Луна как источник редкоземельных элементов

 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

Средства массовой информации давно уже пестрят грозными предупреждениями о грядущем дефиците энергоресурсов, чистой воды, пахотных земель. Но современная технологическая цивилизация для своего развития нуждается и в других важных компонентах, добыча которых уже в ближайшее время может стать проблемой. Сможем ли мы ее решить благодаря разработке ресурсов на небесных телах?

Что такое «редкие земли»

Редкоземельные элементы (редкоземельные металлы) — группа из 17 элементов периодической системы, в которую входят скандий (Sc), иттрий (Y), а также подгруппа из 15 лантаноидов: лантан (La), церий (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), прометий (Pm), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm), иттербий (Yb) и лютеций (Lu). Название «редкоземельные элементы» сложились исторически: в XIX веке они считались малораспространенными (на самом деле это не совсем так), а «земли» — это древнее наименование труднорастворимых оксидов, характерных для этих элементов. В свободном виде они являются типичными металлами серебристо-белой окраски и обладают схожими химическими свойствами. Церий, лантан и неодим пользуются наибольшим спросом, иттрий — действительно один из самых редких элементов.

Бастнезит — минерал, используемый как сырье для получения редкоземельного элемента церия (Се). Стоимость подобного образца может достигать тысячи долларов США. Источник: Martin Zinn

Геологам известно почти 100 минералов, содержащих редкоземельные элементы, однако в качестве сырья практическое значение имеют фосфаты (монацит и ксенотим), фторкарбонаты (бастнезит и итросинхизит), а также оксид-лопарит. Промышленными источниками также являются глинистые минералы коры выветривания. гранитов.

Зачем нужны редкоземельные элементы

В наше время «редкие земли» имеют критическое значение для ряда ключевых технологий в медицине и энергетике. Они нашли свое место более чем в сотне отраслей. В частности, эти элементы используются в качестве легирующих добавок в различных сталях и сплавах, а также в электронных приборах, магнитных материалах и зажигательных смесях. В ядерной энергетике они присутствуют в качестве катализаторов и аккумуляторов водорода. Большинство из них применяется в виде смешанных соединений, оксидов и мишметалла (сплава на основе редкоземельных металлов) как катализаторы крекинга нефти, в производстве стекла, керамики и металлургии. На эти отрасли приходится около 70% суммарного потребления редкоземельных элементов. Также они входят в состав аккумуляторных электродов, магнитов, контрастных веществ в МРТ. Значение этих элементов трудно переоценить и на бытовом уровне, ведь они являются важными компонентами в изготовлении высокотехнологичных устройств и разнообразных гаджетов, которые сегодня имеются практически в каждом доме: компьютеров, мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков и т.д. Одними из таких компонентов являются неодимовые магниты, присутствующие в жестких дисках, громкоговорителях и мобильных телефонах. Применение редкоземельных металлов позволило миниатюризировать все эти устройства — без них смартфоны достигали бы размеров ботинка, а масса ноутбука составляла бы 10 кг.

Разведанные запасы редкоземельных элементов на Земле составляют примерно 120 млн тонн. Более трети этих запасов (приблизительно 45 млн тонн) — в Китае. Кроме того, в число основных стран с крупными месторождениями «редких земель» входят Индия, Австралия, Вьетнам и Бразилия. Годовая добыча этих металлов в мире на 2018 год составила почти 170 тыс. тонн. При таких темпах общемировых запасов хватит на 700 лет. Однако их потребление ежегодно увеличивается на 10-15%. Спрос на редкоземельные металлы растет и начинает превышать предложение, поскольку в мире становится все более актуальной возобновляемая энергия. Такие металлы, как неодим и празеодим, важны в чистой энергетике и в высокотехнологичных сферах, поэтому они находятся в центре внимания, особенно в связи с ростом популярности электромобилей и гибридных автомобилей. Учитывая столь высокий спрос и ограниченные возможности повторного использования, специалисты NASA предложили поискать редкоземельные элементы на других планетах и ​​их спутниках, и в первую очередь — на Луне. По мнению ученых, там могут существовать крупные месторождения этих металлов, доступность которых компенсирует стоимость доставки добытого сырья на Землю.

Горные породы Луны

Первые образцы лунных пород были доставлены на Землю в 1969 году, когда американськие астронавты на космическом корабле Apollo 11 впервые осуществили высадку на Луну. Сейчас наибольшая коллекция образцов горных пород с нашего спутника общей массой 382 кг хранится в Лаборатории лунных образцов Космического центра им. Джонсона (Хьюстон, штат Техас, США). Она функционирует с 1979 года и вобрала в себя материал, собранный астронавтами в течение шести экспедиций. Самые ценные образцы (2200 единиц) хранятся в рукавичных камерах, заполненных инертным газом (азотом), в контейнерах из нержавеющей стали. Все инструменты и контейнеры стерильные. Камеры с образцами передвигаются в другие помещения Лаборатории с помощью специальных шлюзов. Ежегодно независимая экспертная комиссия рассматривает новые предложения исследователей, а кураторы рассылают примерно 400 лунных образцов 40-50 ученым со всего мира. Почти все образцы миниатюрны — не тяжелее одного грамма. После завершения исследовательских работ их обязательно возвращают назад в Лабораторию. За все годы исследований эти образцы дали возможность ученым понять природу и происхождение нашего спутника. Считается, что Луна образовалась около 4,5 млрд лет назад в результате столкновения молодой Земли с планетоидом размером с Марс, в результате чего произошел мощный выброс в космос обломков и облака пыли, впоследствии «сконденсировавшихся» в сферический объект. Удалось подтвердить, что абсолютное большинство лунных кратеров возникли в результате ударов астероидов и комет, а не вследствие вулканизма. Постоянный поток метеоритов, микрометеоритов, а также влияние солнечной радиации изменяли коренные породы, создав слой мелкозернистой почвы и пыли (реголита), покрывающий всю поверхность нашего ночного светила.

Образец породы (черно-белой брекчии), хранящийся в Лаборатории лунных образцов Космического центра им. Джонсона в городе Хьюстон, США. Источник: NASA

На раннем этапе своей эволюции Луна была жидким магматическим шаром, покрытым тонкой твердой коркой более легких минералов. Впоследствии эта корка превратилась в белый анортозит, который плавал на поверхности магмы, сформировав лунные высокогорья. Позже, как следствие затвердевания магмы, возникла базальтовая порода. Анортозит и базальт являются основными коренными породами нашего спутника. Другая распространенная лунная порода — брекчия — представляет собой раздробленные обломки других пород, сцементированных под действием тепла вследствие вулканической активности. Анортозит (плагиоклазит) является магматической горной породой, состоящей преимущественно из богатого кальцием известково-щелочного полевого шпата (обычно лабрадорита, реже — андезита или битовнита) с небольшим содержанием цветных минералов — оливина, пироксена, титаномагнетита, апатита и т.п. На Земле к анортозитовым магматическим комплексам приурочены месторождения титана, хрома, платиноидов и, в отдельных случаях, редкоземельных металлов.

Лунные месторождения редкоземельных металлов

Интерес к нашему естественному спутнику, начавший в 80-е годы прошлого века понемногу ослабевать, «подогрело» открытие признаков присутствия залежей водяного льда и других замерзших летучих соединений вблизи лунных полюсов. Наличие воды на Луне существенно облегчило бы ее дальнейшее освоение и разработку полезных ископаемых на ее поверхности.

Изображение части северного полушария Луны в условных цветах, полученное по результатам съемки космического аппарата Galileo с использованием трех спектральных фильтров. Каждый цвет соответствует породе с разным химическим составом. Фотографирование производилось во время сближения с Землей 7 декабря 1992 года, для построения изображения использовано 53 снимка. Источник: NASA/JPL

Первый автоматический аппарат в новом тысячелетии оправило к Луне Европейское космическое агентство (ESA) еще в 2003 году. Зонд SMART-1 был запущен 28 сентября 2003-го и проработал на селеноцентрической орбите почти три года, после чего его перевели на траекторию столкновения с лунной поверхностью. Примеру европейцев последовали Япония, Индия и Китай. Самой успешной миссией, функционирующей и по сей день, считается американский аппарат LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), уже 13 лет работающий в окрестностях нашего естественного спутника и передающий на Землю наиболее детальные снимки его поверхности, а также много других научных данных.

Планы касательно экспедиции на лунную поверхность сейчас активно разрабатывают США (в кооперации с Евросоюзом) и Китай. NASA готовит новую высадку человека на Луну в 2025 году — напомним, что в последний раз американские астронавты побывали там в декабре 1972-го. Миссия получила название Artemis и направлена на то, чтобы доставить на поверхность естественного спутника Земли первую женщину. Целью экспедиции также является южный лунный полюс, где расположены глубокие кратеры, на дно которых никогда не попадает солнечный свет, и участки, освещенные почти постоянно. На таких участках могли бы работать зонды, получающие энергию от солнечных батарей.

Руководство NASA считает, что реализация планов разведки и добычи редкоземельных элементов на Луне вполне возможна в ближайшие годы, учитывая огромные объемы инвестиций в космическую отрасль. Следует отметить, что средства уже поступают не только от государства, но и от крупных частных компаний (SpaceX, Blue Origin і Virgin Orbit).

США также имеют планы по организации долговременного присутствия астронавтов на Луне. Компании Boeing и Lockheed Martin уже заключили договор с NASA по созданию ракеты-носителя и капсулы, которые будут служить основой программы лунных исследований. SpaceX и Blue Origin уже работают над созданием космических кораблей, доставляющих людей и грузы на поверхность нашего спутника. Благодаря привлечению частных компаний ожидается, что расходы NASA на реализацию этой программы не превысят 20 млрд долларов. Blue Origin, основанная самым богатым (по состоянию на 2020 год) человеком мира генеральным директором Amazon Джеффом Безосом, станет главной подрядной организацией в этом партнерстве. В мае 2019 года руководитель компании представил проект посадочного модуля под названием Blue Moon. Дорожная карта NASA по высадке человека на Луну в 2025 году предусматривает строительство на окололунной орбите мини-космической станции, получившей название Gateway (англ. «ворота», «шлюз»). Спускаемый аппарат, предоставленный коммерческой организацией, направят к этой станции, где он будет ожидать прибытия команды астронавтов NASA.

Художественное изображение космической станции LOP-Gateway и корабля Orion перед стыковкой. Источник: NASA

Тем временем специалисты ESA разрабатывают технологии, которые позволили бы построить лунную базу с помощью 3D-печати. К этому процессу подключилось британское архитектурное бюро «Foster+Partners». Рассматривается возможность использования лунного грунта в качестве основного строительного материала. Уже разработана конструкция подвесного купола с сотовой структурой для защиты от микрометеоритов и космического излучения, а также надувное укрытие для астронавтов. Согласно замыслу архитекторов, полая структура, напоминающая птичьи кости, обеспечит оптимальное сочетание веса и прочности. Технология 3D-печати должна упростить процесс освоения Луны, поскольку практически не будет нуждаться в поставках с Земли. Британская компания Monolite уже представила принтер D-Shape, способный распылять вяжущий раствор из строительного материала, похожего по физическим свойствам на песок. Трехмерные «распечатки» создаются слоем за слоем. Обычно компания использует свой принтер для изготовления скульптур и искусственных коралловых рифов, помогающих защищать пляжи от морских волн. В лунных условиях планируют перемешивать реголит с оксидом магния и использовать эту смесь в качестве строительного материала для 3D-печати. Последующая обработка специальным раствором должна превратить готовую конструкцию в твердый материал, похожий на камень.

На данный момент успешно проведены экспериментальные исследования возможности работы 3D-принтера в условиях, приближенных к лунным. В качестве аналога реголита использовалась базальтовая порода из вулкана, расположенного в центральной части Италии. Также в лаборатории были воспроизведены условия космического вакуума. Сейчас ведутся дальнейшие исследования, направленные на преодоление температурных ограничений (3D-печать лучше всего работает при температуре +20°C) и создание безопасных условий для астронавтов, в первую очередь — защиты их от вдыхания лунной пыли, острые частицы которой способны повредить легкие и дыхательные пути.

Художественное изображение исследовательской базы на лунной поверхности. Источник: NASA

Таким образом, через 50 лет после первой высадки человека на поверхность естественного спутника Земли мы станем свидетелями очередного «бума» лунных исследований. И, возможно, скоро каждый из нас будет носить с собой в кармане «кусочек Луны» — ведь использование редкоземельных элементов внеземного происхождения для изготовления смартфонов будет вполне обычным делом.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine