มนุษย์จะผลิตออกซิเจนบนดวงจันทร์ได้ด้วยวิธีไหนบ้าง ?

ภายในห้องทดลองทรงกลมขนาดใหญ่ เหล่าวิศวกรกำลังเพ่งมองไปยังอุปกรณ์รูปทรงคล้ายกล่อง ที่ตั้งอยู่ตรงหน้าของพวกเขา มันเป็นเครื่องมือแปลกประหลาดทำจากโลหะสีเงิน มีสายไฟสีต่าง ๆ พาดพันอยู่โดยรอบ แท้จริงแล้วอุปกรณ์ชิ้นนี้คือความหวังของวงการสำรวจอวกาศที่ใฝ่ฝันกันมานานว่า สักวันหนึ่งมนุษย์จะสามารถผลิตออกซิเจนบนดวงจันทร์ได้

การทดลองเริ่มขึ้นเมื่อทีมวิศวกรทั้งหมดออกจากห้องทรงกลมเรียบร้อยแล้ว จากนั้นกล่องปริศนาดังกล่าวเริ่มกลืนกินวัสดุ "เรโกลิธ" (regolith) เข้าไปเล็กน้อย โดยวัสดุนี้เป็นส่วนผสมของฝุ่นละอองและกรวดทราย ซึ่งผ่านการจำลองให้มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกับดินบนพื้นผิวของดวงจันทร์

ไม่นานนักเรโกลิธเริ่มแปรสภาพเป็นกาวเหนียว เพราะส่วนประกอบชั้นหนึ่งของมันได้รับความร้อนสูงถึงกว่า 1,650 องศาเซลเซียส และหลังจากเติมสารตั้งต้นบางชนิดลงไป ฟองของโมเลกุลที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบก็จะเริ่มแยกตัวออกมา

ไบรอัน ไวต์ ผู้จัดการโครงการของบริษัทเอกชน "เซียร์ราสเปซ" (Sierra Space) ซึ่งเป็นผู้พัฒนาอุปกรณ์ข้างต้น บอกกับบีบีซีว่า "เราได้ทดลองทำทุกอย่างที่สามารถทำได้บนโลกไปแล้ว ขั้นตอนต่อไปก็คือ การทดลองในสถานที่จริงบนดวงจันทร์"

ที่ผ่านมาการทดลองเครื่องผลิตออกซิเจนบนดวงจันทร์ของเซียร์ราสเปซ มีขึ้นที่ศูนย์อวกาศจอห์นสันขององค์การนาซาตลอดช่วงฤดูร้อนของปีก่อน อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ล้ำสมัยชิ้นเดียวที่บรรดาวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ของนาซากำลังคิดค้นกันอยู่ เนื่องจากพวกเขาต้องพัฒนาระบบต่าง ๆ ที่จะช่วยให้นักบินอวกาศสามารถอาศัยอยู่ในฐานที่มั่นบนดวงจันทร์ ซึ่งจะมีการก่อสร้างขึ้นในอนาคตได้

ในการนี้นักบินอวกาศจะต้องใช้ออกซิเจนปริมาณมากเพื่อหายใจ รวมทั้งใช้มันเป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดและยานอวกาศ ซึ่งในอนาคตนักวิทยาศาสตร์มีแผนจะใช้ดวงจันทร์เป็นสถานีปล่อยยาน เพื่อเดินทางต่อไปยังดาวอังคารและจุดหมายอื่น ๆ ในห้วงอวกาศลึกด้วย

นอกจากนี้ ผู้ที่อยู่อาศัยในฐานที่มั่นหรืออาณานิคมบนดวงจันทร์ยังต้องการโลหะ ซึ่งพวกเขาจะสามารถสกัดได้จากเรโกลิธหรือฝุ่นสีเทาบนพื้นผิวดวงจันทร์อีกเช่นกัน แต่นั่นก็ขึ้นอยู่กับว่า มนุษย์จะสามารถสร้างเตาปฏิกรณ์ที่สกัดทรัพยากรจำเป็นต่าง ๆ ออกมาได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่

"หากเราทำได้ มันจะช่วยลดต้นทุนค่าใช้จ่ายของภารกิจสำรวจอวกาศลง ถึงหลายพันล้านดอลลาร์เลยทีเดียว" ไวต์กล่าว เขายังบอกด้วยว่า การขนส่งออกซิเจนและโลหะในปริมาณมากไปจากโลก เพื่อนำไปสำรองใช้งานบนดวงจันทร์นั้น ถือเป็นงานหนักและต้องเสียค่าใช้จ่ายสูง

โชคดีที่ฝุ่นเรโกลิธซึ่งมีอยู่เกลื่อนกลาดบนดวงจันทร์นั้น มีส่วนประกอบเป็นออกไซด์ของโลหะหลายชนิด ทำให้ตอนแรกนักวิทยาศาสตร์คาดว่า เราจะสามารถสกัดออกซิเจนจากออกไซด์ของโลหะ ซึ่งเป็นวิธีการที่มนุษย์เชี่ยวชาญอยู่แล้ว และสามารถทำได้ง่ายบนโลก

แต่ถึงกระนั้นก็ตาม สภาพแวดล้อมบนดวงจันทร์ที่แตกต่างออกไปรวมทั้งปัจจัยอื่น ๆ ทำให้แผนการข้างต้นไม่อาจสำเร็จได้ดังใจหวัง นาซาจึงต้องสร้างห้องทดลองทรงกลมที่สามารถปรับอุณหภูมิและความดัน รวมทั้งทำให้เกิดภาวะสุญญากาศได้เหมือนบนดวงจันทร์ เพื่อทำการทดลองกับอุปกรณ์ต่าง ๆ อย่างเช่นเครื่องผลิตออกซิเจนของบริษัทเซียร์ราสเปซนั่นเอง

ทีมวิศวกรของเซียร์ราสเปซบอกว่า พวกเขายังต้องปรับปรุงการทำงานของเครื่องผลิตออกซิเจนต่อไป เพื่อให้มีความทนทานต่อการทำงานในระยะยาว เนื่องจากเนื้อของฝุ่นโกลิธนั้นมีส่วนประกอบที่เป็นอนุภาคแหลมคม ทำให้เกิดการขีดข่วนขัดสีที่สร้างความเสียหายต่อตัวอุปกรณ์ได้ "มันกระเด็นไปทุกที่ จนเครื่องยนต์กลไกทั้งหมดผุพัง" ไวต์กล่าว

ส่วนแรงโน้มถ่วงบนดวงจันทร์ที่มีอยู่เพียง 1 ใน 6 เมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วงบนโลก ก็เป็นอีกอุปสรรคหนึ่งที่ทีมวิศวกรยังไม่ได้ศึกษาและหาทางแก้ไข เพราะต้องนำอุปกรณ์ไปทดลองใช้งานในสถานที่จริงบนดวงจันทร์เสียก่อน จึงจะทราบถึงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้ ส่วนการทดลองบนพื้นโลกหรือที่ห้วงอวกาศในวงโคจรรอบโลกนั้น ไม่อาจทดแทนการทดลองในสภาพความโน้มถ่วงต่ำบนดวงจันทร์ ซึ่งทีมวิศวกรคาดว่าจะต้องรอไปจนถึงปี 2028 เป็นอย่างน้อย

ดร.พอล เบิร์ก จากมหาวิทยาลัยจอห์นส์ฮอปกินส์ของสหรัฐฯ บอกว่าสภาพความโน้มถ่วงต่ำบนดวงจันทร์ อาจเป็นปัญหาร้ายแรงต่อกระบวนการผลิตออกซิเจนแบบต่าง ๆ ได้ เขาระบุในรายงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Frontiers in Space Technologies เมื่อเดือนเม.ย. ปี 2024 ว่าวิธีผ่านกระแสไฟฟ้า (electrolysis) เข้าไปในเรโกลิธหลอมเหลว เพื่อเร่งให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่แยกเอาโมเลกุลออกซิเจนออกมานั้น อาจไม่ประสบความสำเร็จหากทำในสภาพแวดล้อมที่แทบจะไร้แรงโน้มถ่วงอย่างบนดวงจันทร์

สาเหตุของปัญหาดังกล่าวก็คือ ฟองของก๊าซออกซิเจนจะก่อตัวขึ้นที่ขั้วไฟฟ้า ซึ่งจุ่มอยู่ลึกลงไปในเรโกลิธหลอมเหลวที่เหนียวหนืดเหมือนน้ำผึ้ง "ฟองออกซิเจนพวกนี้จะลอยขึ้นมาได้ช้ามาก ไม่อาจจะแยกตัวออกจากขั้วไฟฟ้าได้เร็วพอ" ดร.เบิร์กกล่าว

วิธีแก้ไขอาจเป็นการออกแบบอุปกรณ์ผลิตออกซิเจนให้สั่นได้ เพื่อให้เกิดแรงผลักฟองออกซิเจน จนมันสะเทือนและหลุดออกจากขั้วไฟฟ้าได้เร็วขึ้น นอกจากนี้ การออกแบบขั้วไฟฟ้าให้มีผิวเรียบลื่นเป็นพิเศษ ก็จะช่วยให้ฟองออกซิเจนหลุดออกได้อย่างง่ายดาย

ส่วนเทคโนโลยีของบริษัทเซียร์ราสเปซ ซึ่งเป็นการสกัดออกซิเจนด้วยกระบวนการ carbothermal process หรือการถลุงด้วยความร้อนโดยใช้คาร์บอนเป็นตัวลดออกซิเจนจากออกไซด์ของโลหะ มีโอกาสเกิดปัญหาดังกล่าวน้อยกว่า เพราะฟองออกซิเจนจะก่อตัวอย่างอิสระ โดยกระจายกันอยู่ทั่วไปในเนื้อเรโกลิธหลอมเหลว จึงไม่ติดอยู่กับขั้วไฟฟ้าหรือสิ่งอื่นใดเหมือนวิธีการของดร.เบิร์ก

เมื่อพูดถึงปริมาณออกซิเจนที่นักบินอวกาศจำเป็นต้องใช้ในหนึ่งวัน ดร.เบิร์กประมาณการว่า อาจเท่ากับออกซิเจนที่สกัดได้จากเรโกลิธ 2-3 กิโลกรัม ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของสุขภาพร่างกาย รวมทั้งระดับความหนักเบาของกิจกรรมที่นักบินอวกาศแต่ละคนทำ

อย่างไรก็ตาม ดร.เบิร์กมองว่าเราอาจไม่จำเป็นต้องสกัดเรโกลิธใช้ในปริมาณมากนัก เพราะระบบค้ำจุนชีวิตในฐานที่มั่นบนดวงจันทร์ จะต้องรีไซเคิลโมเลกุลออกซิเจนที่นักบินอวกาศหายใจออกมา เพื่อนำมาใช้งานใหม่เป็นประจำอยู่แล้ว ดังนั้นจุดประสงค์หลักที่แท้จริงของการสกัดออกซิเจนจากพื้นผิวดวงจันทร์ จึงเป็นการผลิตเชื้อเพลิงประเภทสารออกซิไดซ์ (oxidizers) ซึ่งจะช่วยให้มนุษย์มีเชื้อเพลิงส่งจรวดหรือยานอวกาศบนดวงจันทร์ ให้สามารถเดินทางต่อไปยังห้วงอวกาศลึกได้ โดยไม่ต้องขนเชื้อเพลิงปริมาณมหาศาลมาจากโลกตั้งแต่แรก

แม้วิธีการของบริษัทเซียร์ราสเปซ จำเป็นต้องใช้ธาตุคาร์บอนซึ่งต้องเตรียมนำมาจากโลก แต่ทีมวิศวกรบอกว่าสามารถจะทำการรีไซเคิลคาร์บอนส่วนใหญ่ที่ใช้แล้วได้ หลังการผลิตออกซิเจนในแต่ละรอบเสร็จสิ้นลง

ด้านปาลัก ปาเตล นักศึกษาวิจัยหญิงระดับปริญญาเอก จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ของสหรัฐฯ ก็กำลังทดลองระบบแยกสารด้วยไฟฟ้ากับเรโกลิธหลอมเหลวอยู่เช่นกัน เพื่อสกัดเอาทั้งออกซิเจนและโลหะจากดินของดวงจันทร์ โดยมีจุดมุ่งหมายจะลดการขนส่งในอวกาศเพื่อเติมเสบียงให้ฐานที่มั่นนอกโลก ให้เหลือน้อยเที่ยวที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ระบบของปาเตลแก้ปัญหาฟองออกซิเจนติดแน่นกับขั้วไฟฟ้า โดยใช้แหล่งกำเนิดคลื่นเสียง (sonicator) ส่งการสั่นสะเทือนไปเขย่าฟองออกซิเจนให้หลุดออกอย่างง่ายดาย ปาเตลยังบอกว่า ในอนาคตระบบที่เธอกำลังพัฒนาอยู่จะสามารถสกัดได้ทั้งเหล็ก, ไทเทเนียม, หรือแม้กระทั่งแร่ธาตุหายากอย่างลิเทียม ซึ่งจะช่วยให้นักบินอวกาศซ่อมแซมฐานที่มั่นหรือยานอวกาศได้ โดยใช้เครื่องพิมพ์สามมิติสร้างอะไหล่หรือส่วนประกอบต่าง ๆ ขึ้นมาใหม่ จากแร่ธาตุดังกล่าว

ยิ่งไปกว่านั้น ปาเตลและผู้ร่วมทีมวิจัยยังได้ทดลองหลอมละลายเรโกลิธ จนมันกลายเป็นวัสดุสีดำแข็งคล้ายแก้ว ซึ่งตอนนี้พวกเขากำลังค้นหาวิธีเปลี่ยนมันเป็นวัสดุก่อสร้าง อย่างเช่นอาจจะทำเป็นอิฐที่แข็งแกร่งแต่กลวงและมีน้ำหนักเบา เพื่อใช้เป็นวัสดุแห่งอนาคตในการก่อสร้างอาคารนอกโลก