Para explorar el espacio, los científicos quieren convertir la Luna en una estación de servicio
El uso del hielo lunar para fabricar combustible para cohetes podría ayudar a que las futuras colonias lunares se mantengan por sí mismas y proporcionar una plataforma de lanzamiento para que los astronautas lleguen a Marte.
El agua será un recurso extremadamente importante en la Luna para la hidratación de los astronautas, el cultivo de alimentos y, potencialmente, la fabricación de combustible para cohetes. Algunos de los lugares más prometedores donde podríamos encontrar agua son los cráteres permanentemente en sombra de la superficie lunar.
De una forma u otra, los humanos volverán a la Luna. Y esta vez se quedarán: tanto Estados Unidos como China planean construir sus propias bases en el polo sur lunar. Esa ubicación no es aleatoria; se cree que contiene reservas de agua, ya sea en forma de hielo, agua enterrada o ambas cosas. Esas reservas podrían utilizarse para hidratar a los astronautas, cultivar y fabricar combustible para cohetes.
Esta última aplicación puede parecer sorprendente, pero la química es bastante básica. El agua está compuesta por hidrógeno y oxígeno. Cuando se licuan, ambos elementos pueden inflamarse y utilizarse para propulsar naves espaciales de forma muy eficaz.
Si esta alquimia funciona en el satélite terrestre, el polo sur lunar se convertiría en algo más que un simple puesto de investigación científica. Se convertiría en un depósito de combustible, capaz de fabricar su propio propelente en lugar de tener que enviarlo desde la Tierra a un alto costo. Y eso facilitaría considerablemente el viaje a Marte.
“Las ventajas de disponer de propelente en abundancia producido en la superficie lunar son enormes”, subraya George Sowers, ingeniero mecánico de la Escuela de Minas de Colorado. “El agua es el petróleo del espacio”.
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Ninguna de las tecnologías necesarias para convertir el agua en combustible proviene de la ciencia ficción; todas ellas ya existen de una forma u otra, pero solo se han utilizado adecuadamente en la Tierra. La baja gravedad y la naturaleza extrema del polo sur lunar son un entorno muy diferente al de nuestro planeta. “No tenemos ni idea de si funcionará en estas condiciones”, reconoce Paul Zabel, investigador del Instituto de Sistemas Espaciales del DLR en Bremen, Alemania. Y solo hay una forma de averiguarlo.
El primer paso es buscar agua en la Luna
El primer paso será averiguar dónde se esconde el agua de la Luna. Los astronautas aún no han explorado el polo sur lunar y, aunque las pruebas obtenidas por las sondas orbitales de la NASA y la agencia espacial india han determinado que contiene agua, es posible que no sea abundante.
Cuando le da la luz del sol, la superficie lunar puede alcanzar los 120 °C, mientras que en la oscuridad puede descender hasta los -250 °C. Incluso en las zonas especialmente frías de la Luna, el hielo se vaporiza y se escapa al espacio, ya que no hay atmósfera que lo mantenga en la superficie.
Algunos de los sitios más prometedores se conocen como regiones permanentemente sombreadas, partes de la superficie lunar (a menudo cráteres profundos y escarpados) que nunca están expuestas a la luz solar y son algunos de los lugares más fríos del universo. Estas áreas “son la mejor oportunidad para encontrar grandes cantidades de agua que realmente se puedan utilizar como recurso”, exokuca Julie Stopar, científica sénior del Instituto Lunar y Planetario.
Pero no hay que esperar encontrar glaciares en esos abismos oscuros. “El agua no está realmente allí en forma de pista de hielo. Está mezclada con el suelo”, explica Stopar. “Hay algunos indicios de escarcha en la superficie, pero no se trata de un volumen muy grande”.
Incluso si esos cráteres de oscuridad perpetua estuvieran repletos de agua, serían lugares muy peligrosos para que los astronautas los exploraran, incluso con rovers lunares de alta tecnología que transportaran su equipo científico y minero. “Es cuestionable si podemos entrar allí con un rover”, afirma Zabel.
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Cómo los científicos planean extraer agua de la Luna
Sin embargo, si el agua del suelo lunar es accesible y abundante, entonces se puede extraer. Los ingenieros han propuesto múltiples formas de lograrlo, la mayoría de las cuales implican calentar la roca para expulsar el agua atrapada en ella.
“Si hay suficiente hielo cerca de la superficie, se puede aplicar calor directamente a la superficie y capturar el vapor bajo una cúpula llamada tienda de captura”, explica Sowers. A continuación, el vapor se recoge en un recipiente frío llamado trampa de frío, donde se convierte en hielo utilizable.
A pesar de ser uno de los lugares más helado del cosmos, la superficie de la Luna podría tener algún día múltiples fuentes de calor. La luz solar reflejada es una opción. Por otra parte, tanto Estados Unidos como China también planean instalar reactores nucleares en la Luna para no depender de la energía solar (que puede ser algo inestable en el polo sur lunar) para mantener sus bases. Las reacciones de fisión que dividirían los átomos para alimentar esas plantas también producen un exceso de calor que podría aprovecharse para la extracción de agua.
En los últimos años, las agencias espaciales y los socios industriales han ideado diferentes formas de utilizar el calor para recuperar el hielo lunar. Una de las propuestas consistiría en utilizar un motor cohete, atrapado bajo una cúpula presurizada, para excavar cráteres más profundos y extraer más agua que con otros métodos. Aunque se centra más en Marte, la NASA también tiene su propio concepto de “polvo a empuje”, en el que robots autónomos excavarían suelo extraterrestre, lo transportarían a una planta de procesamiento y lo calentarían con hornos para eliminar el agua.
Una de las tecnologías de extracción de agua más prometedoras es cortesía de un proyecto de la Agencia Espacial Europea llamado LUWEX (abreviatura de Lunar Water Extraction, extracción de agua lunar), y ya existe un prototipo funcional. Tanto los robots mineros autónomos como los astronautas verterían el suelo helado en la boca del artilugio. Zabel, director del proyecto LUWEX, explica que calentar las rocas lunares congeladas es bastante difícil, debido a la falta de atmósfera en la Luna y a las temperaturas superficiales, que ya de por sí son alarmantemente bajas. Por eso, el crisol de LUWEX remueve y gira el suelo lunar, lo que lo calienta de forma más eficiente y elimina el hielo.
A partir de ahí, una trampa fría captura el agua liberada y la transfiere a un licuador, lista para ser utilizada. Bueno, casi lista: en esta etapa, el agua todavía está contaminada por partículas extremadamente finas y vidriosas de polvo lunar. “Tiene una apariencia lechosa, como leche gris”, dice Zabel. Afortunadamente, los ingenieros que trabajan en el proyecto también han diseñado un purificador que parece hacer maravillas. “Hemos logrado obtener agua potable”.
Otro robot diseñado por la NASA llamado RASSOR (abreviatura de Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) fue el precursor del modelo ISRU.
La NASA está desarrollando su excavadora piloto ISRU (que se muestra aquí en un contenedor de regolito o suelo lunar simulado) para extraer agua y otros recursos de la Luna. El robot autónomo puede funcionar tanto como excavadora como camión volquete.
El último paso para convertir el agua en combustible
Por último, el agua debe dividirse en hidrógeno y oxígeno mediante un proceso conocido como electrólisis, en el que las corrientes eléctricas rompen esencialmente los enlaces moleculares entre estos dos elementos.
Existen múltiples versiones de este proceso que funcionan en la Tierra. En el espacio se han realizado menos demostraciones de esta tecnología, pero varios laboratorios la han probado en vacíos superfríos, una simulación de la superficie lunar. Y el experimento MOXIE del rover Perseverance de la NASA demostró que se puede utilizar la electrólisis para separar el oxígeno respirable del dióxido de carbono tóxico en Marte.
Pero ni siquiera el agua potable es lo suficientemente buena como para dividirse eléctricamente en hidrógeno y oxígeno; todavía contiene demasiadas impurezas químicas como para producir un combustible limpio. En el caso de LUWEX, “necesitaríamos añadir otro paso de purificación”, señala Zabel. Señala que en la Tierra son habituales las tecnologías de purificación de agua extremadamente eficaces. “Solo hay que transformarlas en tecnología para el espacio”.
Entonces, cuando se tiene agua cristalina, se puede extraer el hidrógeno y el oxígeno gaseosos mediante descargas eléctricas. “Finalmente, los gases se licuan y se almacenan como propulsores de hidrógeno líquido y oxígeno líquido”, explica Sowers.
Zabel espera que, en unos años, LUWEX llegue al polo sur lunar. “Sería estupendo producir un litro de agua en la Luna como demostración tecnológica”, comenta.
El gas barato puede impulsar la próxima carrera espacial
Todavía estamos muy lejos de tener lo que serían efectivamente gasolineras en el polo sur lunar. Pero si la carrera espacial entre China y Estados Unidos se recrudece, como se espera, el rápido desarrollo tecnológico no se hará esperar.
“Hay mucha ingeniería excelente y muchas ideas geniales”, sostiene Stopar. “Alguien tiene que dar el primer paso”.
Cuando se establezcan las primeras bases lunares y los astronautas pasen allí más de unos pocos días o semanas, la mayor parte de lo que necesitarán para sobrevivir se enviará desde la Tierra. Pero con el tiempo, estas bases tendrán que ser autosuficientes, ya que lanzar cualquier cosa desde la Tierra cuesta una enorme cantidad de dinero, debido a la fuerte atracción gravitatoria de nuestro planeta y a la necesidad de utilizar grandes cantidades de combustible para cohetes para escapar de ella.
Sin embargo, la Luna tiene una gravedad baja y no hay atmósfera que atravesar. Por lo tanto, lanzar cohetes desde allí es más fácil y barato que lanzar cualquier cosa desde la Tierra.
¿Por qué no utilizar el polo sur lunar como base para la futura exploración del Sistema Solar? En gran parte porque esto requeriría considerablemente menos combustible en general: “El costo de una sola misión tripulada a Marte se puede reducir en 12 000 millones de dólares utilizando propulsante lunar”, afirma Sowers.
Y no solo los cohetes utilizarían este propelente fabricado a partir del agua. Se podría "incorporarlo en celdas de combustible para impulsar rovers", dice Zabel. Se podría usar para alimentar maquinaria que consume mucha más energía y que no puede alimentarse de forma fiable con células solares ni de forma segura con reactores de fisión nuclear.
Y lo que funcione en la Luna probablemente también funcionará en otros lugares. Convertir la superficie lunar en un entorno autosuficiente será útil. Pero para que los astronautas puedan permanecer en el Planeta Rojo, este tipo de sistema será esencial. “Toda la arquitectura de la Luna a Marte depende en parte de que se demuestre su viabilidad en la superficie lunar”, explica Stopar.
Pero incluso si fuera posible fabricar agua potable y, a su vez, combustible para cohetes en la Luna, quedaría un problema bastante delicado sin una solución clara. “Los recursos no son infinitos”, recuerda Zabel. Es fácil imaginar una situación en la que China y Estados Unidos compitieran por encontrar y extraer esa agua tan valiosa antes que el otro, en el mismo rincón estrecho de la Luna.
“Podría haber un conflicto en algún momento”, concluye el investigador.
