Concepción artística de una misión minera lunar. Fuente: Matt Olson
Uno de los desafíos más discutidos a medida que nuestra especie se embarca en la exploración espacial es obtener los recursos necesarios para la vida de la Tierra. Por lo general, se piensa en dos cosas: agua y oxígeno, pero afortunadamente el oxígeno se puede suministrar al dividir una molécula de agua, por lo que el recurso más crítico que podemos encontrar en el espacio es el agua.
Comúnmente conocida como “inestable” en el lenguaje de los recursos espaciales, el agua ha estado en el centro de muchos planes para explotar los recursos in situ en la Luna, Marte y otros lugares. Algunos de estos planes estaban bien pensados, otros no. Uno en particular se mostró prometedor cuando fue seleccionado para la financiación del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC) en 2019, y aquí lo analizamos más de cerca.
El concepto, publicado en un informe titulado “Minería térmica de hielos en cuerpos fríos del sistema solar”, pero denominado “minería térmica”, es una creación de George Sowers, un experto en recursos espaciales y profesor de ingeniería mecánica en la Escuela de Minas de Colorado. (CSM). . El concepto básico es sorprendentemente simple y familiar para cualquiera que haya jugado con una lupa cuando era niño.
Si diriges la luz del sol a un lugar específico usando un espejo gigante o alguna otra tecnología, ese lugar se calentará. Si calienta un área que contiene hielo y está en el vacío, el hielo se sublima en vapor de agua y comienza a liberarse de la superficie calentada. Luego, este vapor de agua se puede capturar utilizando una trampa fría o un mecanismo similar, y luego se puede recolectar el agua para usarla en actividades de exploración, como beber, respirar e incluso reabastecer de combustible a los cohetes.
Por lo tanto, la arquitectura del sistema básico de la idea de minería térmica es simple y consta de tres elementos principales. El primero es un gran espejo (conocido como heliostato) que dirige la luz solar a un área específica en otro mundo. El segundo es una carpa gigante que atrapa el agua sublimada y el tercero es un sistema de trampa/transporte frío que captura el agua que se escapa de la superficie.
Nada de esto es un gran salto tecnológico: no tenemos que desarrollar tecnologías sofisticadas para producir estos tres componentes. Sin embargo, nunca antes se habían usado de esta manera, por lo que vale la pena tomarse el tiempo para burlarse de ellos. Eso es lo que hicieron el Dr. Sowers y su equipo como parte de su informe NIAC.
Primero, buscaron lugares potenciales donde el sistema podría ser útil. En la parte superior aparecieron cuatro cuerpos sobrenaturales: Marte, donde se ha demostrado repetidamente la presencia de hielo de agua; Ceres, donde chorros de vapor de agua son expulsados de su superficie; y dos asteroides del cinturón principal, 24 Themis y 65 Cybele, que se cree que están cubiertos de hielo debido a su capacidad para reflejar la luz. Todos están ubicados en el sistema solar interior, lo que los convierte en objetivos relativamente fáciles para las misiones de exploración y explotación que utilizan esta técnica.
Pero el lugar que más promete comenzar a explotar los recursos de la humanidad en el espacio es la Luna. La segunda tarea del Dr. Sower y su equipo fue desarrollar una arquitectura para usar en las regiones permanentemente sombreadas de la luna, que se cree que contienen un gran porcentaje de los 600 mil millones de kg de agua de nuestro vecino más cercano.
La luna tiene algunas ventajas sobre asteroides como 24 Themis cuando se trata de esta técnica de minería térmica. Uno es suficiente gravedad para usar rovers estándar para transportar hielo a donde se necesita. Otro es la falta de una atmósfera que podría reducir la eficiencia de transferencia de energía solar térmica al sitio minero. Pero también está mucho más cerca.
Sin embargo, su proximidad no cambia la arquitectura general: los tres componentes principales siguen siendo necesarios sin importar dónde se encuentre el sitio minero. Por lo tanto, la tercera tarea del equipo del dr. Sower debía realizar pruebas de concepto de la arquitectura que desarrollaron.
Recolectaron regolito lunar de imitación y rasparon manualmente trozos de hielo, que luego convirtieron en bolas y mezclaron con el regolito. Colocaron una versión de esta mezcla, con concentraciones variables de hielo, en una cámara de vacío enfriada por un baño de nitrógeno líquido. Luego aplicaron una fuente de calor de una lámpara para imitar la luz solar redirigida, midieron la pérdida de peso resultante de la muestra y usaron esto para calcular cuánta agua se había sublimado.
Mientras realizaban estos experimentos, encontraron dos problemas interesantes: uno relacionado con la configuración de la prueba y el otro podría dificultar el uso real en la luna.
La configuración de la prueba de CSM era relativamente pequeña, con el sistema de enfriamiento de nitrógeno líquido relativamente cerca de la muestra que se iba a sublimar. Por lo tanto, la mayor parte del calor de la lámpara, que se suponía que calentaba la muestra, calentaba el nitrógeno líquido, que actuaba como un disipador de calor. En la luna, esto no sucedería, porque todo el cuerpo está tan frío que no hay material conductor de calor debajo de la muestra para absorber la mayor parte de la energía utilizada para calentar el agua. Como tal, CSM está construyendo una cámara de prueba más grande para tratar de limitar el impacto de este problema en sus experimentos.
Sin embargo, otro problema es más espinoso: después de un período de tiempo relativamente corto, el método de minería térmica creó una capa seca sobre el regolito, que actúa como una barrera térmica para el agua que puede quedar atrapada más profundamente. No solo llega menos calor a los niveles inferiores del regolito, sino que la capa seca se funde esencialmente en una barrera de vapor, lo que hace casi imposible que el agua se sublime en la tienda y se acumule en trampas frías.
Tales dificultades ciertamente no son insuperables, y quizás uno de los aspectos más importantes del informe muestra por qué realmente quieren superarlas: el caso comercial. El equipo del Dr. Sower estima que el costo total de desarrollo de una operación de minería térmica de tamaño razonable en Lunar PSR es de alrededor de $800 millones, con $613 millones adicionales en costos de productos. Esto también incluiría costos operativos de aproximadamente $80 millones por año.
Estos costos vienen con algunos beneficios bastante grandes, especialmente si ahorran el costo de transportar agua desde la Tierra a cualquier producción lunar temprana. Según los cálculos del informe, la tasa interna de retorno (TIR – una medida de la rentabilidad de un proyecto) rondaría el 8% si los operadores del sistema solo vendieran a fuentes comerciales (es decir, aquellas que intentan hacer otras actividades económicas) en la luna. ). Eso es un poco menos de lo que muchos financieros considerarían un grado de inversión, especialmente para un proyecto ciertamente arriesgado. Pero supongamos que la NASA u otras agencias espaciales nacionales se convierten en clientes que respaldan sus operaciones lunares. En este caso, la TIR salta a ~16%, mucho más cerca de donde los financieros podrían estar interesados.
El Dr. Sowers admite que el caso comercial es una de las partes más riesgosas de toda la propuesta, ya que requiere una demanda que actualmente no existe porque hay pocas o ninguna operación lunar que requiera agua. Gracias a las misiones Artemis de la NASA, eso cambiará en la próxima década, pero no está claro si generará suficiente demanda para que la tecnología sea económicamente viable.
También se multiplican otras amenazas, incluida la incertidumbre sobre la cantidad total y la ubicación del agua en la Luna. Sin duda, hay algunos en el PSR, pero puede ser que no estén lo suficientemente cerca de la superficie donde puedan ser cosechados por la minería térmica para sustentar la habitación humana a largo plazo, y el agua y otros “volátiles” necesitan ser transportados desde Ceres o de cualquier otro lugar del cinturón de asteroides. Si ese es el caso, todavía hay un argumento de que la técnica básica de minería térmica puede ser útil, simplemente podría no ser viable.
Por ahora, todo el sistema se encuentra solo en las etapas de planificación y la tecnología no parece haber recibido un NIAC de Fase II, y no está claro qué progreso se ha logrado en los últimos años. Sin embargo, la tecnología ha sido patentada y CSM la ofrece para su licencia en su sitio web de transferencia de tecnología. Y a medida que avanza la tecnología, la idea de minar la luna se volverá cada vez más atractiva. Por lo tanto, es muy probable que esta tecnología llegue a buen término, aunque tarde un tiempo.