Utilización de recursos in situ
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Banco de pruebas de cambio de gas de agua inversa de ISRU (NASA KSC)

En la exploración espacial , la utilización de recursos in situ ( ISRU ) es la práctica de recopilación, 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 soporte vital , propulsores , materiales de construcción y energía a las cargas útiles de una nave espacial o tripulaciones de exploración espacial. Ahora es muy común que las naves espaciales y las misiones robóticas en la superficie planetaria aprovechen la radiación solar que se encuentra 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 a finales de la década de 2000 demostraron varias técnicas de ISRU lunar 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, 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 exploración y operaciones extraterrestres al minimizar los materiales transportados desde la Tierra". [3]

Usos

Agua

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 en soporte vital, ya sea directamente al beber, para cultivar alimentos , producir oxígeno o muchos otros procesos industriales, todos los cuales requieren un suministro inmediato de agua en el medio ambiente y el equipo para extraerla. Tal 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. Para el agua químicamente ligada al regolito, hielo sólido o 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 algún nivel de atmósfera, como en Marte, el agua se puede extraer directamente del aire mediante un proceso simple como WAVAR . Otra posible fuente de agua son los acuíferos profundos que se mantienen calientes por el calor geológico latente de Marte, que pueden aprovecharse para proporcionar agua y energía geotérmica. [ cita requerida ]

Propelente de cohete

Se ha propuesto la producción de propulsores de cohetes a partir de la superficie de la Luna mediante el procesamiento de hielo de agua detectado en los polos . Las posibles dificultades incluyen el trabajo a temperaturas extremadamente bajas y la extracción del regolito . La mayoría de los esquemas electrolizan el agua para producir hidrógeno y oxígeno y los almacenan criogénicamente como líquidos. Esto requiere una gran cantidad de equipos y energía para lograrlo. Alternativamente, puede ser posible calentar agua en un cohete térmico solar o nuclear , [4] que puede ser capaz de enviar una gran masa desde la Luna a la órbita terrestre baja (LEO) a pesar de la mucho más bajaimpulso específico , para una determinada cantidad de equipo. [5]

El peróxido de hidrógeno monopropelente (H 2 O 2 ) se puede producir a partir del 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 Mars, el propulsor de metano se puede fabricar mediante el proceso Sabatier . SpaceX ha sugerido la construcción de una planta propulsora en Marte que utilizaría este proceso para producir metano ( CH4) y oxígeno líquido (O 2 ) del hielo de agua subterráneo y CO atmosférico
2. [9]

Producción de células solares

Durante mucho 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 nativo en la superficie lunar proporciona un entorno excelente para la deposición directa al vacío de materiales de película delgada para células solares. [11]

Las matrices solares producidas en la superficie lunar se pueden utilizar para respaldar las operaciones de 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 requerida ]

Otra aplicación potencial de los paneles solares derivados de la Luna es proporcionar energía a la Tierra. En su forma original, conocida como el satélite de energía solar , la propuesta fue pensada como una fuente de energía alternativa para la Tierra . Las células solares se lanzarían a la órbita de la Tierra y se ensamblarían, y la energía generada resultante se transmitiría a la Tierra a través de rayos de microondas. [12] A pesar de mucho trabajo sobre el costo de tal empresa, la incertidumbre radica en el costo y la complejidad de los procedimientos de fabricación en la superficie lunar.

Materiales de construcción

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 involucrar la extracción de metales para material 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 grandes cantidades de metales siderófilos , incluidos metales preciosos . [ cita requerida ]

Ubicaciones

Marte

Ver también: Infraestructura de transporte SpaceX Mars y Mars Direct

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 retorno con tripulación o de muestra, 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 fácilmente en la Tierra, estas propuestas son relativamente simples de implementar, aunque no es seguro que la NASA o la ESA favorezcan este enfoque sobre una misión directa más convencional. [14]

Una propuesta típica para 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, para ser utilizado como propulsor. El oxígeno se libera del agua por electrólisis y el hidrógeno se recicla de nuevo a la reacción de Sabatier. La utilidad de esta reacción es que, a partir de 2008 , cuando la disponibilidad de agua en Marte estaba menos demostrada científicamente, se pensaba que solo el hidrógeno (que es luz) debía traerse de la Tierra. [15]

A partir de 2018 , SpaceX está desarrollando la tecnología para una planta propulsora de Marte que utilizará una variación de lo que se describe en el párrafo anterior. En lugar de transportar hidrógeno desde la Tierra para usarlo en la producción de metano y oxígeno, tienen la intención de extraer el agua necesaria del hielo de agua subterráneo que ahora se sabe que es abundante en gran parte de la superficie marciana, producir y luego almacenar los reactivos posteriores a Sabatier. y luego usarlo como propulsor para vuelos de regreso de su nave estelar no antes de 2023. [16] [17]

Una reacción similar propuesto para Marte es el inverso reacción de desplazamiento del gas de agua , CO 2 + H 2 → CO + H 2 O . Esta reacción tiene lugar rápidamente en presencia de un catalizador de hierro-cromo a 400 ° Celsius, [18] y ha sido implementada en un banco de pruebas terrestre por la NASA. [19] Nuevamente, 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 [20] es la electrólisis del dióxido de carbono atmosférico,

[21]

También se ha propuesto la producción in situ de oxígeno, hidrógeno y CO a partir de los depósitos de hematita de Marte a través de un CO termoquímico de dos pasos.2/ Proceso de desdoblamiento de H 2 O, y específicamente en el ciclo redox de magnetita / wustita . [22] 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. [23] Esto plantea problemas para encontrar materiales de reactor adecuados, pérdidas debidas a la recombinación vigorosa del producto y pérdidas excesivas por 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, [24]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 de dos pasos son las siguientes:

y el FeO obtenido se utiliza para la disociación térmica de agua o CO 2  :

3FeO + H 2 O → Fe 3 O 4 + H 2
3FeO + CO 2 → Fe 3 O 4 + CO

Este proceso se repite cíclicamente. El proceso anterior da como resultado una reducción sustancial en la entrada térmica de energía si se compara con el proceso más directo de un solo paso para dividir moléculas. [25]

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 puede obtenerse fácilmente mediante la reducción de la hematita (Fe 2 O 3 ) que es un material abundante en Marte, destacando especialmente los fuertes depósitos de hematita ubicados en Terra Meridiani . [26] El uso de wustita de la hematita, abundantemente disponible en Marte, es un proceso industrial bien conocido en la Tierra, y se lleva a cabo mediante las siguientes dos reacciones de reducción principales: [ cita requerida ]

3Fe 2 O 3 + H 2 → 2Fe 3 O 4 + H 2 O
3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2

El módulo de aterrizaje Mars Surveyor propuesto en 2001 tenía como objetivo demostrar la fabricación de oxígeno a partir de la atmósfera de Marte , [27] 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. [28] La misión del rover Mars 2020 incluye un demostrador de tecnología ISRU (el Experimento ISRU Mars Oxygen ) que extraerá CO 2 de la atmósfera y producirá O 2 . [29]

Se ha sugerido que los edificios de Marte podrían estar hechos de 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. [30]

Todos los recursos necesarios para fabricar plásticos existen en Marte. [31] [32] Muchas de estas complejas reacciones 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. [33] [34] 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 polietileno y polipropileno.y puede estar hecho de monóxido de carbono e hidrógeno: [35]

2CO + 4H 2 → C 2 H 4 + 2H 2 O .

Luna

Artículo principal: recursos lunares

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. [36] Los recursos naturales incluyen energía solar, oxígeno, agua, hidrógeno y metales. [37] [38]

La anortita, material de las tierras altas lunares, se puede utilizar como mineral de aluminio . Las fundiciones pueden producir aluminio puro, calcio metal, 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. [39] 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. [40]

Se han propuesto más de veinte métodos diferentes para la extracción de oxígeno del regolito lunar. [7] El oxígeno se encuentra a menudo en los cristales y minerales lunares ricos en hierro 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 hecho mucho más práctico recientemente por el descubrimiento de cantidades significativas de regolito que contiene hidrógeno cerca de los polos de la Luna por la nave espacial Clementine . [41]

Los materiales lunares también se pueden utilizar como material de construcción general, [42] mediante técnicas de procesamiento como la sinterización , el prensado en caliente, la licuación 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. [43] El vidrio y la fibra de vidrio son fáciles de procesar en la Luna y Marte. [39] 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 . [44] En agosto de 2005, la NASA contrató la producción de 16 toneladas de suelo lunar simulado o material simulador de regolito lunar para investigar cómo se podría utilizar el suelo lunar in situ . [45] [46]

Lunas marcianas, Ceres, asteroides

Otras propuestas [47] se basan en Phobos y Deimos . Estas lunas se encuentran en órbitas razonablemente altas por encima de 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 requerida ]

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 en la superficie 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. [48]

Cerca de la Tierra Los asteroides y los cuerpos en el cinturón de asteroides también podrían ser fuentes de materias primas para ISRU. [ cita requerida ]

Atmósferas planetarias

Se han hecho propuestas para "minar" para la 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 gigantes gaseosos exteriores mediante satélites propulsores de acumulación de fluidos en órbita baja. [49]

Clasificación de capacidad ISRU (NASA)

En octubre de 2004, la Oficina de Integración y Planificación Avanzada de la NASA encargó un equipo de hoja de ruta de capacidad ISRU. El informe del equipo, junto con los de otros 14 equipos de la hoja de ruta de capacidades, se publicó el 22 de mayo de 2005. [50] El informe identifica siete capacidades de ISRU: [50] : 278 (i) extracción de recursos, (ii) manipulación y transporte de materiales, ( iii) procesamiento de recursos, (iv) fabricación de superficies con recursos in situ , (v) construcción de superficies, (vi) almacenamiento y distribución de productos y consumibles ISRU en superficie, y (vii) capacidades únicas de certificación y desarrollo de ISRU. [ cita requerida ]

El informe se centra en los entornos lunares y marcianos. Ofrece un cronograma detallado [50] : 274 y una hoja de ruta de capacidad hasta 2040 [50] : 280–281, pero asume aterrizajes lunares en 2010 y 2012. [50] : 280

Demostradores y prototipos de tecnología ISRU

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, [51] 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 Mars 2020 que produce oxígeno a partir del dióxido de carbono atmosférico ( CO 2 ) de Marte en un proceso llamado electrólisis de óxido sólido . [52] [53] [54] [55] El experimento produjo sus primeros 5,37 gramos de oxígeno el 20 de abril de 2021. [56]

El explorador lunar Resource Prospector fue diseñado para buscar recursos en una región polar de la Luna, y se propuso su lanzamiento en 2022. [57] [58] El concepto de misión todavía estaba en su etapa de pre-formulación, y era un prototipo El rover estaba siendo probado cuando fue desguazado en abril de 2018. [59] [57] [58] Sus instrumentos científicos volarán en cambio en varias misiones comerciales de aterrizaje contratadas por el nuevo programa de Servicios de Carga Lunar Comercial (CLSP) de la NASA, que apunta a enfocarse en probar varios procesos ISRU lunares mediante el aterrizaje de varias cargas útiles en múltiples módulos de aterrizaje y rovers comerciales. Se espera que la primera solicitud formal se realice en algún momento de 2019. [60] [61]

Ver también

  • Anthony Zuppero  - científico nuclear estadounidense
  • Minería de asteroides  : explotación de materias primas de asteroides
  • David Criswell  - astrónomo estadounidense
  • Hierro reducido directo
  • Gerard K. O'Neill  - Físico, autor e inventor
  • Puesto avanzado  humano: hábitats humanos controlados y creados artificialmente ubicados en entornos inhóspitos para los humanos, como en el espacio.
  • Puesto avanzado lunar (NASA)  : conceptos para una presencia humana extendida en la Luna
  • Recursos lunares: recursos  naturales potenciales en la Luna
  • Agua lunar  - Presencia de agua en la luna.
  • Lunarcrete  : material de construcción agregado hipotético, similar al concreto, formado a partir del regolito lunar
  • Misión de referencia de diseño de Marte  : estudios de diseño conceptual para misiones tripuladas a Marte
  • Mars to Stay  - Arquitectura de colonización de Marte que propone vehículos sin retorno
  • Protección planetaria  : principio rector en el diseño de una misión interplanetaria, cuyo objetivo es prevenir la contaminación biológica tanto del cuerpo celeste objetivo como de la Tierra.
  • Construcción superficie planetaria  - Construcción de estructuras en la superficie planetaria
  • Corporación de Minas Planetoides
  • Depósito de propulsor  : alijo de propulsor que se coloca en órbita para permitir que la nave espacial se reabastezca de combustible en el espacio.
  • Acumulador de fluido propulsor
  • Compañía de energía Shackleton
  • Arquitectura espacial  - Arquitectura
  • Colonización espacial  : concepto de habitación humana permanente fuera de la Tierra
  • Visión para la exploración espacial  - plan de exploración espacial tripulado de EE. UU. De 2004

Referencias

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Otras lecturas

  • Conceptos de utilización de recursos para MoonMars ; Por Iris Fleischer, Olivia Haider, Morten W. Hansen, Robert Peckyno, Daniel Rosenberg y Robert E. Guinness; 30 de septiembre de 2003; IAC Bremen, 2003 (29 de septiembre - 3 de octubre de 2003) y MoonMars Workshop (26-28 de septiembre de 2003, Bremen). Consultado el 18 de enero de 2010.
  • Crawford, Ian A. (2015). "Recursos lunares: una revisión". Progreso en Geografía Física . 39 (2): 137-167. arXiv : 1410.6865 . Código Bibliográfico : 2015PrPG ... 39..137C . doi : 10.1177 / 0309133314567585 . S2CID  54904229 .

enlaces externos

  • Laboratorio de investigación ISRU del departamento de AA de la UW
  • Fabricación de células solares ISRU
  • ISRU en la Luna
  • Luna de hielo que Leo GEO Transferencias órdenes de magnitud menor costo para el propulsor de cohete si hielo lunar está presente
  • Ocupar los planetas con materiales locales
  • Rincon, Paul (22 de enero de 2013). "Nueva aventura 'para minar asteroides ' " . BBC News .
  • Capacidades de utilización de recursos in situ (ISRU) nasa.gov
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