מערך שיעור: חמצן על הירח

מערך שיעור: הפקת חמצן ממתכות

מהלך השיעור

פתיחה

שאלה: לשם מה צריך חמצן ?

רקע מדעי – מושבה על הירח:

בעשור הקרוב, סוכנות החלל האמריקאית (NASA),  סוכנות החלל  האירופאית (EAS), (סוכנות החלל הסינית (CNSA) וסוכנות החלל היפנית (JAXA) וחברות פרטיות כמו Galactic Virgin, Amazon, SpaceX  מכוונות לקראת חזרה לירח והפעם כדי להישאר.
ב-2024 מתוכננת משימה ארוכת שנים לנחיתת אדם על הירח בפרויקט Artemis של NASA .

בפני החברות והארגונים עומדים מספר לא מבוטל של אתגרים (מדעיים, חברתיים,  כלכליים וטכנולוגיים. הערכה גסה של עלויות שילוח 1 ק”ג של מטען עומדות כיום על 5.1 – 4 מליון  דולר. בסיס קבע על הירח וטיסות הלוך ושוב דורשות משלוחים שנתיים של מאות טונות של ציוד. משלוחי ציוד מכדור הארץ לירח אינן כדאיים כלכלית לכן דרושים פיתוחים טכנולוגיים אשר יעזרו לנו לייצר על הירח.

פעילות כיתה 1:

על המורה והתלמידים למלא על הלוח טבלה של המכשולים והבעיות שניתקל בהם ורעיונות לפתרון.
דוגמאות אפשריות הן: תנאי סביבה קיצוניים (טמפרטורה), חוסר מים, חוסר מזון, קרינה חזקה בשל היעדר אטמוספירה,  חוסר חמצן, ריחוק חברתי מכדה”א, געגוע ובדידות, עלויות שילוח יקרות, חול ירחי (“פודרה”) שיכול לגרום לנזק למנגנונים מכניים.

מבוא תיאורטי: 

מהי אלקטרוליזה – אלקטרוליזה היא פירוק של תרכובת (שהותכה או הומסה) באמצעות זרם חשמלי. בהשפעת  ההתכה וההמסה מופרדים היונים השליליים מהיונים החיוביים. בהשפעת הזרם החשמלי היונים נעים לאלקטרודות המתאימות. האלקטרונים העודפים נמסרים או נקלטים לאלקטרודות השונות והיונים הופכים לאטומים או מולקולות.  התוצאה – המתכות (נחושת, אלומיניום, נתרן) נאספות על האלקטרודה השלילית והאל-מתכות (חמצן, כלור, מימן) משתחררות כגז.

שימושים נפוצים הם אלקטרוליזה של נתרן כלורי לקבלת אטומי נתרן וכלור ואלקטרוליזה של מים להפרדת מימן  וחמצן. סרטון

https://www.youtube.com/watch?v=2n2CgUA0q8Q

(לא לשכוח לשים תרגום בסרטון)

אלקטרוליזה של נתרן כלורי	אלקטרוליזה של מים
תוצרים מגיבים

רקע מדעי – מבנה הירח וסלעי ירח:

לירח ולכדור הארץ מבנה דומה גיאולוגית, לכדור הארץ ולירח יש אותם יסודות עיקריים. הסיבה לכך היא התיאוריה  המקובלת כיום לתהליך היווצרות הירח שלנו. גוף שמימי גדול בשם תיאה, התנגש בארץ בהתהוותה, ומדיסקת  הסלעים שהתגבשה כתוצאה מההתנגשות נוצר הירח שלנו. איור 1 מתאר את תהליך יצירת הירח.

איור 1 – היווצרות הירח תיאוריית התנגשות

איור 2 מתאר את מרכיבי הירח העיקריים בהשוואה לכדור הארץ. אנו רואים כי היסודות העיקריים שמהם מורכב  הירח. אדמת הירח (רגולית’Regolith ) עשירה בחמצן, צורן (סיליקון), אלומיניום וברזל. הרכב הירח והרכב כדור  הארץ דומים מאוד מבחינת חומרים, עובדה שמחזקת את תיאוריית ההתנגשות הירח וכדור הארץ ואת התלכדותו  המאוחרת. יש להדגיש לתלמידים שקיימות תחמוצות רבות משולבות חמצן-מתכת.

איור 2 :ריכוז יסודות יחסי (%) בקרקע של הירח (למעלה ימין), פיזור ריכוז היסודות על הירח (הרים  ועמקים) בירוק וכחול לעומת הריכוז על כדור הארץ באדום. (למעלה שמאל), תמונה של צוות אפולו  גורפים חול ירח (רגולית’) שמזכיר פודרה או אבקה.

פעילות כיתה 2

דיון בכיתה לגבי חמצן לנשימה עבור אסטרונאוטים, עבור מושבה עתידית ועבור צמחיה  הידרופונית. האם כדאי להביא מכדה”א חמצן למרות עלותו הגבוהה, האם ננסה להפיק את החמצן על הירח באמצעות צמחיה ופוטוסינטזה, האם ניתן להפיק חמצן על הירח ומהם הרעיונות הטכנולוגיים?

רקע מדעי – הפקת חמצן מאבני ירח: 

כדי לחסוך בעלויות השילוח הגבוהות של חמצן לירח, טכנולוגיות להפקה של חמצן על הירח יתרמו תרומה מכרעת  לביסוס מושבת ירח שיכולה להתקיים בעצמה. בנוסף, שיגור רקטות צורך חמצן רב, עד %80 מהמסה של הרקטה  היא חמצן לבערה, הפקת חמצן על גבי הירח תוזיל ותאפשר שיגורים עתידיים מפני השטח חזרה לארץ ולמאדים,  פי שמתוכנן עם תוכנית GateWay-Artemis .הקרקע של הירח מכילה כ%45 חמצן, וחמצן זה הוא מאגר מספק  לאספקת החמצן לעשורים הקרובים.

כדי להפיק את החמצן אנו נדרשים לבצע תהליך של פירוק התחמוצת )חיזור – מושג שמלמדים בחט”ע( לחמצן  ומתכות שאליהן קשור החמצן. בתהליך נקבל גם חמצן וגם מתכות. באזורים הבהירים של הירח הסלעים והקרקע  מכילים בעיקר אלומיניום, סידן וצורן בעוד הקרקע הכהה הבזלתית עשירה בברזל, מגנזיום וטיטאניום.

פירוק תחמוצות: 

חברת הליוס Helios מפתחת כור אלקטרוליטי לחול ירח מומס. המטרה הוא המסה של חול ירח לקבלת תמיסה של  מתכת נוזלית וחמצן. תהליך אלקטרוליזה אשר יפרק את החמצן והמתכת כך שהם יאספו על הקתודה והאנודה  בהתאמה. בטבלה הבא רשומים התנאים להמסה של המרכיבים השונים בחול הירח

לדוגמה – התהליכים אשר מתקבלים על הקתודה  (1) והאנודה (2) בתהליך הפקת חמצן וברזל הם:

איור 3 מציג דוגמאות מניסויי מעבדה שהתקיימו על ידי חברת Helios .ואיור 4 מציג חזון לכור להפקת תוצרי חמצן  וברזל מתחמוצות ברזל.

איור 3 – התכת ברזל בתא אלקטרוכימי

איור 4 – אילוסטרציה לכור עתידי על קרקע הירח להפקת חמצן מתחמוצת ברזל במושבה עתידית

שאלות סיכום לתלמידים: 

1. החמצן והמתכת ברגולית’ קשורים בקשר כימי, כיצד ניתן להפריד בינהם?
2. בתהליך אלקטרוליזה מה הם המגיבים ומהם התוצרים ?
3. מה הם מקורות החמצן על הירח?
   • א. בתהליך היווצרות הירח, נוצרה בו בדומה לכדה”א אטמוספירה עשירה בחמצן.
   • ב. שביטים ואסטרואידים הנופלים על הירח ויוצרים מכתשים הם המקור לחמצן.
   • ג. מתכות שעברו תהליך חמצון בקרקע יכולות לשמש כאספקת חמצן עתידית בתהליכים אלקטרוכימיים.
   • ד. אין חמצן על הירח, בני האדם צריכים להביא את החמצן איתם במשימות עתידיות.
4. איזה תהליך יעיל יותר, הפקת חמצן ע”י פוטוסינתזה מצמחיה הידרופונית או ע”י אלקטרוליזה של מתכות?