Como funciona o processo que pretende fazer oxigênio na Lua

Base lunar feita com impressão 3D. Imagem: Shutterstock/Metalysis/Divulgação

Transformando poeira da Lua em oxigênio

Engenheiros britânicos estão ajustando um processo que será usado para extrair oxigênio da poeira lunar, e gerando pós de metal que poderiam ser utilizados em impressoras 3D para fabricação de materiais de construção para uma base na Lua.

Esse processo pode ser um passo inicial para o estabelecimento de uma usina extraterrestre de extração de oxigênio.

Isso ajudaria a permitir a exploração e sustentar a vida na Lua, evitando o enorme custo de envio de materiais da Terra.

O oxigênio gerado seria usado principalmente para fazer combustível para foguetes, mas também poderia fornecer ar para os colonizadores lunares.

O projeto faz parte dos preparativos da ESA (Agência Espacial Européia) para estabelecer uma presença lunar permanente e sustentável. Os astronautas viverão e trabalharão na Lua, onde ajudarão a desenvolver e testar as tecnologias necessárias para missões mais distantes no espaço profundo.

O regolito lunar, a fina camada de rocha empoeirada que cobre a Lua, não é tão diferente dos minerais encontrados na Terra. Em peso, contém cerca de 45% de oxigênio que se liga a metais como ferro e titânio, tornando-o indisponível.

A empresa britânica Metalysis já desenvolveu um processo de extração mineral que é usado por indústrias na Terra para produzir metais para manufatura.

No início deste ano, demonstrou funcionar bem com rególito lunar simulado.

A extração ocorre por um processo eletroquímico que ocorre em uma câmara especialmente projetada – as usadas para pesquisas são do tamanho de uma máquina de lavar. O material que contém oxigênio é submerso em um sal fundido, aquecido a 950 °C.

Uma corrente é então passada pelo material, o que funciona como gatilho para o oxigênio a ser extraído, fazendo com que ocorra a migração através do sal líquido para se coletar em um eletrodo, deixando para trás uma mistura de pós metálicos.

Como parte do projeto atual, os engenheiros da Metalysis estão aprimorando a técnica com sua aplicação lunar em mente.

A grande diferença é que, na Terra, o oxigênio gerado não é necessário, mas no espaço será o produto mais importante do processo. Isso significa que ele precisa ser projetado para produzir o máximo de gás possível.

Os engenheiros vão mexer no processo ajustando a corrente elétrica e os reagentes para aumentar a quantidade de oxigênio, enquanto tentam reduzir a temperatura necessária para produzi-lo. Isso ajudará a reduzir a energia necessária, que já é preciosa na lua.

Eles também trabalharão para reduzir o tamanho da câmara em que o processo ocorre para que possa ser transportado com eficiência para a lua.

Paralelamente, a ESA e a Metalysis desafiaram os pesquisadores a desenvolver um sistema de monitoramento do processo que pudesse ser usado para monitorar a produção de oxigênio em futuras instalações de extração lunar.

Regolito lunar antes do processo (à esquerda) e depois: sem oxigênio, ele se transforma em grânulos de metal. Fonte: Universidade de Glasgow/Beth Lomax/Divulgação

Como mencionado anteriormente esse processo é baseado em tecnologia eletroquímica desenvolvida originalmente na Universidade de Cambridge (e posteriormente desenvolvida pela Metalysis), conhecida como processo Metalysis FFC Cambridge.

O processo FFC Cambridge

O processo FFC Cambridge (nomeado em homenagem aos seus inventores, Fray, Farthing e Chen, e sua instituição no momento da descoberta, a Universidade de Crambridge) é um método eletroquímico para a redução de óxidos dos metais do Grupo IV da tabela periódica, em especial o titânio. 

Um diagrama ilustrando como esse processo funciona é dado na Figura abaixo.

Um esquema geral que mostra o princípio de operação do processo Metalysis FFC Cambridge para a redução de óxidos de metal no cátodo e a produção de dióxido de carbono (quando usando um ânodo de carbono) ou oxigênio (quando usando um ânodo inerte). Fonte: The Chemical Engineer.

O óxido de metal (MOx ) a ser reduzido é usado como um cátodo (cathode): os elétrons vão entrar neste eletrodo e reduzir os íons metálicos no óxido até o metal em estado de oxidação zero, de acordo com a equação mostrada no lado esquerdo da Figura.

Enquanto isso acontece, os ânions de óxido (O2–) deixam o cátodo e migram através do eletrólito de cloreto de cálcio fundido para o ânodo (anode).

O eletrólito de cloreto de cálcio deve ser mantido a temperaturas acima de 800 °C para ser condutor o suficiente e permitir que esses ânions se movam através da célula (e assim completar o circuito eletroquímico), mas esta temperatura ainda está significativamente abaixo da necessária para derreter o regolito lunar.

O processo FFC Cambridge foi originalmente desenvolvido para produzir titânio metálico a partir de dióxido de titânio na Terra e, nesse contexto, o potencial de produção de gás oxigênio (O2) como subproduto da redução do óxido metálico foi considerado sem importância.

As células eletroquímicas tradicional da Metalysis FFC Cambridge, portanto, usam um ânodo à base de carbono, com o qual os ânions O2– reagem para produzir dióxido de carbono (CO2, consulte a equação no lado superior direito da Figura).

Embora isso leve ao consumo gradual do ânodo de carbono, esses ânodos são baratos e abundantes na Terra, tornando o processo economicamente viável.

No entanto, para os propósitos dos pesquisadores britanicos, o CO2 não é um produto especialmente útil. Em vez disso, eles precisam adaptar o sistema para que o produto anódico fosse oxigênio (equação inferior no lado direito da Figura), em vez de dióxido de carbono.

Isso, por sua vez, exige o uso de ânodos “inertes”, que não reagem com os ânions O2–, mas que, em vez disso, facilitam a combinação desses ânions para dar O2, simultaneamente liberando elétrons para serem usados na redução dos íons metálicos do regolito lunar no cátodo.

Um ânodo capaz de realizar essa reação à base de dióxido de estanho (SnO2) foi usado nos estudos iniciais dos pesquisadores que (embora bom o suficiente para mostrar uma prova de conceito) não é um material ideal para esse propósito, como discutido em um recente artigo dos pesquisadores publicado na revista The Chemical Engineer.

Na verdade, encontrar ânodos adequados para geração de oxigênio sob essas condições continua sendo um dos principais desafios não resolvidos dessa abordagem.

Fontes

Mark Symes e Beth Lomax. Fly Me O2 The Moon. The Chemical Engineer

ESA – Turning Moon dust into oxygen


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Sobre Harrson S. Santana

Harrson S. Santana obteve seu doutorado em Engenharia Química pela Universidade de Campinas em 2016. Sua tese de doutorado foi a investigação da síntese de biodiesel em microcanais, utilizando simulações numéricas e ensaios experimentais. Em 2015, ele passou vários meses na Universidade de Glasgow (Reino Unido) desenvolvendo pesquisas na área de impressão 3D. Atualmente, ele é pesquisador associado e professor colaborador da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, trabalhando no desenvolvimento de microplantas químicas e uso de impressoras 3D em processos químicos. Ele publicou vários artigos explorando desde simulações numéricas no desenvolvimento de microdispositivos até o uso de microfluídica em reações químicas e operações unitárias. Seu interesse científico se concentra em fenômenos de transporte em sistemas microfluídicos, impressoras 3D e sistemas robóticos aplicados a processos químicos em microescala.

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