Güneşi Ay’a yönlendirerek Ay’dan büyük miktarda su elde edebiliriz.

Türümüzün uzay keşif yolculuğuna başlarken en çok tartışılan zorluklardan biri, yaşam için gerekli kaynakların Dünya’dan nasıl çıkarılacağıdır. Tipik olarak bunun iki şey olduğu düşünülür – su ve oksijen, ama neyse ki, oksijen bir su molekülünü parçalayarak sağlanabilir, bu nedenle uzayda bulabileceğimiz en kritik kaynak sudur.

Uzay kaynakları dilinde yaygın olarak “uçucu” olarak adlandırılan su, Ay’da, Mars’ta ve başka yerlerde yerinde kaynak kullanımına yönelik birçok planın odak noktası olmuştur. Bu planlardan bazıları iyi düşünülmüş, bazıları değil. Bunlardan biri, 2019’da NASA’nın Gelişmiş Kavramlar Enstitüsü (NIAC) finansmanının bir parçası olarak seçildiğinde umut vaat ediyordu ve burada ona daha yakından bakacağız.

“Soğuk Güneş Sistemi Gövdelerinde Buzların Termal Madenciliği” başlıklı bir raporda yayınlanan ancak bundan sonra “termal madencilik” olarak anılacak olan kavram, bir uzay kaynakları uzmanı ve Colorado School of Mines’da (CSM) Makine Mühendisliği Profesörü olan George Sowers’ın fikridir. Altta yatan kavram, çocukken büyüteçle oynayan herkes için şaşırtıcı derecede basit ve tanıdıktır.

Dev bir ayna veya başka bir teknoloji kullanarak güneş ışığını belirli bir noktaya yönlendirirseniz, o nokta ısınır. Buz içeren bir alanı ısıtırsanız ve bu alan vakumdaysa, bu buz süblimleşerek su buharına dönüşür ve ısıtılan yüzeyden salınmaya başlar. Bu su buharı daha sonra soğuk bir tuzak veya benzer bir mekanizma kullanılarak yakalanabilir ve su daha sonra içme, nefes alma ve hatta roketlere yakıt doldurma gibi keşif faaliyetlerinde kullanılmak üzere toplanabilir.

Dolayısıyla, termal madencilik fikrinin temel sistem mimarisi basittir ve üç ana bileşenden oluşur. Birincisi, güneş ışığını başka bir dünyadaki belirli bir alana yönlendirmek için büyük bir aynadır (heliostat olarak bilinir). İkincisi, süblimleşmiş suyu tutan dev bir çadır ve üçüncüsü, suyu yüzeyden kaçarken yakalayacak bir soğuk tuzak/taşıma sistemidir.

Bunların hiçbiri devasa bir teknolojik sıçrama değil; bu üç bileşeni üretmek için süslü teknolojiler geliştirmemize gerek yok. Ancak, daha önce hiç bu şekilde kullanılmadılar, bu yüzden onlarla alay etmeye biraz zaman ayırmaya değer. NIAC raporunun bir parçası olarak Dr. Sowers ve ekibinin yaptığı da tam olarak buydu.

İlk olarak, sistemin yararlı olabileceği potansiyel yerlere baktılar. Zirvede dört dünya dışı cisim çıktı – su buzunun varlığının defalarca kanıtlandığı Mars; Yüzeyinden püskürtülen su buharı jetlerinin olduğu Ceres; ve iki ana kuşak asteroidi – 24 Themis ve 65 Kibele, bunların her ikisinin de yansıtıcılıkları nedeniyle buzla kaplı olduğu düşünülüyor. Hepsi iç güneş sistemindedir, bu da onları bu tekniği kullanarak keşif ve kaynak kullanma misyonları için nispeten kolay hedefler haline getirir.

Ancak, insanlığın uzayda kaynak kullanımını başlatmak için en çok umut vaat eden yer, aydır. Dr. Sower ve ekibinin ikinci görevi, en yakın komşumuzdaki 600 milyar kg suyun büyük bir yüzdesini içerdiği düşünülen ayın Kalıcı Olarak Gölgeli Bölgelerinde kullanılmak üzere bir mimari geliştirmekti.

Ay, bu termal madencilik tekniği için 24 Themis gibi asteroitlere göre bazı avantajlara sahiptir. Birincisi, buzu ihtiyaç duyulan yere taşımak için standart gezicileri kullanmak için yeterli yerçekimi olmasıdır. Bir diğeri, termal güneş enerjisinin maden sahasına transferinin etkinliğini azaltabilecek bir atmosferin olmamasıdır. Ama aynı zamanda, çok daha yakın.

Ancak yakınlığı genel mimariyi değiştirmiyor; maden sahası nerede olursa olsun üç ana bileşen hala gerekli. Bu nedenle, Dr. Sower’ın ekibinin üçüncü görevi, geliştirdikleri mimariye ilişkin bazı kavram kanıtı testleri yapmaktı.

Ay regolith simülasyonu topladılar ve daha sonra toplara dönüştürdükleri ve regolith’e karıştırdıkları buz şeritlerini elle traş ettiler. Bu karışımın farklı buz konsantrasyonlarına sahip bir versiyonunu sıvı nitrojen banyosuyla soğutulan bir vakum odasına koydular. Daha sonra, yeniden yönlendirilmiş güneş ışığını taklit etmesi amaçlanan bir lambadan bir ısı kaynağı uyguladılar ve numunenin sonuçta ortaya çıkan ağırlık kaybını ölçtüler ve bunu ne kadar suyun süblimleştiğini hesaplamak için kullandılar.

Bu deneyleri gerçekleştirirken iki ilginç sorunla karşılaştılar; biri test kurulumlarıyla ilgiliydi, diğeri ise Ay’da gerçek kullanımları engelleyebilirdi.

CSM’nin test kurulumu nispeten küçüktü ve sıvı nitrojen soğutma sistemi, süblimleştiği varsayılan numuneye nispeten yakındı. Bu nedenle, numuneyi ısıtması gereken lambadan gelen ısının çoğu, bunun yerine bir soğutucu gibi davranan sıvı nitrojeni ısıtıyordu. Ay’da, tüm vücut o kadar soğuk olduğundan, numunenizin altında suyu ısıtmak için amaçlanan enerjinin çoğunu emecek termal olarak iletken bir malzeme olmadığından bu olmaz. Ve bu nedenle CSM, bu sorunun deneyleri üzerindeki etkisini sınırlamaya çalışmak için daha büyük bir test odası inşa ediyor.

Diğer sorun ise daha çetrefilli – nispeten kısa bir süre sonra, termal madencilik yöntemi, regolith’in üzerinde, daha aşağıda hapsolabilecek suya termal bir bariyer görevi gören kurumuş bir katman oluşturdu. Regolith’in alt seviyelerine daha az ısı ulaşmakla kalmaz, aynı zamanda kurumuş tabaka esas olarak bir buhar bariyeri halinde eritilir, bu da suyun süblimleşerek çadırın içine girmesini ve soğuk tuzaklarda toplanmasını neredeyse imkansız hale getirir.

Bu tür zorluklar kesinlikle aşılmaz değildir ve raporun muhtemelen en önemli yönlerinden biri, bunların aşılmasına neden önem verdiğini gösterir – iş gerekçesi. Dr. Sower’ın ekibi, Ay’ın PSR’lerinde makul büyüklükte bir termal maden işletmesi için toplam geliştirme maliyetinin, ek olarak 613 milyon dolarlık ürün maliyetiyle birlikte yaklaşık 800 milyon dolar olduğunu tahmin ediyor. Ayrıca yıllık yaklaşık 80 milyon dolarlık bir işletme maliyeti de içerecektir.

Bu maliyetlerin bazı oldukça ağır faydaları var – özellikle de herhangi bir erken ay çıkışına Dünya’dan su nakliye maliyetinden tasarruf ederse. Raporun hesaplamalarına göre, sistem operatörleri yalnızca ticari kaynaklara (yani, Ay’da diğer ekonomik faaliyetleri gerçekleştirmeye çalışanlar) satış yapıyorsa, İç Getiri Oranı (IRR – bir projenin ne kadar karlı olduğunun bir ölçüsü) tahmini olarak %8 olacaktır. Bu, özellikle riskli olduğu kabul edilen bir proje için, birçok finansörün yatırım yapılabilir düzeyde değerlendireceğinden biraz daha düşük. Bununla birlikte, NASA’nın veya diğer ulusal uzay ajanslarının ay operasyonlarını desteklemek için müşteri haline geldiğini varsayalım. Bu durumda, IRR ~%16’ya kadar sıçrayarak finansörlerin ilgilenebileceği noktaya önemli ölçüde yaklaşır.

Dr. Sowers, iş gerekçesinin genel teklifin en riskli kısımlarından biri olduğunu kabul ediyor, çünkü talep gerektiriyor, su gerektiren ay operasyonları çok az veya hiç olmadığı için şu anda mevcut değil. NASA’nın Artemis misyonları ile bu, önümüzdeki on yılda değişmek zorunda, ancak teknolojiyi ekonomik olarak uygulanabilir kılmak için yeterli talebi sağlayıp sağlayamayacağı belli değil.

Ay’daki toplam su miktarı ve konumu hakkındaki belirsizlik de dahil olmak üzere başka riskler de çoktur. Kuşkusuz PSR’lerde bir miktar var, ancak uzun vadeli insan yerleşimini desteklemek için termal madencilikle toplanabileceği yüzeye yeterince yakın olmayabilir ve su ve diğer “uçucu maddeler” Ceres’ten veya asteroit kuşağındaki başka bir yerden sevk edilmelidir. Durum buysa, altta yatan termal madencilik tekniğinin yararlı olabileceğine dair bir tartışma var – sadece karlı olmayabilir.

Şimdilik tüm sistem sadece planlama aşamasında ve teknolojinin Faz II NIAC aldığı görünmüyor ve son birkaç yılda ne gibi ilerlemeler kaydedildiği belli değil. Ancak teknolojinin patenti alınmıştır ve CSM bunu teknoloji transferi web sitesinde lisanslama için sunmaktadır. Ve teknoloji genel olarak ilerledikçe, Ay’da madencilik yapma fikri giderek daha çekici hale gelecek. Bu nedenle, bu teknolojinin, biraz zaman alsa bile, eninde sonunda hayata geçmesi için iyi bir şans var.