abril 15, 2021

Así es como sacamos la luna para combustible de misiles

La luna es un tesoro de recursos preciosos. El oro, el platino y muchos metales de tierras raras esperan la extracción para ser utilizados en la producción de productos electrónicos de próxima generación. El helio-3 no radioactivo puede algún día alimentar reactores de fusión nuclear. Pero hay un recurso en particular que ha cautivado a científicos, ingenieros de cohetes, funcionarios de agencias espaciales, empresarios de la industria, prácticamente cualquier persona con un interés adquirido en hacer que los vuelos espaciales a mundos distantes sean más accesibles. Es agua

¿Porque? Si divide el agua en hidrógeno y oxígeno, y luego licua esos componentes, tiene combustible de misil. Si puede detenerse en la órbita lunar o en una base lunar para repostar, ya no tendrá que llevar todo el propulsor mientras despega, haciendo que su nave espacial sea significativamente más liviana y barata de lanzar. Esto es importante porque la atmósfera de la Tierra y la atracción gravitacional requieren el uso de toneladas de combustible por segundo al lanzar cohetes. Crear una fuente de combustible sostenible en el espacio podría reducir los costos y los peligros asociados con el despegue pesado. Una estimación de la NASA sugiere que se podrían recolectar 600 millones de toneladas de hielo lunar, y otras estimaciones de alto nivel dicen que mil millones de toneladas son una posibilidad.

En otras palabras, si pudiera extraerlo de manera efectiva, la luna se convertiría en una estación de servicio interplanetario de bajo costo para viajar a Marte y otros lugares, ahorrando miles de millones normalmente asignados en peso y espacio para el transporte de combustible.

Muéstrame el dinero

Este concepto es tentador para varios grupos. La Agencia Espacial Europea tiene una visión clara para construir una «aldea lunar» que incluya operaciones mineras. Se cree que la misión de muestreo y exploración lunar de Chang 5 en China es una investigación precursora para comprender mejor el contenido de agua lunar. La fallida misión de rover lunar de la India en agosto pasado fue mapear hielo de agua en el polo lunar sur.

Estados Unidos también tiene planes para el agua lunar. El 15 de mayo, la NASA anunció los Acuerdos de Artemis (PDF), un marco legal propuesto para la minería en la luna, con derecho al programa Artemis de la NASA para devolver a los astronautas a la superficie lunar en 2024. Artemis es el paso más importante para Establecer una presencia estadounidense permanente en la Luna. Los principios se refieren a cuestiones que incluyen servicios de asistencia de emergencia y la interoperabilidad de los estándares tecnológicos. Pero lo más importante, los Acuerdos de Artemis refuerzan las afirmaciones estadounidenses de que la minería espacial y las reclamaciones de recursos espaciales son legales. También proponen establecer «zonas de seguridad» neutrales entre las diferentes bases lunares para evitar interferencias y conflictos entre países y empresas. Si la mayoría de los otros países fueran persuadidos para firmar los acuerdos, esto permitiría a los Estados Unidos imponer condiciones para la minería.

Pero lo que no pueden decirnos es cómo accederemos realmente al agua de la luna. Hay muchos obstáculos Las bajas temperaturas y la radiación podrían poner en peligro a los humanos y degradar los equipos sensibles. No es ideal tener un gran equipo de seres humanos que realicen este tipo de operaciones día tras día, pero no está tan claro cómo se puede delegar en sistemas autónomos. El suelo lunar en sí, áspero e irregular y propenso a adherirse a todo, podría arruinar la maquinaria y presentar problemas de seguridad para los trabajadores en trajes espaciales. Aunque hemos demostrado la viabilidad de repostar satélites en órbita, hacer lo mismo para naves espaciales grandes en la luna o en órbita lunar creará una serie de desafíos gracias a la microgravedad y la regulación, la capa de material suelto que cubre el sustrato lunar.

Y aún necesitaríamos astronautas para vivir semipermanentemente en la superficie de la luna. Los ambiciosos planes de la NASA Artemis exigen la construcción de una base lunar para 2028 (junto con una estación espacial lunar llamada Gateway que debería facilitar el viaje más allá de la luna), pero solo cuatro años después (deberíamos) volver a la luna. Esta visión está aún más cerca de la ciencia ficción que la realidad.

Extraer y purificar

Incluso suponiendo que se puedan superar estos obstáculos, ¿qué tan fácil sería extraer agua una vez allí? En primer lugar, el agua de la luna no es tan fácil de acceder. «No es como una capa de hielo o una capa de hielo como un glaciar», dice Julie Stopar, científica que visita el Instituto Lunar y Planetario. El agua en la luna tiene la forma de pequeños granos de hielo mezclados en el suelo, ubicados principalmente en regiones sombreadas permanentemente dentro de los cráteres cerca de los polos. Aquí, las temperaturas de 40 K (-233.15 ° C) mantienen el hielo de agua estable y sin molestias.

Los granos están fuertemente mezclados con compuestos orgánicos y metales complejos. En 2009, la misión LCROSS de la NASA disparó un cohete a la luna para lanzar columnas de roca lunar al aire. Un análisis de este material en el aire encontró que solo tenía un 5,6% de agua en peso. Esos datos, que a los 10 años siguen siendo el último análisis directo del contenido de agua del suelo lunar que tenemos, incluso sugieren que el hielo de agua puede separarse del suelo lunar, todavía es muy impuro y requeriría una purificación agresiva para liberarlo. de contaminantes esto arruinaría cualquier combustible derivado de él.

El año pasado, George Sowers, ingeniero de arquitectura espacial en la Escuela de Minas de Colorado, y más de una docena de otros científicos escribieron un artículo publicado en la revista Reach que describe un método propuesto para trabajar con hielo de agua lunar. Grandes torres con espejos cóncavos en la parte superior se habrían erigido e instalado alrededor de los bordes del cráter para reflejar la luz del sol en regiones permanentemente sombreadas. Esta energía calentaría el suelo lunar hasta 220 K (-53,15 ° C), lo suficientemente caliente como para sublimar el hielo de agua en vapor.

En este proyecto propuesto, los espejos usan la luz solar para calentar el hielo de agua en el terreno lunar. El vapor de agua se transfiere a los tanques laterales.

CORTESÍA GEORGE SEEDS

Una tienda de campaña que cubriera el suelo (transparente, para que la luz solar redirigida pudiera tocar la superficie) atraparía y capturaría este vapor de agua, que sería trasladado a grandes unidades de aluminio donde se congelaría nuevamente en el hielo. Los transportadores (tal vez robóticos o guiados por astronautas) empujarían el hielo hacia una estructura donde podría purificarse. Aquí, el agua se habría descompuesto en hidrógeno y oxígeno a través de la electrólisis y finalmente se habría licuado para que los componentes pudieran usarse como propulsores de cohetes. Trans Astronautica Corporation, con sede en California, quiere hacer algo similar. Esbozó planes para torres altas con paneles solares para aprovechar la energía y llevarla a los cráteres, luego usar radiofrecuencia, microondas y radiación infrarroja para sublimar el hielo de agua.

«Ninguno de estos pasajes es exótico», dice Sowers. Existen como aplicaciones a escala industrial en la Tierra. La baja gravedad debería facilitar la construcción y el movimiento de los materiales.

Sin embargo, estos conceptos requieren que los astronautas en tierra realicen ciertas funciones y mantener a estas personas seguras, cómodas y hospedadas requeriría una cantidad extraordinaria de recursos y energía. (OffWorld, una compañía de robótica espacial con oficinas en California y Luxemburgo, dice que quiere transformar la extracción de hielo de agua en un proceso totalmente autónomo, administrado por un enjambre de robots impulsados ​​por inteligencia artificial, pero por decir lo menos ambicioso.)

De hecho, ninguna de estas técnicas o planes están listos en ningún lado. Aunque hemos demostrado la capacidad de operar rovers y aterrizadores en la luna para soportar bajas temperaturas y radiación, no sabemos si la enorme infraestructura puede durar tanto. Cada región de la luna permanece en la oscuridad durante dos semanas al mes (y más si hablamos de las partes permanentemente sombreadas de los cráteres), y no es fácil despertar una pieza de tecnología de un sueño de 40K.

Según Phil Metzger, tecnólogo espacial de la Universidad de Florida Central y coautor del documento Reach, el mayor límite técnico para la extracción de hielo de agua de la luna, el único problema que «nos mantiene despiertos por la noche», es el proceso de purificación Y dado que no tenemos muestras lunares reales para probar regularmente estas tecnologías, es difícil desarrollar membranas para filtrar contaminantes lunares específicos. Las impurezas podrían inutilizar el oxígeno líquido y el hidrógeno líquido o, lo que es peor, inestable y explosivo.

La cosecha de agua en la luna tendrá una alta tasa de fracaso durante años, predice Metzger. «No creo que las tecnologías que las personas diseñan y conciben hoy funcionen perfectamente en la luna», dice. «Pero creo que habrá muchas actividades industriales en la luna dentro de varias décadas», agrega. “Y cuando lleguemos a ese punto, la gente mirará hacia atrás y dirá ‘Oh, debería haber sido obvio. Todas las piezas estaban en su lugar. «»

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