En primer lugar, los autores resumieron brevemente los recursos naturales de la Luna. Los principales recursos naturales de la Luna incluyen recursos minerales, recursos de agua/hielo, volátiles y energía solar. Los minerales de la corteza lunar se pueden clasificar como minerales de silicato, minerales de óxido, metales nativos, minerales de sulfuro y minerales de fosfato, como se representa en las muestras recolectadas actualmente de las misiones Apolo y Chang’E. Entre ellos, los minerales de silicato son los componentes más abundantes, que constituyen más del 90% del volumen de la mayoría de las rocas lunares; los minerales de óxido son los segundos más abundantes, que están particularmente concentrados en los basaltos mare, que pueden representar hasta el 20% del volumen de estas rocas; se han identificado varios minerales metálicos nativos, incluidos níquel, cobre, kamacita, molibdeno, Cr, cerio, renio y zinc. La mayoría de los recursos hídricos, excepto los pocos recursos volátiles (OH/H2O) que se han encontrado, se encuentran en forma de hielo de agua mezclado en los suelos lunares polares, donde la masa total de agua contenida en el metro superior de las regiones permanentemente sombreadas (PSRs) fue aproximadamente de 2,9 × 1012 kg. En cuanto a los volátiles implantados por el viento solar en el regolito lunar, el isótopo 3He, que se puede utilizar para reactores de fusión nuclear para producir energía eléctrica, es muy raro en los suelos lunares. El flujo de energía radiante aporta un promedio de aproximadamente 1,1 × 1013 ergios/cm2 por año a la superficie lunar; en algunas regiones polares, las áreas no permanentemente sombreadas pueden proporcionar un suministro ilimitado de energía solar.
Luego, los autores revisan las técnicas de ISRU en la Luna.
En cuanto al reaprovisionamiento de agua in situ, existen dos métodos. (1) En la extracción térmica de agua de los suelos lunares helados, los hielos en los suelos congelados se calentaron para sublimar o evaporar, y luego el vapor de agua fue capturado dentro de la carpa y recolectado por trampas frías. (2) En la producción de agua por reducción de hidrógeno de los suelos lunares, los materiales de reacción principales son la ilmenita (FeTiO3) en los suelos lunares y el principio de reacción básico es FeTiO3 (s) + H2 (g) → Fe (s) + TiO2 (s) + H2O (g). El método de extracción de agua sería más adecuado para las bases lunares en las regiones polares, mientras que el método de producción de agua tendría una perspectiva de aplicación más amplia debido a la amplia distribución de los suelos lunares.
En cuanto a los métodos de preparación de oxígeno in situ, también hay dos métodos diferentes. (1) En el método de reducción electrolítica, los elementos metálicos en el regolito lunar se depositan en el cátodo, mientras que el oxígeno surge en el ánodo, mediante electrólisis de regolito fundido o electrólisis de sal fundida. (2) El método de descomposición térmica al vacío calienta directamente las materias primas en condiciones de vacío para descomponer el óxido en el regolito lunar en elementos de oxígeno y otros elementos constitutivos. Sin embargo, el método de reducción electrolítica tiene altos requisitos para el electrodo inerte o requiere la reposición de sal fresca de la Tierra, mientras que el método de descomposición térmica al vacío requiere material resistente al calor para mantener la reacción.
En cuanto al refinado de silicio, metal y fibra a partir de suelos lunares, se han investigado varios métodos en la Tierra, como (1) calentar el regolito lunar en presencia de reductores o la reducción carbo-térmica típica de silicatos a la temperatura de calentamiento de aproximadamente 2.000 °C para el refinado de silicio, (2) reducción carbo-térmica, reducción de hidrógeno electrólisis de sal fundida a alta temperatura y descomposición térmica al vacío para el refinado de metales, y (3) un método de 2 pasos para la preparación de fibras continuas de suelo lunar. Sin embargo, todavía hay varios problemas técnicos que deben resolverse antes de la aplicación in situ de estas tecnologías en la Luna.
En cuanto a las técnicas de construcción lunar in situ, existen dos tipos de medios, según las diferentes formas de construcción y materiales. (1) Las técnicas de fabricación aditiva de suelos lunares, se refieren al proceso de unir materiales para hacer objetos a partir de modelos 3D. En la actualidad, se han propuesto varias pruebas de concepto combinadas con la tecnología de impresión 3D y el regolito lunar como materia prima, como la fabricación de contornos (seleccionada por la NASA) y el método D-Shape (desarrollado por la ESA). (2) En las técnicas de sinterización de suelos lunares, el proceso de sinterización calienta los granos finos de material metálico o cerámico hasta la temperatura de fusión para formar una forma fija. En este proceso, se han desarrollado métodos de calentamiento de microondas y luz solar concentrada para la sinterización de suelo lunar, respectivamente.
En cuanto a las técnicas de conversión y utilización de energía in situ, se han propuesto varios esquemas para la utilización de energía del regolito lunar, y se están implementando simulaciones numéricas e investigaciones experimentales para optimizar los esquemas. Los problemas clave para promover aún más el desarrollo de la utilización de energía lunar incluyen (a) el proceso de regolito para mejorar su propiedad de almacenamiento de calor, (b) la optimización de los parámetros del material para mejorar la propiedad de conversión de calor a electricidad, y (c) el diseño de ingeniería de la carga útil de utilización de energía adaptada al entorno extremo de la superficie lunar.
En cuanto al ecosistema artificial para el soporte vital lunar, ha habido varias investigaciones relacionadas. En China, el Centro de Investigación y Entrenamiento de Astronautas de China estableció un pequeño ecosistema en 2011 y completó un experimento tripulado cerrado de corta duración con 2 personas durante 30 días. Posteriormente, se construyó una gran instalación experimental terrestre con la colaboración de otras instituciones, y luego llevaron a cabo el experimento “Espacio 180” en 2016, con 4 miembros de la tripulación, con una duración de 180 días. Además, se realizaron una serie de experimentos de unidades de plantas en el “Palacio Lunar 1” y el “Palacio Lunar 365”.
Finalmente, los autores proponen un plan de desarrollo de 3 pasos para las tecnologías lunares ISRU en la próxima década. Las recomendaciones de las hojas de ruta para la futura tecnología ISRU en la Luna se muestran en la Fig. 13. En la primera etapa, los problemas científicos básicos, los problemas técnicos y las soluciones tecnológicas relacionadas con el ISRU lunar deben investigarse suficientemente. Además, sobre esta base, la exploración y la evaluación de la usabilidad de los recursos minerales deben completarse primero antes de 2027. En la segunda etapa, se centrará en el desarrollo de cargas útiles experimentales que puedan adaptarse al entorno lunar. Luego, los experimentos in situ en la superficie lunar podrían llevarse a cabo directamente mediante experimentos de carga útil de las misiones de exploración lunar alrededor de 2030. En la última etapa, se construirían las instalaciones para el ISRU lunar, y se realizaría la reposición a escala piloto de asuntos de supervivencia para la residencia de superficie lunar a mediano plazo y actividades científicas alrededor de 2035. Finalmente, alrededor de 2040, se realizará la reposición a gran escala de asuntos de supervivencia para misiones lunares de larga duración y futuras misiones a Marte. De esta manera, se mejorará el costo, la confiabilidad y la seguridad de las futuras misiones de exploración lunar y otras misiones espaciales profundas.
