La scoperta di nuovi solventi per l’esplorazione spaziale
Un gruppo di ricercatori della Washington State University sta conducendo studi all’avanguardia per identificare solventi liquidi fondamentali per l’estrazione di materiali da costruzione dai suoli lunari e marziani. Questo progresso è essenziale per la realizzazione di strutture e strumenti necessari per l’esplorazione spaziale a lungo termine. Attraverso l’uso dell’apprendimento automatico e della modellazione computazionale, il team ha individuato potenziali liquidi ionici che possono estrarre in modo efficiente e sostenibile dal punto di vista ambientale gli elementi essenziali per applicazioni di stampa 3D nello spazio. Questa iniziativa fa parte della missione Artemis della NASA e rappresenta un passo significativo verso la riduzione della dipendenza dalla Terra per i materiali da costruzione nelle missioni spaziali.
La ricerca di solventi per l’estrazione di materiali
Identificazione di solventi potenziali
I solventi potenti, chiamati liquidi ionici, sono sali che si trovano in uno stato liquido. “Il lavoro di apprendimento automatico ci ha permesso di passare da un livello di 20.000 piedi a uno di 1.000 piedi”, ha affermato Soumik Banerjee, professore associato presso la School of Mechanical and Materials Engineering della WSU. “Siamo stati in grado di selezionare rapidamente molti liquidi ionici e, inoltre, di comprendere scientificamente i fattori più importanti che determinano la capacità di un solvente di dissolvere il materiale o meno”.
Preoccupazioni ambientali ed efficienza
Nell’ambito della sua missione Artemis, la NASA, che ha finanziato il lavoro di Banerjee, intende inviare nuovamente gli esseri umani sulla Luna e poi nello spazio profondo su Marte e oltre. Ma per rendere possibili missioni a lungo termine, gli astronauti dovranno utilizzare i materiali e le risorse presenti in quegli ambienti extraterrestri, utilizzando la stampa 3D per realizzare strutture, strumenti o parti dagli elementi essenziali estratti dal suolo lunare o marziano.
“L’utilizzo delle risorse in situ è un grande obiettivo per i prossimi decenni per la NASA”, ha detto Banerjee. “Altrimenti, avremmo bisogno di un carico di materiali estremamente elevato da trasportare dalla Terra”.
L’acquisizione di questi materiali da costruzione deve essere effettuata in modo ecocompatibile ed energeticamente efficiente. Il metodo per estrarre gli elementi non può inoltre utilizzare acqua, che non è disponibile sulla Luna. I liquidi ionici, che il gruppo di Banerjee ha studiato per più di un decennio per l’uso in batterie, potrebbero essere la risposta.
Tuttavia, testare ogni candidato liquido ionico in laboratorio è costoso e richiede tempo, quindi i ricercatori hanno utilizzato l’apprendimento automatico e la modellazione a livello atomico per ridurre da centinaia di migliaia di candidati a quelli che potrebbero digerire i materiali lunari e marziani, estrarre elementi importanti come alluminio, magnesio e ferro, rigenerarsi e forse produrre ossigeno o acqua come sottoprodotto per aiutare a fornire supporto vitale.
Raffinamento della selezione dei solventi
Identificando le qualità superiori che i solventi dovranno possedere, i ricercatori sono stati in grado di trovare circa mezza dozzina di candidati molto forti. I fattori importanti per il successo includevano la dimensione degli ioni molecolari che compongono i sali, la loro densità di carica superficiale, che è la carica per unità di superficie degli ioni, e la mobilità degli ioni nei liquidi.
Lavorando con ricercatori dell’Università del Colorado in uno studio separato, i ricercatori hanno testato alcuni liquidi ionici in laboratorio per la loro capacità di dissolvere composti. Sperano di costruire eventualmente un reattore su scala di laboratorio o pilota e testare i solventi candidati con materiali di tipo regolite lunare.
Il riferimento dello studio è: “Toward Metal Extraction from Regolith: Theoretical Investigation of the Solvation Structure and Dynamics of Metal Ions in Ionic Liquids” di Azmain F. Islam e Soumik Banerjee, 9 novembre 2023, The Journal of Physical Chemistry B. DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c04057
Lo studio è stato finanziato dalla sede centrale della NASA.
