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Reator solar gera água e oxigênio a partir do solo lunar

Reator solar gera água e oxigênio a partir do solo lunar
O coletor solar (à esquerda) concentra toda a luz do Sol no centro do reator (direita), para fundir os minerais e produzir água.[Imagem: Thorsten Denk]

Energia termossolar

Para quem não gostou da ideia de basear a exploração espacial em energia nuclear, pode haver uma alternativa mais segura e mais ambientalmente correta.

Thorsten Denk e seus colegas da SolarPaces, uma rede internacional de pesquisas em energia termossolar, acaba de apresentar um reator capaz de produzir água, hidrogênio e oxigênio a partir de minérios encontrados no solo lunar usando apenas energia solar.

A ideia não é nova - mas a solução é.

Fabricar oxigênio na Lua

Em 2006 a NASA lançou um desafio que prometia US$2 milhões para quem conseguisse fabricar oxigênio a partir de recursos encontrados na Lua usando um equipamento com peso máximo de 50 quilogramas (kg).

Ninguém conseguiu, mas Denk e seus colegas já conseguem processar 25 kg por hora de um minério encontrado no regolito - o solo lunar - em um equipamento que pesa 400 kg.

O reator de leito fluidizado usa um minério de titânio, chamado ilmenita, e produz 0,7 kg de água por hora. O próximo passo será usar a bem conhecida eletrólise para quebrar as moléculas de água em oxigênio e hidrogênio. Denk calcula que produzirá 2,5 kg de oxigênio a cada quatro horas, desde que o reator seja suprido com 10 kW de energia produzida por coletores termossolares.

A reação química é alimentada basicamente pelo reator solar, que consumirá a maior parte da energia na segunda etapa da reação: a quebra da água extraída do solo em oxigênio e hidrogênio. Para isso, a energia do coletor termossolar terá que ser convertida em energia elétrica.

Reator solar gera água e oxigênio a partir do solo lunar
Reator termossolar para produção de água. [Imagem: Thorsten Denk et al. - 10.1063/1.4984324]

Produção de água a partir de óxido de titânio

O processo usa um óxido de titânio, chamado ilmenita (FeTiO3), que deverá ser minerado por um robô e trazido até o reator, que opera em um sistema conhecido como leito fluidizado - um dispositivo onde sólidos triturados se comportam como líquidos.

A partida da reação exige que se leve um pouco de hidrogênio da Terra. "O hidrogênio [levado da Terra] será apenas para as primeiras poucas horas. Então ele será reciclado no eletrolisador. Mesmo se você trouxer hidrogênio da Terra e obtiver oxigênio da Lua para fazer combustível de foguete, você economiza quase 90% do peso. O hidrogênio é o elemento mais leve. O oxigênio é muito mais pesado," explicou Denk.

O hidrogênio é adicionado à ilmenita para extrair o oxigênio. Nessa etapa da reação, sob ação do calor, o hidrogênio liga-se ao oxigênio da ilmenita, produzindo água - FeTiO3 + H2 -> Fe + TiO2 + H2O.

O segundo passo, que ainda não foi implementado neste primeiro protótipo, será feito em um eletrolisador, que quebrará a água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade produzida pelo coletor solar. O oxigênio é o produto final, enquanto o hidrogênio retorna ao processo, eliminando a necessidade de trazer mais da Terra.

Reator solar gera água e oxigênio a partir do solo lunar
Esquema do reator termossolar e detalhe da entrada de minério no vaso de fundição. [Imagem: Thorsten Denk et al. - 10.1063/1.4984324]

Energia solar na Lua

De acordo com Denk, a Lua tem condições ideais para a fabricação de combustíveis solares porque as reações químicas para dividir oxigênio e hidrogênio exigem temperaturas muito altas e funcionam melhor quando são contínuas. A irradiação solar normal anual da Lua é de quase 6.000 kWh por metro quadrado por ano, e os dias lunares equivalem a 14 dias da Terra - 354 horas.

"Não há atmosfera na Lua, e não há problemas de clima, sem nuvens, então você realmente pode operar do nascer ao pôr-do-sol com plena potência por cada meio mês. A luz do dia dura 2 semanas sem interrupção, e então você tem o mesmo meio-mês de escuridão. Então, se você precisar de três horas para ativar [o reator], não é um grande problema," disse ele.

Reator solar gera água e oxigênio a partir do solo lunar
Interior do reator e sistema de coleta da água produzida. [Imagem: Thorsten Denk et al. - 10.1063/1.4984324]

Mineração na Lua

Agora os pesquisadores esperam obter financiamento para agregar a etapa de eletrólise ao seu protótipo e eventualmente trabalhar para reduzir seu peso.

Embora o sistema seja um passo substancial em relação a tudo o que já foi feito antes, a demonstração utilizou ilmenita pura, como a obtida após o processamento de minérios terrestres para obtenção de titânio.

Ocorre que não há ilmenita pura na Lua. O mineral teria que ser purificado a partir do regolito. A presença de titânio na Lua foi uma das principais descobertas do robô chinês Yutu, mas ainda não se sabe com segurança qual a sua concentração no solo lunar - o concentrado deverá ter entre e 4% e 25% de ilmenita para que o reator funcione a contento.

"A longo prazo, a adaptação ao ambiente lunar será um grande desafio. Isso inclui o vácuo do espaço, a gravidade lunar reduzida, as propriedades do solo lunar real e a identificação de ocorrências ricas em ilmenita na Lua," conclui a equipe em seu artigo.

Bibliografia:

Design and Test of a Concentrated Solar Powered Fluidized Bed Reactor for Ilmenite Reduction
Thorsten Denk, Aurelio González-Pardo, Inmaculada Cañadas, Alfonso Vidal
Proceedings of the International Conference on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems
DOI: 10.1063/1.4984324




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