Curreri, P. A.

Karr, L. J.

Kaukler, William F.

Marone, M. J.

Paley, M. S.

NASA Technical Reports Server

L. J. Karr, M. S. Paley, M. J. Marone, 
W. F. Kaukler and P. A. Curreri
NASA/Marshall Space Flight Center
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20130001749 2019-08-30T23:44:38+00:00Z
Ionic Liquids (ILs) are organic salts that are liquid at or near 
room temperature
• Low Volatility
• Low Flammability
• Chemical Versatility
• More Environmentally Friendly (green technology)
• Stable in Extreme Environments (low T, high vacuum)
Extraction of Oxygen and Metals from Lunar, Martian, or 
Asteroidal Regoliths
• Acidic IL can be used to dissolve regolith, and extract as 
water, up to 80% of the oxygen available in metal oxides (at 
temperatures below 200°C).
• Method applies to any extraterrestrial regolith with metal 
oxides: Have Solvent ‐ Will Travel.
• Water is electrolysized to hydrogen and oxygen, with the 
oxygen used for breathing or propellant and the hydrogen 
used to regenerate IL acid (through reprotonation).
• IL Acid regenerated at anode. Free metals are deposited at 
cathode.
MSFC Point of Contact: Dr. Laurel Karr/EM10  256-544-7817
Metals and Oxygen Mining from Meteorites, Asteroids 
and Planets using Reusable Ionic Liquids
Water extraction from dissolving 
regolith simulant in acidic  IL
Electrolysis and O2 capture
Martian Meteorite (L) and Lunar Meteorite (R)  dissolving in IL
Micrographs of copper electrode and copper flakes 
recovered from  electrode.
MSFC Point of Contact: Dr. Laurel Karr/EM10  256-544-7817
Metals and Oxygen Mining from Meteorites, Asteroids 
and Planets using Reusable Ionic Liquids
Metals from meteorites dissolved in ILs are plated 
onto cathode while IL is regenerated at the 
hydrogen electrode (anode).
•Campo del Cielo is an iron/nickel meteorite
•pH of acidic IL system after dissolution was about 
6
•pH after regeneration was about 1
•High voltage applied – nickel and iron are plated 
out together
•Low voltage applied – nickel is plated out first, 
then raising voltage causes iron to be plated out 
(electro‐winning).
SEM analysis of Nickel Plating
MSFC Point of Contact: Dr. Laurel Karr/EM10  256-544-7817
Metals and Oxygen Mining from Meteorites, Asteroids 
and Planets using Reusable Ionic Liquids
Hybrid Extraterrestrial/Earth Water was extracted 
from meteorite originating from Asteroid Vesta.
•Micro‐distillation apparatus was developed ‐ allows 
us to capture water from a small amount of meteorite 
material
•This is the first extraction of oxygen from an 
extraterrestrial source
NMR Analysis of Hybrid Extraterrestrial Water
MSFC Point of Contact: Dr. Laurel Karr/EM10  256-544-7817
Single-Pot Chemical Reactions to Launch 
Samples or Crews from Mars
IL = Ionic Liquid
CO2(gas) + IL  CO2-IL(liquid)
CO2 + 2 H2O   CH4 + 2 O2
(electrolysis, ~25oC)
Laboratory Demonstration of Chemical 
Drill
Metals and Oxygen Mining from Meteorites, Asteroids 
and Planets using Reusable Ionic Liquids
Ionic Liquid Chemical Drill for Analysis of Regolith
•Acidic Ionic Liquid (IL), same as for extraction of 
oxygen and metals, is used for sampling, installing 
sensors or anchoring a structure
•Mechanical drilling enhanced by injecting IL to break 
up regolith ahead of it
• Lower power consumption
• Fewer drill replacements
•Purely chemical drill to dissolve soil and remove in 
solution/suspension
• Advantages for analytical instrument design
• New wet chemical techniques for compound 
analysis
Proposed Mars CO2 Capture and electrolysis with H20 
for Methane and Oxygen Production (with KSC – A. 
Muscatello)
•3rd Generation Task‐Specific IL to efficiently capture 
CO2 and serve as electrolyte for co‐electrolysis with H20 in single vessel
•Reduction of cost, complexity and risk of Mars 
sample return 
SEM of carbon fibers made in the laboratory from 
IL-processed rayon precursor
Wound  and cured IL epoxy/carbon composite
MSFC Point of Contact: Dr. Laurel Karr/EM10  256-544-7817
Ionic Liquids – Based Structural Applications
Composite Cryotanks
•Unique patented Ionic Liquid Epoxy was developed at 
MSFC – used as a matrix for lightweight carbon 
composite
•Shows superior toughness at cryogenic temperatures 
over commercially available composite material
•No microcracking after repeated thermal cycling 
•Expect high resistance to chemical attack (liquid 
methane, nitrous oxide)
Ionic Liquid Process for Cellulosic Based Carbon Fiber
•Carbon Fiber is critical material for carbon‐carbon Solid 
Rocket Motors, and re‐entry heat shields, TPS, and 
insulation (US Gov’t Critical Technology Need)
•Viscose rayon processing method ceased in US due to 
EPA restrictions in 1997 (>$20M spent to find 
replacement)
•IL process is direct replacement for Viscose rayon
•Ultimate goal is for ecologically green, domestic 
cellulose‐based carbon fiber needed by aerospace 
industry
Metals and Oxygen Mining from Meteorites, Asteroids 
and Planets using Reusable Ionic Liquids
Future Research Efforts
 Ground‐based and flight technologies such as 
(oxygen compatible) adhesives, lubricants, 
solvents and green cleaning agents for 
hardware and components
 Environmental uses such as CO2 absorbents, 
life support, heat transfer fluids, radiation 
shielding, and sensors.
 Structural components such as composites for 
cryogenic tanks, foams, and carbon fiber 
components
 Power sources, such as regenerative fuel cells, 
solar power systems
 Electro‐deposition Processes 
 Biological Processes (enzymatic reactions, 
crystal growth)
 Propellants
 Liquid Mirror Telescopes
MSFC Point of Contact: Dr. Laurel Karr/EM10  256-544-7817
Artist Concept, NASA’s Space Launch System (NASA/MSFC)
Metals and Oxygen Mining from Meteorites, Asteroids 
and Planets using Reusable Ionic Liquids


Metals and Oxygen Mining from Meteorites, Asteroids and Planets using Reusable Ionic Liquids

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server