Pemanfaatan sumber daya in situ

Dalam eksplorasi angkasa, pemanfaatan sumber daya in situ (bahasa Inggris: In situ resource utilization/ISRU) adalah praktik pengumpulan, pemrosesan, penyimpanan, dan penggunaan bahan-bahan yang ditemukan atau diproduksi pada objek astronomi lain (Bulan, Mars, asteroid, dll.) yang menggantikan bahan yang seharusnya dibawa dari bumi.^[1]

ISRU dapat menyediakan material untuk pendukung kehidupan, propelan, bahan konstruksi, dan energi untuk muatan pesawat antariksa atau kru eksplorasi antariksa. Sekarang ini sangat umum bagi pesawat ruang angkasa dan robot misi permukaan planet untuk memanfaatkan radiasi matahari yang ada di permukaan planet tersebut menggunakan panel surya. Penggunaan ISRU untuk produksi material belum diimplementasikan dalam misi luar angkasa, meskipun beberapa uji lapangan pada akhir 2000-an menunjukkan berbagai teknik ISRU bulan di lingkungan yang relevan.^[2]

ISRU telah lama dianggap sebagai jalan yang mungkin mengurangi massa dan biaya eksplorasi luar angkasa, dalam hal ini merupakan cara untuk mengurangi jumlah muatan yang harus diluncurkan dari Bumi secara drastis untuk mengeksplorasi planet tertentu. Menurut NASA, "pemanfaatan sumber daya in situ akan memungkinkan pembentukan eksplorasi dan operasi luar angkasa yang terjangkau dengan meminimalkan material yang dibawa dari Bumi."^[3]

Dalam konteks ISRU air paling sering dicari, baik secara langsung sebagai bahan bakar ataupun sebagai bahan baku untuk produksi bahan bakar. Aplikasinya termasuk penggunaan dalam mendukung kehidupan baik secara langsung dengan minum, untuk menanam makanan, memproduksi oksigen, atau berbagai proses industri lainnya. Air luar angkasa semacam itu telah ditemukan dalam berbagai bentuk di seluruh tata surya, dan sejumlah teknologi ekstraksi air potensial telah diselidiki. Untuk air yang terikat secara kimiawi pada regolith, es padat, atau semacam permafrost, pemanasan yang cukup dapat memulihkan air. Namun ini tidak semudah kelihatannya karena es dan permafrost sering kali lebih keras daripada batu biasa, sehingga membutuhkan operasi penambangan yang melelahkan. Di tempat yang memiliki beberapa tingkat atmosfer seperti di Mars, air dapat diekstraksi langsung dari udara menggunakan proses sederhana seperti WAVAR. Sumber air lain yang mungkin adalah akuifer dalam yang dijaga tetap hangat oleh panas geologis laten Mars, yang juga dapat dimanfaatkan untuk menyediakan air dan tenaga panas bumi.^[4]

Produksi propelan roket telah diusulkan dari permukaan Bulan dengan mengolah es air yang terdeteksi di kutub . Kesulitan yang mungkin terjadi termasuk bekerja pada suhu yang sangat rendah dan ekstraksi dari regolith. Kebanyakan skema elektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen dan menyimpannya secara kriogenik sebagai cairan. Hal ini membutuhkan sejumlah besar peralatan dan daya untuk mencapainya. Sebagai alternatif, dimungkinkan untuk memanaskan air dalam roket nuklir atau panas matahari,^[5] yang mungkin dapat mengirimkan massa besar dari Bulan ke orbit Bumi rendah (LEO) terlepas dari impuls spesifik yang jauh lebih rendah, untuk sejumlah peralatan yang diberikan.^[6]

Hidrogen peroksida monopropelan (H₂O₂) dapat dibuat dari air di Mars dan Bulan.^[7]

Aluminium dan juga logam lain telah diusulkan untuk digunakan sebagai propelan roket yang dibuat menggunakan sumber daya bulan,^[8] termasuk usulan mereaksikan aluminium dengan air.^[9]

Untuk Mars, propana metana dapat diproduksi melalui proses Sabatier. SpaceX telah menyarankan membangun pabrik propelan di Mars yang akan menggunakan proses ini untuk menghasilkan metana (CH₄) dan oksigen cair (O₂) dari es air bawah permukaan dan CO₂ atmosfer.^[10]

Telah lama dikatakan bahwa sel surya dapat diproduksi dari bahan yang ada di tanah bulan. Silikon, aluminium, dan kaca, tiga bahan utama yang diperlukan untuk produksi sel surya, ditemukan dalam konsentrasi tinggi di tanah bulan dan dapat digunakan untuk menghasilkan sel surya.^[11] Faktanya, keadaan vakum pada permukaan bulan menyediakan lingkungan yang sangat baik untuk pengendapan vakum langsung dari bahan film tipis untuk sel surya.^[12] Aplikasi potensial lain dari jajaran surya yang dikembangkan untuk penggunaan di bulan adalah memberikan tenaga surya ke Bumi. Dalam bentuk aslinya, yang dikenal sebagai satelit tenaga surya, usulan itu dimaksudkan sebagai sumber daya alternatif untuk Bumi. Sel surya akan dikirim ke orbit Bumi dan dirakit, kekuatannya dikirim ke Bumi melalui sinar gelombang mikro.^[13]

Kolonisasi planet atau bulan akan membutuhkan bahan bangunan lokal, seperti regolith. Misalnya, penelitian yang menggunakan tanah Mars buatan yang dicampur dengan resin epoksi dan tetraetoksisilan, menghasilkan nilai kekuatan, ketahanan, dan parameter fleksibilitas yang cukup tinggi.^[14] Penambangan asteroid juga bisa melibatkan ekstraksi logam untuk bahan konstruksi di ruang angkasa, yang mungkin lebih hemat biaya daripada membawa materi tersebut keluar dari gravitasi bumi, atau gravitasi dari benda besar lainnya seperti Bulan atau Mars. Asteroid logam mengandung sejumlah besar logam siderofilik, termasuk logam mulia.^[15]

Penelitian ISRU untuk Mars difokuskan terutama pada penyediaan propelan roket untuk perjalanan kembali ke Bumi (baik untuk kru atau misi pengembalian sampel) atau untuk digunakan sebagai bahan bakar di Mars. Banyak teknik yang diusulkan memanfaatkan atmosfer Mars yang telah dikenali dengan baik sebagai bahan baku. Karena ini dapat dengan mudah disimulasikan di Bumi, usulan-usulan ini relatif sederhana untuk diimplementasikan, meskipun tidak berarti bahwa NASA atau ESA akan mendukung pendekatan ini daripada misi langsung yang lebih konvensional.^[16]

Usulan khas untuk ISRU adalah penggunaan reaksi Sabatier, CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O, untuk menghasilkan metana pada permukaan Mars, yang digunakan sebagai propelan. Oksigen dibebaskan dari air dengan elektrolisis, dan hidrogen didaur ulang kembali menjadi reaksi Sabatier. Kegunaan dari reaksi ini adalah kesepakatan bahwa hanya hidrogen (yang ringan) yang dianggap perlu dibawa dari Bumi.^[17]

Hingga 2018^[update], SpaceX mengembangkan teknologi untuk pabrik propelan Mars yang akan menggunakan variasi pada apa yang dijelaskan dalam paragraf sebelumnya. Alih-alih mengangkut hidrogen dari Bumi untuk digunakan dalam pembuatan metana dan oksigen, mereka berniat untuk menambang air yang diperlukan dari es air bawah permukaan yang sekarang diketahui berlimpah di banyak permukaan Mars, menghasilkan dan kemudian menyimpan reaktan pasca-Sabatier, dan kemudian menggunakannya sebagai propelan untuk penerbangan kembali roket BFR mereka paling cepat pada 2023.^[18][19]

Bulan memiliki bahan mentah berlimpah yang berpotensi relevan dengan sejumlah aplikasi masa depan, dimulai dengan penggunaan bahan bulan untuk memfasilitasi aktivitas manusia di Bulan itu sendiri dan berkembang ke penggunaan sumber daya bulan untuk mendukung kemampuan industri di masa depan dalam sistem Bumi-bulan.^[20] Bahan dataran tinggi bulan, anortit dapat digunakan sebagai bijih aluminium. Smelter dapat menghasilkan aluminium murni, logam kalsium, oksigen dan kaca silika dari anortit. Anortit mentah juga baik untuk membuat serat kaca, produk kaca, dan keramik lainnya.^[21] Salah satu teknik pemrosesan khusus adalah menggunakan fluor yang dibawa dari Bumi sebagai kalium fluorida untuk memisahkan bahan baku dari batuan bulan.^[22]

Lebih dari dua puluh metode berbeda telah diusulkan untuk ekstraksi oksigen di Bulan.^[23] Oksigen sering ditemukan dalam mineral dan gelas yang kaya zat besi sebagai oksida besi. Oksigen dapat diekstraksi dengan memanaskan material ke suhu di atas 900° C dan memaparkannya ke gas hidrogen. Persamaan dasarnya adalah: FeO + H ₂ → Fe + H ₂ O. Proses ini baru-baru ini telah dibuat jauh lebih praktis dengan ditemukannya sejumlah besar regolith mengandung hidrogen di dekat kutub Bulan oleh pesawat ruang angkasa Clementine.^[24]

Material bulan juga berharga untuk kegunaan lain. Telah diusulkan untuk menggunakan regolith bulan sebagai bahan konstruksi umum^[25] melalui teknik pemrosesan seperti penyinteran, penekanan-panas, pencairan, dan metode cor basal. Cor basal digunakan di Bumi untuk konstruksi misalnya, pipa yang memerlukan ketahanan yang tinggi terhadap abrasi. Cor basal memiliki kekerasan yang sangat tinggi 8 Mohs (berlian 10 Mohs) tetapi juga rentan terhadap dampak mekanis dan goncangan termal yang bisa menjadi masalah di Bulan.^[26]

1. ^ Sacksteder, Kurt R.; Sanders, Gerald B. (January 2007). In-situ resource utilization for lunar and mars exploration. AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. AIAA 2007-345. doi:10.2514/6.2007-345. ISBN 978-1-62410-012-3. 
2. ^ Sanders, Gerald B.; Larson, William E. (2011-01-04). "Integration of In-Situ Resource Utilization into lunar/Mars exploration through field analogs". Advances in Space Research. 47 (1): 20–29. Bibcode:2011AdSpR..47...20S. doi:10.1016/j.asr.2010.08.020. 
3. ^ "In-Situ Resource Utilization". NASA Ames Research Center. Diakses tanggal 2007-01-14. 
4. ^ Mellon, Michael T.; Phillips, Roger J. (2001-10-25). "Recent gullies on Mars and the source of liquid water". Journal of Geophysical Research: Planets (dalam bahasa Inggris). 106 (E10): 23165–23179. doi:10.1029/2000JE001424. 
5. ^ LSP water truck. Neofuel.com. Retrieved on 2014-06-11.
6. ^ steam rocket factor 1000. Neofuel.com. Retrieved on 2014-06-11.
7. ^ "Chapter 6: Viking and the Resources of Mars (from a history of NASA)" (PDF). NASA. Diakses tanggal 2012-08-20. 
8. ^ Hepp, Aloysius F.; Linne, Diane L.; Groth, Mary F.; Landis, Geoffrey A.; Colvin, James E. (1994). "Production and use of metals and oxygen for lunar propulsion". AIAA Journal of Propulsion and Power. 10 (16): 834–840. doi:10.2514/3.51397. 
9. ^ Page, Lewis (August 24, 2009). "New NASA rocket fuel 'could be made on Moon, Mars'". The Register. 
10. ^ Musk, Elon (1 March 2018). "Making Life Multi-Planetary". New Space. 6 (1): 2–11. Bibcode:2018NewSp...6....2M. doi:10.1089/space.2018.29013.emu. 
11. ^ Landis, Geoffrey A. (2007-05-01). "Materials refining on the Moon". Acta Astronautica. 60 (10–11): 906–915. Bibcode:2007AcAau..60..906L. doi:10.1016/j.actaastro.2006.11.004. 
12. ^ Curreri, Peter; Ethridge, E.C.; Hudson, S.B.; Miller, T.Y.; Grugel, R.N.; Sen, S.; Sadoway, Donald R. (2006). "Process Demonstration For Lunar In Situ Resource Utilization—Molten Oxide Electrolysis" (PDF). MSFC Independent Research and Development Project (No. 5–81), 2. Diakses tanggal 2015-09-27. 
13. ^ "Lunar Solar Power System for Energy Prosperity Within the 21st Century" (PDF). World Energy Council. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2012-03-26. Diakses tanggal 2007-03-26. 
14. ^ Mukbaniani, O. V.; Aneli, J. N.; Markarashvili, E. G.; Tarasashvili, M. V.; Aleksidze, D. (April 2016). "Polymeric composites on the basis of Martian ground for building future mars stations". International Journal of Astrobiology. 15 (2): 155–160. Bibcode:2016IJAsB..15..155M. doi:10.1017/S1473550415000270. 
15. ^ Day, James M.D.; Brandon, Alan D.; Walker, Richard J. (2016). "Highly Siderophile Elements in Earth, Mars, the Moon, and Asteroids". Reviews in Mineralogy and Geochemistry (dalam bahasa Inggris). 81 (1): 161–238. doi:10.2138/rmg.2016.81.04. ISSN 1529-6466. 
16. ^ "Mars Sample Return". www.esa.int. Diakses tanggal 2008-02-05. 
17. ^ "Sizing of a Combined Sabatier Reaction and Water Electrolysis Plant for Use in In Situ Resource Utilization on Mars". www.clas.ufl.edu. Diakses tanggal 2008-02-05. 
18. ^ "Making Humans a Multiplanetary Species" (PDF). SpaceX. 2016-09-27. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2016-09-28. Diakses tanggal 2016-10-09. 
19. ^ Richardson, Derek (2016-09-27). "Elon Musk Shows Off Interplanetary Transport System". Spaceflight Insider. Diakses tanggal 2016-10-09. 
20. ^ Crawford, Ian (2015). "Lunar Resources: A Review". Progress in Physical Geography. 39 (2): 137–167. arXiv:1410.6865 . Bibcode:2015PrPG...39..137C. doi:10.1177/0309133314567585. 
21. ^ "Mining and Manufacturing on the Moon". NASA. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2006-12-06. Diakses tanggal 2007-01-14. 
22. ^ Landis, Geoffrey. "Refining Lunar Materials for Solar Array Production on the Moon" (PDF). NASA. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2006-10-09. Diakses tanggal 2007-03-26. 
23. ^ Hepp, Aloysius F.; Linne, Diane L.; Groth, Mary F.; Landis, Geoffrey A.; Colvin, James E. (1994). "Production and use of metals and oxygen for lunar propulsion". AIAA Journal of Propulsion and Power. 10 (16): 834–840. doi:10.2514/3.51397. 
24. ^ Nozette, S.; Lichtenberg, C. L.; Spudis, P.; Bonner, R.; Ort, W.; Malaret, E.; Robinson, M.; Shoemaker, E. M. (November 1996). "The Clementine Bistatic Radar Experiment". Science. 274 (5292): 1495–1498. Bibcode:1996Sci...274.1495N. doi:10.1126/science.274.5292.1495. PMID 8929403. 
25. ^ "Indigenous lunar construction materials". AIAA PAPER 91-3481. Diakses tanggal 2007-01-14. 
26. ^ "Cast Basalt" (PDF). Ultratech. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2006-08-28. Diakses tanggal 2007-01-14.