¿Qué tan factible es usar aluminio y oxígeno líquido como propulsor futuro proveniente de la luna?

Estaba investigando si habría alguna forma de obtener propulsores de la propia luna para apoyar una futura base y estaciones espaciales en el espacio cis-lunar. Encontré dos documentos que exploran cómo podría funcionar el aluminio en particular en combinación con el oxígeno líquido.

Uno es de Wickman Spacecraft & Propulsion , quien dice:

Una opción adicional disponible con aluminio es suspender el polvo de aluminio en LOX gelificado para formar un monopropulsor... Como parte de nuestra investigación, fabricamos un pequeño motor de cohete alimentado por el monopropulsor de aluminio LOX... El tanque propulsor estaba rodeado por un baño de nitrógeno líquido para evitar que el LOX hierva. Las líneas de alimentación del propulsor pasaban por un baño de nitrógeno líquido en su camino hacia la cámara de combustión. Un pistón empujaba contra el propulsor para introducir el propulsor en la cámara del motor del cohete. Si bien el empuje fue de solo una libra, el motor se puso en marcha y se detuvo varias veces sin que se produjera un retroceso del frente de la llama de combustión en el tanque de propulsor.

El otro es de un documento llamado Moon Miner's Manifesto , alojado en el sitio web de Artemis Society International :

El aluminio y el oxígeno solos proporcionarán un impulso específico algo más bajo que la mayoría de los hidrocarburos. Brower et al. espere un valor de 285 segundos... Uno [diseño del motor] sería bombear polvo de aluminio como lo hacemos con los fluidos. En este caso, probablemente será necesario usar un gas portador junto con el polvo para evitar que los granos de aluminio se suelden al vacío o se peguen debido a las fuerzas electrostáticas... Otra técnica es un motor de cohete híbrido que usa aluminio sólido y oxígeno líquido. Un diseño conceptual para tal motor fue propuesto por Brower et al. Su diseño requiere una matriz hexagonal de barras de aluminio del largo de la cámara de combustión. El oxígeno líquido bajaría por las barras para un enfriamiento regenerativo antes de alcanzar la llama en las puntas de las barras. El motor podría usar solo oxígeno y aluminio, o podría usar una operación tripropelente con hidrógeno.

Brower et al. El artículo se presentó en la 26ª Conferencia Conjunta de Propulsión en 1990 y está en el catálogo de la AIAA.

Obviamente, esto necesita mucho desarrollo, pero a primera vista parece que podría tener ventajas sobre la propuesta habitual en este punto: adquirir hielo de agua de asteroides o de cráteres permanentemente sombreados en los polos de la luna (si está presente en cantidades adecuadas y concentraciones), y dividirlo en hidrógeno y oxígeno para su uso en motores H 2 /LOX.

Las tierras altas lunares están compuestas en gran parte de anortita (CaAl 2 Si 2 O 8 ), un mineral que tiene un 15 % de aluminio y un 62 % de oxígeno. Las regiones que tienen un 80% de anortita o más parecen ser comunes. La extracción de oxígeno se ha discutido en varios artículos , requiere calentar el regolito por encima de 1100 Celsius para que los óxidos minerales se disocien y se pueda recolectar el oxígeno.

Editar: pregunté sobre esto en la comunidad de SE Chemistry y obtuve una respuesta de Jon Custer:

Materia prima de polvo fino... en una descarga de arco para vaporizar e ionizar... aceleración electrostática, luego electroimanes para separar la masa. Energía con una matriz de paneles solares. Sin partes móviles (excepto la alimentación de polvo). No se necesitan sistemas de vacío. Y separas todos los elementos a la vez.

TildalWave me ha señalado que esto requeriría una gran cantidad de electricidad y refrigerante. Se me ocurrió que tal vez el refrigerante podría evitarse colocando todo el mecanismo del separador sobre rieles, en una pista larga y sombreada que corre al lado de su campo de paneles solares. Si configura el separador para descargar el metal y los productos de escoria directamente en el suelo debajo de la pista a medida que avanza, tal vez sea solo una cuestión de averiguar cómo obtener el flujo y la velocidad a la que el separador se mueve correctamente, y el enfriamiento podría ocurrir pasivamente. Quedarían rastros lineales de metales y escoria en el suelo que podrían irradiar lentamente su calor hasta que se enfríen lo suficiente como para recolectarlos. Probablemente hay razones que no funcionarían, pero necesito que me digan cuáles son.

¿Podría algún proceso en este sentido ser competitivo con la minería de asteroides? ¿Cuáles son los problemas y obstáculos?

El artículo de Wickman también exploró el uso de magnesio, fósforo o azufre procedente de la luna en combinación con LOX. Por cierto, quiero decir que es posible que tenga problemas para responder aquí durante el fin de semana, pero estoy muy interesado en esto y lo haré el lunes si no puedo antes.
¿No requeriría la separación del aluminio algo parecido a una fundición automática robótica (probablemente a temperaturas muy altas o con productos químicos cáusticos)? La gran ventaja que veo de usar agua (para electrolizar en sus componentes como combustible y oxidante) es que el agua sería más fácil de extraer ya que su temperatura de evaporación es mucho más baja. Acabo de hacer una búsqueda y descubrí que hay grandes cantidades de óxido de aluminio y anortosita (¡nunca lo supe!) en el regolito. Me pregunto qué tan factible es la electrólisis directa de óxido de aluminio ... de todos modos, ¡una pregunta interesante!
Tengo un artículo de CL Senior llamado 'Producción de oxígeno lunar por pirólisis'. No recuerdo de dónde lo saqué, lo encontré en mis archivos. En él, sugirió que se podrían obtener temperaturas de hasta 3000 K concentrando la luz solar y utilizarlas para la separación de vapor. No tengo tiempo para repasarlo más ahora. Ciertamente me encanta la idea de esto.
Aquí en la tierra, la alúmina se disuelve en criolita fundida. La alúmina disuelta se divide en aluminio y oxígeno mediante electrólisis. Un proceso intensivo en energía tanto en términos de vatios térmicos como eléctricos.
¿La pirólisis solar implica un horno transparente y hermético? El polvo lunar abrasivo destrozaría los sellos y las juntas. ¿Explotarían las rocas al calentarlas a 3000K? Estoy imaginando el horno que contiene una nube turbulenta de gas y polvo sobrecalentado. Una nube que arenaría una pared transparente haciéndola opaca.

Respuestas (2)

Hay varias cuestiones en juego aquí.

  1. ¿Las materias primas necesarias se encuentran en la luna?
  2. ¿Se pueden cosechar las materias primas de manera realista en la luna?
  3. ¿Se pueden procesar las materias primas en un propulsor de cohetes en la luna?
  4. ¿Son viables los motores de cohetes que utilizan este propulsor?
  5. ¿Existen materiales más adecuados para este propósito en la Luna?

Veámoslos a su vez:

¿Las materias primas necesarias se encuentran en la luna?

Según el documento citado del OP, los materiales existen en cantidad suficiente en la luna. Esto está bien confirmado a través de muchas fuentes, como se muestra en Wikipedia .

¿Se pueden cosechar las materias primas de manera realista en la luna?

Sí pueden, y de hecho fueron "cosechados" por Apolo. Se requeriría mucha refinación, pero las materias primas se pueden cosechar fácilmente.

¿Se pueden procesar las materias primas en un propulsor de cohetes en la luna?

Según el documento citado anteriormente, el propulsor del cohete es una suspensión de aluminio en LOX. Siendo realistas, no preveo que esta suspensión se use en la producción real; sin embargo, los investigadores mencionan que esta no es la única mezcla posible. Tal vez en el entorno de baja gravedad, baja presión y baja temperatura de la luna, sea factible una mezcla más fácil de formar y de manejar. Se necesita investigación adicional en esta área en particular.

¿Son viables los motores de cohetes que utilizan este propulsor?

Nuevamente, usando un artículo citado por el OP, la respuesta parece ser cierta. En el estado actual de la tecnología (ciertamente muy temprano) parece que solo son posibles motores pequeños y de baja potencia. Sin embargo, la luna es un mundo de baja gravedad sin atmósfera apreciable. Tal aplicación de baja potencia puede ser suficiente para el salto de estación lunar a estación lunar.

¿Existen materiales más adecuados para este propósito en la Luna?

Casi seguro. La electrólisis del agua (utilizada para adquirir el oxígeno) producirá hidrógeno como subproducto, como un ejemplo trivial. Sin embargo, el agua está limitada en sus ubicaciones en la Luna, pero se puede encontrar en algunos lugares.

Conclusión

Con base en lo anterior, llego a la conclusión de que, dada una presencia establecida de minería y fabricación en la luna, y con suficiente potencia, un motor de cohete de aluminio y oxígeno podría usar combustible de origen local para jauntear alrededor de la luna . Sin embargo, no espero que esta tecnología pueda usarse para impulsar barcos desde la luna a otros destinos.

Los depósitos de anortita en altas concentraciones en las tierras altas lunares están bien establecidos. Es difícil obtener referencias para el Isp de aluminio/LOX, pero seguramente está por encima de 200 y puede ser empujado un poco por el diseño del motor. Eso es suficiente para entrar y salir de la luna y alrededor del espacio cis-lunar. Tampoco hay nada que limite el tamaño del motor. Hay buenas razones para dudar de que el hidrógeno esté disponible económicamente en la luna. Es muy posible que no haya suficiente agua en los polos y que no haya nada en otros lugares, ni hidrógeno.
Otros combustibles posibles se enumeran debajo de la pregunta, pero cada uno tiene problemas: el magnesio es menos estable, el fósforo y el azufre existen en concentraciones mucho más bajas. El aluminio es la mejor opción y es por eso que otros que han mirado esto se han concentrado en él. La pregunta enumeró 3 formatos posibles para el aluminio y no favoreció al primero. Una vez que se estableciera una base lunar (a diferencia de una colonia), una estación de extracción sería la primera actividad industrial en la luna. Nada más tiene sentido a menos que tenga una fuente de combustible local.
Creo que estamos de acuerdo en la mayoría de los puntos además de la prioridad que se le daría a la producción local. Como eso es especulación de ambas partes, no veo razón para enfatizar mi punto de vista. Dependiendo de los objetivos de la colonia, cualquier opción podría funcionar. Gracias.
Entonces su respuesta necesita una gran edición. La gente a menudo lee las respuestas, pero no los comentarios a continuación. Si estamos de acuerdo, es necesario cambiar muchos puntos de su respuesta. El punto sobre la producción local de combustible se puede hacer notar que un cohete equivalente a un Saturno V lanzado a la luna para entregar combustible solo podría suministrar a una base alrededor de 5 toneladas. Permitiendo generosamente ahorros de costos debido a etapas de cohetes inferiores potencialmente reutilizables, digamos que se puede hacer por $ 100 millones. Eso sigue siendo $ 20 000/kg, y no irá muy lejos. Gaste $ 5 mil millones en la producción de Al/LOX, lo recuperará con 250 toneladas de producto.
Todo el asunto es especulación. Especulé en mi respuesta, y tú contraespeculaste, y acepté que tu contraespeculación también es válida. Pero ambos siguen siendo especulaciones. Puede editar su especulación en la respuesta si lo desea, pero la respuesta nunca puede ser "completa", ya que sigue siendo una especulación.
"un motor de cohete de aluminio y oxígeno podría usar combustible de origen local para jauntear alrededor de la luna". Supongo que se basó en el problema de "baja potencia". Obviamente, eso significa que debemos detener toda investigación sobre los sistemas de propulsión iónica, ya que tienen una potencia aún menor y, por lo tanto, nunca podrían usarse para ir muy lejos... ¿Dónde están los delta-vs?
Cuestiono su respuesta a 2. Vea mis comentarios debajo del OP. En este momento, creo que extraer aluminio lunar sería difícil.

Voy a aventurarme y sugerir que la tecnología para refinar el mineral funciona, así como la capacidad para hacer el cohete. Aquí hay algunas cosas para pensar:

  1. Suponiendo un ISP de, digamos, 200, una mezcla adecuada de 1/3 de masa, 2/3 de combustible sería suficiente para alcanzar la órbita lunar. Para una proporción de combustible de 4/5, podría regresar directamente a la Tierra.
  2. Producir el LOX en la Luna sería un problema bastante difícil, ya que tendría que mantenerse fresco todo el tiempo.
  3. Los sólidos nunca antes se han utilizado en cohetes (aparte de los cohetes sólidos, que es un mecanismo diferente). Este sería un cohete de tipo híbrido, bombeando sólidos, lo que parece un desafío. Además, tendrías que tener el aluminio como polvo, lo que podría ser abrasivo.
  4. Esto parece algo bastante arriesgado, basado principalmente en el n. ° 3, para una misión tripulada. Ganas un boom de peso relativamente pequeño, pero con un cohete mucho más arriesgado.

Podría ver esto como una etapa de retorno para la misión minera lunar, pero no para una misión tripulada. ISRU simplemente no es tan importante para una misión lunar como lo sería para una misión a Marte.

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