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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. de la tierra. [1]
ISRU podría proporcionar materiales para el soporte vital , propulsores , materiales de construcción y energía para las cargas útiles de una nave espacial o para las tripulaciones de exploración espacial. Ahora es muy común que las naves espaciales y las misiones robóticas a la superficie planetaria aprovechen la radiación solar encontrada in situ en forma de paneles solares . El uso de ISRU para la producción de materiales aún no se ha implementado en una misión espacial, aunque varias pruebas de campo realizadas a finales de la década de 2000 demostraron varias técnicas lunares de ISRU en un entorno relevante. [2]
ISRU se ha considerado durante mucho tiempo como una posible vía para reducir la masa y el costo de las arquitecturas de exploración espacial, en el sentido de 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 exploración y operaciones extraterrestres minimizando los materiales transportados desde la Tierra". [3]
En el contexto de 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 como soporte vital, ya sea directamente para beber, para cultivar alimentos , producir oxígeno o muchos otros procesos industriales, todos los cuales requieren un suministro listo de agua en el medio ambiente y el equipo para extraerla. Esta agua extraterrestre se ha descubierto en diversas formas en todo el sistema solar y se han investigado varias tecnologías potenciales de extracción de agua. Para el agua que está químicamente unida 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 mineras. Donde hay cierto nivel de atmósfera, como en Marte, se puede extraer agua directamente del aire mediante un proceso sencillo como WAVAR . Otra posible fuente de agua son los acuíferos profundos que se mantienen calientes gracias al calor geológico latente de Marte, que pueden aprovecharse para proporcionar agua y energía geotérmica. [ cita necesaria ]
Se ha propuesto la producción de propulsor 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 extraer agua del regolito . La mayoría de los sistemas 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, podría ser posible calentar agua en un cohete nuclear o solar térmico , [4] que podría transportar una gran masa desde la Luna a la órbita terrestre baja (LEO), a pesar del impulso específico mucho menor , durante un cantidad dada de equipo. [5]
El peróxido de hidrógeno monopropulsor (H 2 O 2 ) se puede producir a partir de agua en Marte y la Luna. [6]
Se ha propuesto el uso de aluminio y otros metales como propulsor de cohetes fabricados con recursos lunares, [7] y las propuestas incluyen hacer reaccionar el aluminio con agua. [8]
Para Marte, el propulsor de metano se puede fabricar mediante el proceso Sabatier . SpaceX ha sugerido construir una planta de propulsores 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]
Durante mucho tiempo se ha sugerido que se podrían producir células solares a partir de 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 usarse para producir células solares. [10] De hecho, el vacío nativo en la superficie lunar proporciona un ambiente excelente para la deposición directa al vacío de materiales de película delgada para células solares. [11]
Los paneles solares producidos en la superficie lunar se pueden utilizar para respaldar las operaciones en la superficie lunar, así como los satélites fuera de la superficie lunar. 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 necesaria ]
Otra posible aplicación de los paneles solares de origen lunar es proporcionar energía a la Tierra. En su forma original, conocida como satélite de energía solar , la propuesta estaba pensada como una fuente de energía alternativa para la Tierra . Las células solares se lanzarían a la órbita terrestre y se ensamblarían, y la energía generada resultante se transmitiría a la Tierra a través de haces de microondas. [12] A pesar de mucho trabajo sobre el costo de tal empresa, la incertidumbre residía 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, los 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 profundo pozo de gravedad 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 necesaria ]
La investigación de ISRU para Marte se centra principalmente en proporcionar propulsor de cohetes para un viaje de regreso a la Tierra, ya sea para una misión de regreso con tripulación o de muestra, o para su uso como combustible en Marte. Muchas de las técnicas propuestas utilizan la bien caracterizada atmósfera de Marte como materia prima. Dado que esto se puede simular en la Tierra, estas propuestas son relativamente sencillas de implementar, aunque de ninguna manera es seguro que la NASA o la ESA favorezcan este enfoque frente a 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 mediante 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 sólo era necesario traer desde la Tierra el hidrógeno (que es ligero). [15]
A partir de 2018 [actualizar], SpaceX ha declarado su objetivo de desarrollar la tecnología para una planta de propulsor en Marte que podría utilizar una variación de lo descrito en el párrafo anterior. En lugar de transportar hidrógeno desde la Tierra para utilizarlo en la producción de metano y oxígeno, han dicho que planean extraer el agua necesaria del hielo de agua subterráneo , producir y luego almacenar los reactivos post-Sabatier, y luego usarlo como propulsor para 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 de agua y gas , CO 2 + H 2 → CO + H 2 O . Esta reacción tiene lugar rápidamente en presencia de un catalizador de hierro-cromo a 400 °C [19] y la NASA la ha implementado en un banco de pruebas en la Tierra . [20] Nuevamente, el hidrógeno se recicla del agua mediante 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 necesaria ]
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 marcianos mediante un proceso termoquímico de división CO 2 /H 2 O de dos pasos , y específicamente en el ciclo redox magnetita / wustita . [23] Aunque la termólisis es el proceso más directo de un solo paso 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 a la hora de encontrar materiales adecuados para los reactores, pérdidas debidas a una vigorosa recombinación de productos y pérdidas excesivas por radiación de apertura cuando se utiliza calor solar concentrado. El ciclo redox magnetita/wustita fue propuesto por primera vez para aplicación solar en la Tierra por Nakamura, [25] y fue uno de los primeros utilizados para la división del agua en dos pasos impulsada por energía solar . En este ciclo, el agua reacciona con wustita (FeO) para formar magnetita (Fe 3 O 4 ) e hidrógeno. Las reacciones resumidas en este proceso de división de dos pasos son las siguientes:
y el FeO obtenido se utiliza para la descomposición térmica del agua o del CO 2 :
Este proceso se repite cíclicamente. El proceso anterior da como resultado una reducción sustancial en el aporte térmico de energía en comparación con el proceso más directo de un solo paso para dividir moléculas. [26]
Sin embargo, el proceso necesita wustita (FeO) para iniciar el ciclo, pero en Marte no hay wustita o al menos no en cantidades significativas. Sin embargo, la wustita se puede obtener fácilmente mediante la reducción de hematita (Fe 2 O 3 ), que es un material abundante en Marte, siendo especialmente llamativos los fuertes depósitos de hematita ubicados en Terra Meridiani . [27] El uso de wustita de la hematita, abundantemente disponible en Marte, es un proceso industrial bien conocido en la Tierra y se realiza mediante las dos reacciones de reducción principales siguientes: [ cita necesaria ]
El módulo de aterrizaje Mars Surveyor propuesto para 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 Mars Oxygen ISRU Experiment ) que extraerá CO 2 de la atmósfera y producirá O 2 . [30]
Se ha sugerido que los edificios en Marte podrían construirse con basalto, ya que tiene 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 pueden completarse a partir de los gases recolectados 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 puede fabricarse 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 Luna misma y progresando hasta el uso de recursos lunares para apuntalar una futura capacidad industrial dentro de la Tierra. Sistema lunar. [37] Los recursos naturales incluyen la energía solar, el oxígeno, el agua, el hidrógeno y los metales. [38] [39]
La anortita, material de las tierras altas lunares, se puede utilizar como mineral de aluminio . Las fundiciones pueden producir aluminio puro, calcio metálico, oxígeno y vidrio de sílice a partir de anortita. La anortita cruda 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 extraer oxígeno del regolito lunar. [7] El oxígeno se encuentra a menudo en minerales y vidrios lunares ricos en hierro en forma de 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. Recientemente, este proceso se ha vuelto mucho más práctico 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 se pueden utilizar como material de construcción general, [43] mediante técnicas de procesamiento como sinterización , prensado en caliente, licuación y el método del 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] También se ha fabricado fibra de basalto a partir de simuladores de regolito lunar.
Se han realizado pruebas exitosas en la Tierra utilizando dos simulantes 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 simulante de regolito lunar, para investigar cómo se podría utilizar el suelo lunar in situ . [46] [47]
Otras propuestas [48] se basan en Fobos y Deimos . Estas lunas se encuentran 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 de la Luna. [ cita necesaria ]
Ceres está más lejos 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 sólo 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 del cinturón de asteroides también podrían ser fuentes de materias primas para ISRU. [ cita necesaria ]
Se han hecho propuestas de "minería" para la propulsión de cohetes , utilizando lo que se denomina 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 propulsivo en órbita baja. [50]
En octubre de 2004, la Oficina de Integración y Planificación Avanzada de la NASA encargó un equipo de hoja de ruta de capacidades de ISRU. El informe del equipo, junto con los de otros 14 equipos de hoja de ruta de capacidades, se publicó el 22 de mayo de 2005. [51] El informe identifica siete capacidades ISRU: [51] : 278
El informe se centra en los entornos lunar y marciano. Ofrece una línea de tiempo detallada [51] : 274 y una hoja de ruta de capacidad hasta 2040 [51] : 280–281 , pero supone aterrizajes lunares en 2010 y 2012. [51] : 280
El Mars Surveyor 2001 Lander estaba destinado a 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 necesaria ]
El Experimento Mars Oxygen ISRU (MOXIE) es un modelo prototipo a escala del 1% a bordo del rover Mars 2020 Perseverance que produce oxígeno a partir del dióxido de carbono ( CO 2 ) atmosférico marciano 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 un prototipo de rover estaba siendo probado cuando fue desechado en abril de 2018. [60] [58] [59] En cambio, sus instrumentos científicos volarán 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 lunares ISRU mediante el aterrizaje de varias cargas útiles en múltiples módulos de aterrizaje y vehículos comerciales. La primera solicitud formal se esperaba para 2019. [61] [62] El sucesor espiritual del Resource Prospector se convirtió en VIPER (rover) , cuyo aterrizaje en la Luna está previsto para 2024.
![{\displaystyle {\ce {{\overset {atmosférico \atop {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)