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En la exploración espacial , la utilización de recursos in situ ( ISRU ) es la práctica de recolección, procesamiento, almacenamiento y uso de materiales encontrados o fabricados en otros objetos astronómicos (la Luna, Marte, asteroides, etc.) que reemplazan materiales que de otro modo serían traídos desde la Tierra. [1]
La ISRU podría proporcionar materiales para el soporte vital , propulsores , materiales de construcción y energía a las cargas útiles de las naves espaciales o a las tripulaciones de exploración espacial. Hoy en día es muy común que las naves espaciales y las misiones robóticas a la superficie planetaria aprovechen la radiación solar que se encuentra in situ en forma de paneles solares . El uso de la ISRU para la producción de materiales aún no se ha implementado en una misión espacial, aunque varias pruebas de campo a fines de la década de 2000 demostraron varias técnicas de ISRU lunar en un entorno relevante. [2]
La ISRU se ha considerado durante mucho tiempo como una posible vía para reducir la masa y el coste de las arquitecturas de exploración espacial, ya que puede ser una forma de reducir drásticamente la cantidad de carga útil que debe lanzarse desde la Tierra para explorar un cuerpo planetario determinado . Según la NASA , "la utilización de recursos in situ permitirá el establecimiento asequible de operaciones y exploraciones extraterrestres al minimizar los materiales transportados desde la Tierra". [3]
En el contexto de la ISRU, el agua se busca con mayor frecuencia directamente como combustible o como materia prima para la producción de combustible. Las aplicaciones incluyen su uso en el soporte vital, ya sea directamente para beber, para cultivar alimentos , producir oxígeno o muchos otros procesos industriales, todos los cuales requieren un suministro constante de agua en el medio ambiente y el equipo para extraerla. Esta agua extraterrestre se ha descubierto en una variedad de formas en todo el sistema solar, y se han investigado varias tecnologías potenciales de extracción de agua. En el caso del agua que está unida químicamente al regolito , al hielo sólido o a algún tipo de permafrost, un calentamiento suficiente puede recuperar el agua. Sin embargo, esto no es tan fácil como parece porque el hielo y el permafrost a menudo pueden ser más duros que la roca simple, lo que requiere laboriosas operaciones de minería. Donde hay algún nivel de atmósfera, como en Marte, el agua se puede extraer directamente del aire utilizando un proceso simple como WAVAR . Otra posible fuente de agua son los acuíferos profundos que se mantienen calientes gracias al calor geológico latente de Marte, que se puede aprovechar para proporcionar agua y energía geotérmica. [ cita requerida ]
Se ha propuesto la producción de propulsores para cohetes a partir de la superficie de la Luna mediante el procesamiento del hielo de agua detectado en los polos . Las posibles dificultades incluyen trabajar a temperaturas extremadamente bajas y la extracción de agua del regolito . La mayoría de los esquemas electrolizan el agua para producir hidrógeno y oxígeno y los almacenan criogénicamente como líquidos. Esto requiere grandes cantidades de equipo y energía para lograrlo. Alternativamente, puede ser posible calentar agua en un cohete nuclear o solar térmico , [4] que puede ser capaz de entregar una gran masa desde la Luna a la órbita terrestre baja (LEO) a pesar del impulso específico mucho menor , para una cantidad dada de equipo. [5]
El peróxido de hidrógeno (H2O2 ) , un combustible monopropelente , se puede fabricar a partir del agua de Marte y la Luna. [6]
Se ha propuesto el uso de aluminio y otros metales como propulsor de cohetes fabricados a partir de recursos lunares, [7] y las propuestas incluyen la reacción del aluminio con agua. [8]
Para Marte, el combustible de metano se puede fabricar mediante el proceso Sabatier . SpaceX ha sugerido construir una planta de combustible en Marte que utilizaría este proceso para producir metano ( CH4) y oxígeno líquido (O 2 ) del hielo de agua subterráneo y del CO atmosférico
2. [9]
Desde hace tiempo se ha sugerido que las células solares podrían producirse a partir de los materiales presentes en el suelo lunar. El silicio, el aluminio y el vidrio, tres de los materiales primarios necesarios para la producción de células solares, se encuentran en altas concentraciones en el suelo lunar y pueden utilizarse para producir células solares. [10] De hecho, el vacío natural de la superficie lunar proporciona un entorno excelente para la deposición directa al vacío de materiales de película fina para células solares. [11]
Los paneles solares producidos en la superficie lunar pueden utilizarse para respaldar las operaciones en la superficie lunar, así como para los satélites que se encuentran fuera de ella. Los paneles solares producidos en la superficie lunar pueden resultar más rentables que los paneles solares producidos y enviados desde la Tierra, pero este comercio depende en gran medida de la ubicación de la aplicación particular en cuestión. [ cita requerida ]
Otra posible aplicación de los paneles solares de origen lunar es la de proporcionar energía a la Tierra. En su forma original, conocida como satélite de energía solar , la propuesta se concibió como una fuente de energía alternativa para la Tierra . Se lanzarían células solares a la órbita terrestre y se ensamblarían, y la energía generada resultante se transmitiría a la Tierra mediante rayos de microondas. [12] A pesar de que se ha trabajado mucho sobre el costo de una empresa de este tipo, la incertidumbre radicaba en el costo y la complejidad de los procedimientos de fabricación en la superficie lunar.
La colonización de planetas o lunas requerirá la obtención de materiales de construcción locales , como el regolito . Por ejemplo, estudios que emplean suelo artificial de Marte mezclado con resina epoxi y tetraetoxisilano , producen valores suficientemente altos de parámetros de fuerza, resistencia y flexibilidad. [13]
La minería de asteroides también podría implicar la extracción de metales para materiales de construcción en el espacio, lo que puede ser más rentable que sacar ese material del pozo de gravedad profundo de la Tierra o de cualquier otro cuerpo grande como la Luna o Marte . Los asteroides metálicos contienen enormes cantidades de metales siderófilos , incluidos metales preciosos . [ cita requerida ]
La investigación de la ISRU para Marte se centra principalmente en proporcionar combustible para cohetes para un viaje de regreso a la Tierra (ya sea para una misión tripulada o de retorno de muestras) o para su uso como combustible en Marte. Muchas de las técnicas propuestas utilizan la atmósfera bien caracterizada de Marte como materia prima. Dado que esto se puede simular en la Tierra, estas propuestas son relativamente fáciles de implementar, aunque no es en absoluto seguro que la NASA o la ESA prefieran este enfoque en lugar de una misión directa más convencional. [14]
Una propuesta típica de ISRU es el uso de una reacción de Sabatier , CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O , para producir metano en la superficie marciana, que se utilizará como propulsor. El oxígeno se libera del agua por electrólisis y el hidrógeno se recicla nuevamente en la reacción de Sabatier. La utilidad de esta reacción es que, a partir de 2008 [actualizar], cuando la disponibilidad de agua en Marte estaba menos demostrada científicamente, se pensaba que solo era necesario traer el hidrógeno (que es ligero) desde la Tierra. [15]
A partir de 2018 [actualizar], SpaceX ha declarado su objetivo de desarrollar la tecnología para una planta de propulsión de Marte que podría utilizar una variación de lo descrito en el párrafo anterior. En lugar de transportar hidrógeno desde la Tierra para usarlo en la fabricación de metano y oxígeno, han dicho que planean extraer el agua necesaria del hielo de agua del subsuelo , producir y luego almacenar los reactivos post-Sabatier y luego usarlo como propulsor para los vuelos de regreso de su Starship no antes de 2023. [16] [17] A partir de 2023, SpaceX no ha producido ni publicado ningún diseño ni especificación para ninguna tecnología ISRU. [18]
Una reacción similar propuesta para Marte es la reacción inversa de desplazamiento del gas de agua , CO 2 + H 2 → CO + H 2 O . Esta reacción se lleva a cabo rápidamente en presencia de un catalizador de hierro-cromo a 400 °C, [19] y ha sido implementada en un banco de pruebas terrestre por la NASA. [20] Una vez más, el hidrógeno se recicla del agua por electrólisis , y la reacción solo necesita una pequeña cantidad de hidrógeno de la Tierra. El resultado neto de esta reacción es la producción de oxígeno, que se utilizará como componente oxidante del combustible para cohetes. [ cita requerida ]
Otra reacción propuesta para la producción de oxígeno y combustible [21] es la electrólisis del dióxido de carbono atmosférico,
También se ha propuesto la producción in situ de oxígeno, hidrógeno y CO a partir de los depósitos de hematita marciana mediante un proceso termoquímico de división de CO 2 /H 2 O en dos pasos, y específicamente en el ciclo redox de magnetita / wüstita . [23] Aunque la termólisis es el proceso de un solo paso más directo para dividir moléculas, no es práctico ni eficiente en el caso de H 2 O o CO 2 . Esto se debe a que el proceso requiere una temperatura muy alta (> 2500 °C) para lograr una fracción de disociación útil. [24] Esto plantea problemas para encontrar materiales de reactor adecuados, pérdidas debido a la vigorosa recombinación del producto y pérdidas excesivas de radiación de apertura cuando se utiliza calor solar concentrado. El ciclo redox de magnetita/wustita fue propuesto por primera vez para la aplicación solar en la Tierra por Nakamura, [25] y fue uno de los primeros utilizados para la división de agua en dos pasos impulsada por energía solar . En este ciclo, el agua reacciona con la wustita (FeO) para formar magnetita (Fe 3 O 4 ) e hidrógeno. Las reacciones resumidas en este proceso de división en dos pasos son las siguientes:
y el FeO obtenido se utiliza para la división térmica del agua o CO2 :
Este proceso se repite cíclicamente y produce una reducción sustancial del aporte térmico de energía en comparación con el proceso más directo de un solo paso para dividir moléculas. [26]
Sin embargo, el proceso necesita wüstita (FeO) para iniciar el ciclo, pero en Marte no hay wustita o al menos no en cantidades significativas. No obstante, la wustita se puede obtener fácilmente mediante la reducción de la hematita (Fe 2 O 3 ), que es un material abundante en Marte, siendo especialmente notorios los fuertes depósitos de hematita ubicados en Terra Meridiani . [27] El uso de wustita a partir de la hematita, abundantemente disponible en Marte, es un proceso industrial bien conocido en la Tierra, y se realiza mediante las siguientes dos reacciones de reducción principales: [ cita requerida ]
El módulo de aterrizaje propuesto para el Mars Surveyor en 2001 debía demostrar la fabricación de oxígeno a partir de la atmósfera de Marte , [28] y probar tecnologías de células solares y métodos para mitigar el efecto del polvo marciano en los sistemas de energía, pero el proyecto fue cancelado. [29] La misión del rover Mars 2020 incluye un demostrador de tecnología ISRU (el Experimento ISRU de oxígeno en Marte ) que extraerá CO 2 de la atmósfera y producirá O 2 . [30]
Se ha sugerido que los edificios en Marte podrían estar hechos de basalto, ya que posee buenas propiedades aislantes. Una estructura subterránea de este tipo podría proteger las formas de vida contra la exposición a la radiación. [31]
Todos los recursos necesarios para fabricar plásticos existen en Marte. [32] [33] Muchas de estas reacciones complejas se pueden completar a partir de los gases extraídos de la atmósfera marciana. Se sabe que existen trazas de oxígeno libre, monóxido de carbono, agua y metano. [34] [35] El hidrógeno y el oxígeno se pueden producir mediante la electrólisis del agua, el monóxido de carbono y el oxígeno mediante la electrólisis del dióxido de carbono y el metano mediante la reacción de Sabatier del dióxido de carbono y el hidrógeno. Estas reacciones básicas proporcionan los componentes básicos para series de reacciones más complejas que pueden producir plásticos. El etileno se utiliza para fabricar plásticos como el polietileno y el polipropileno y se puede fabricar a partir de monóxido de carbono e hidrógeno: [36]
La Luna posee abundantes materias primas que son potencialmente relevantes para una jerarquía de aplicaciones futuras, comenzando con el uso de materiales lunares para facilitar las actividades humanas en la propia Luna y progresando hasta el uso de recursos lunares para sustentar una futura capacidad industrial dentro del sistema Tierra-Luna. [37] Los recursos naturales incluyen energía solar, oxígeno, agua, hidrógeno y metales. [38] [39]
El material de las tierras altas lunares, la anortita, se puede utilizar como mineral de aluminio . Las fundiciones pueden producir aluminio puro, calcio metálico, oxígeno y vidrio de sílice a partir de la anortita. La anortita en bruto también es buena para fabricar fibra de vidrio y otros productos de vidrio y cerámica. [40] Una técnica de procesamiento particular es utilizar flúor traído de la Tierra como fluoruro de potasio para separar las materias primas de las rocas lunares. [41]
Se han propuesto más de veinte métodos diferentes para la extracción de oxígeno del regolito lunar. [7] El oxígeno se encuentra a menudo en minerales lunares ricos en hierro y vidrios como óxido de hierro . El oxígeno se puede extraer calentando el material a temperaturas superiores a 900 °C y exponiéndolo a gas hidrógeno. La ecuación básica es: FeO + H 2 → Fe + H 2 O. Este proceso se ha vuelto mucho más práctico recientemente gracias al descubrimiento de cantidades significativas de regolito que contiene hidrógeno cerca de los polos de la Luna por la nave espacial Clementine . [42]
Los materiales lunares también pueden utilizarse como material de construcción general, [43] mediante técnicas de procesamiento como sinterización , prensado en caliente, licuefacción y el método de basalto fundido . El basalto fundido se utiliza en la Tierra para la construcción de, por ejemplo, tuberías donde se requiere una alta resistencia a la abrasión. [44] El vidrio y la fibra de vidrio son fáciles de procesar en la Luna y Marte. [40] La fibra de basalto también se ha fabricado a partir de simuladores de regolito lunar.
Se han realizado pruebas exitosas en la Tierra utilizando dos simuladores de regolito lunar MLS-1 y MLS-2 . [45] En agosto de 2005, la NASA contrató la producción de 16 toneladas de suelo lunar simulado, o material simulador de regolito lunar, para la investigación sobre cómo se podría utilizar el suelo lunar in situ . [46] [47]
Otras propuestas [48] se basan en Fobos y Deimos . Estas lunas están en órbitas razonablemente altas sobre Marte, tienen velocidades de escape muy bajas y, a diferencia de Marte, tienen delta-v de retorno desde sus superficies a LEO que son menores que el retorno desde la Luna. [ cita requerida ]
Ceres está más alejado que Marte, con un delta-v más alto, pero las ventanas de lanzamiento y los tiempos de viaje son mejores, y la gravedad superficial es de solo 0,028 g, con una velocidad de escape muy baja de 510 m/s. Los investigadores han especulado que la configuración interior de Ceres incluye un manto rico en hielo de agua sobre un núcleo rocoso. [49]
Los asteroides cercanos a la Tierra y los cuerpos en el cinturón de asteroides también podrían ser fuentes de materias primas para el ISRU. [ cita requerida ]
Se han hecho propuestas para la "minería" de propulsión de cohetes , utilizando lo que se llama un acumulador de fluido propulsor . Los gases atmosféricos como el oxígeno y el argón podrían extraerse de la atmósfera de planetas como la Tierra, Marte y los planetas gigantes exteriores mediante satélites acumuladores de fluido propulsor en órbita baja. [50]
En octubre de 2004, la Oficina de Planificación e Integración Avanzada de la NASA encargó un equipo para la hoja de ruta de capacidades de la ISRU. El informe del equipo, junto con los de otros 14 equipos de hojas de ruta de capacidades, se publicó el 22 de mayo de 2005. [51] El informe identifica siete capacidades de la ISRU: [51] : 278
El informe se centra en los entornos lunar y marciano. Ofrece un cronograma detallado [51] : 274 y una hoja de ruta de capacidades hasta 2040 [51] : 280–281 , pero supone que se aterrizarán en la Luna en 2010 y 2012. [51] : 280
El módulo de aterrizaje Mars Surveyor 2001 debía llevar a Marte una carga útil de prueba, MIP (Mars ISPP Precursor), que debía demostrar la fabricación de oxígeno a partir de la atmósfera de Marte, [52] pero la misión fue cancelada. [ cita requerida ]
El experimento Mars Oxygen ISRU (MOXIE) es un modelo prototipo a escala del 1% a bordo del rover Perseverance de Mars 2020 que produce oxígeno a partir del dióxido de carbono atmosférico marciano ( CO 2 ) en un proceso llamado electrólisis de óxido sólido . [53] [54] [55] [56] El experimento produjo sus primeros 5,37 gramos de oxígeno el 20 de abril de 2021. [57]
El rover lunar Resource Prospector fue diseñado para explorar recursos en una región polar de la Luna, y se propuso su lanzamiento en 2022. [58] [59] El concepto de la misión estaba en su etapa de preformulación, y se estaba probando un prototipo de rover cuando fue descartado en abril de 2018. [60] [58] [59] Sus instrumentos científicos volarán en cambio en varias misiones de aterrizaje comerciales contratadas por el nuevo programa Commercial Lunar Payload Services (CLSP) de la NASA, que tiene como objetivo centrarse en probar varios procesos ISRU lunares mediante el aterrizaje de varias cargas útiles en múltiples módulos de aterrizaje y rovers comerciales. La primera convocatoria formal se esperaba en 2019. [61] [62] El sucesor espiritual del Resource Prospector se convirtió en VIPER (rover) , que también se canceló en 2024.
![{\displaystyle {\ce {{\overset {atmosférica \encima\del\dióxido\de\carbono}}{2CO2}}->[{\text{energía}}]{2CO}+O2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4f49184ac2be27170a7a7cda59230d9189caf92d)
![{\displaystyle {\ce {Fe3O4->[{\text{energía}}]{3FeO}+\overbrace {1/2O2} ^{\underset {(\operatorname {subproducto} )}{oxígeno}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/741b834f7d4920fe9b9b880dc3a7ad145851efb6)