 років після першої висадки людини на поверхню природного супутника Землі ми станемо свідками чергового «буму» місячних досліджень. І, можливо, невдовзі кожен із нас носитиме з собою в кишені «шматочок Місяця» — адже використання рідкісноземельних елементів позаземного походження для виготовлення смартфонів буде цілком звичною справою.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine