Uno de los desafíos más discutidos al iniciar el viaje de exploración espacial de nuestra especie es cómo obtener los recursos necesarios para la vida fuera de la Tierra. Por lo general, esto se considera como 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 llamado «volátil» en el lenguaje de los recursos espaciales, el agua ha sido el punto central de muchos planes para la utilización de recursos in situ en la Luna, Marte y otros lugares. Algunos de esos planes han sido bien pensados, otros no. Uno en particular mostró cierta promesa cuando fue seleccionado como parte de la financiación del Instituto de Conceptos Avanzados (NIAC) de la NASA en 2019, y aquí lo veremos más de cerca.
El concepto, conocido formalmente como «Minería térmica de hielos en cuerpos fríos del sistema solar», pero en lo sucesivo 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 subyacente 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 en particular usando un espejo gigante u otra tecnología, ese lugar se calentará. Si calienta un área que contiene hielo y está en el vacío, ese hielo se sublimará en vapor de agua y comenzará a liberarse de la superficie que se está calentando. Luego, ese 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 o incluso alimentar cohetes.
Entonces, la arquitectura básica del sistema de la idea de Minería Térmica es simple y consta de tres componentes principales. El primero es un gran espejo (conocido como heliostato) para dirigir la luz solar a un área particular en otro mundo. El segundo es una carpa gigante que captura el agua sublimada, y el tercero es un sistema de trampa/transporte frío que capturará el agua a medida que escapa de la superficie.
Nada de esto es un gran salto tecnológico: no necesitamos desarrollar tecnologías sofisticadas para fabricar esos tres componentes. Sin embargo, nunca antes se les había dado este uso, por lo que vale la pena quitarles el riesgo. Eso es precisamente 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. Cuatro cuerpos de otro mundo salieron a la superficie: Marte, donde se ha demostrado repetidamente la presencia de hielo de agua; Ceres, donde se expulsan chorros de vapor de agua de su superficie; y dos asteroides del cinturón principal: 24 Themis y 65 Cybele, de los cuales se cree que ambos están cubiertos de hielo debido a su reflectividad. Todos están en el sistema solar interior, lo que los convierte en objetivos relativamente fáciles para las misiones de exploración y explotación de recursos que utilizan esta técnica.
Pero el lugar más prometedor para poner en marcha la utilización de 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 en nuestro vecino más cercano.
La Luna tiene algunas ventajas sobre asteroides como 24 Themis para esta técnica de minería térmica. Una es que hay suficiente gravedad para usar rovers estándar para transportar el hielo a donde se necesita. Otro es la falta de una atmósfera que podría disminuir la efectividad de transferir energía solar térmica al sitio minero. Pero también, es simplemente 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. Como tal, la tercera tarea del equipo del Dr. Sower fue realizar algunas pruebas de concepto de la arquitectura que desarrollaron.
Recolectaron un simulador de regolito lunar y cortaron manualmente astillas de hielo que luego convirtieron en bolas y mezclaron con el regolito. Pusieron una versión de esta mezcla, con diferentes concentraciones de hielo, en una cámara de vacío que se enfrió con un baño de nitrógeno líquido. Luego, aplicaron una fuente de calor de una lámpara destinada a imitar la luz solar redirigida y midieron la pérdida de peso resultante de la muestra, y la usaron para calcular cuánta agua se había sublimado.
Mientras realizaban estos experimentos, se encontraron con dos problemas interesantes: uno tenía que ver con su configuración de prueba, pero otro podría dificultar el uso real en la Luna.
La configuración de prueba de CSM fue relativamente pequeña, con el sistema de enfriamiento de nitrógeno líquido relativamente cerca de la muestra que se suponía que se sublimaría. Como tal, gran 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, ya que todo el cuerpo está tan frío que no hay material térmicamente conductor debajo de la muestra que absorba la mayor parte de la energía destinada a calentar el agua. Y como tal, CSM está construyendo una cámara de prueba más grande para tratar de limitar el efecto que este problema tuvo en sus experimentos.
Crédito: canal de YouTube de Robert Black
Sin embargo, el otro problema es más espinoso: después de un tiempo relativamente corto, el método de minería térmica creó una capa desecada en la parte superior del regolito que actúa como una barrera térmica para el agua que podría quedar atrapada más abajo. No solo llega menos calor a los niveles inferiores del regolito, sino que la capa desecada 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 las trampas frías.
Tales dificultades ciertamente no son insuperables, y podría decirse que uno de los aspectos más importantes del informe muestra por qué les importa superarlas: el caso comercial. El equipo del Dr. Sower estima que el costo total de desarrollo para una operación de minería térmica de tamaño razonable en las PSR de la Luna es de alrededor de $800 millones, con $613 millones adicionales en costos de productos. También incluiría un costo operativo de alrededor de $ 80 millones anuales.
Esos costos vienen con algunos beneficios bastante importantes, especialmente si ahorra el costo de enviar agua fuera de la Tierra a cualquier salida lunar temprana. Según los cálculos del informe, la Tasa Interna de Retorno (TIR, una medida de cuán rentable es un proyecto) sería de un 8 % estimado si los operadores del sistema estuvieran vendiendo únicamente a fuentes comerciales (es decir, aquellas que intentan realizar otras actividades económicas en la Luna). Eso es un poco más bajo de lo que muchos financieros considerarían grado de inversión, especialmente para un proyecto ciertamente arriesgado. Sin embargo, supongamos que la NASA u otras agencias espaciales nacionales se convierten en clientes para respaldar sus operaciones lunares. En ese caso, la TIR salta hasta ~16%, significativamente 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 la propuesta general, ya que requiere demanda, que actualmente no existe ya que hay pocas o ninguna operación en la Luna que requiera agua. Con 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 abundan otros riesgos, incluida la incertidumbre sobre la cantidad total y la ubicación del agua en la Luna. Indudablemente, hay algunos en los PSR, pero podría ser que no haya suficiente cerca de la superficie, donde se pueda recolectar mediante minería térmica, para sustentar la habitación humana a largo plazo, y el agua y otros «volátiles» deben enviarse desde Ceres o desde cualquier otro lugar en el cinturón de asteroides. Si ese es el caso, todavía hay un argumento de que la técnica subyacente de Minería Térmica podría ser útil, simplemente podría no ser rentable.
Por ahora, todo el sistema está solo en la fase de planificación, y no parece que la tecnología haya 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 la tecnología avance en general, la idea de minar la Luna se volverá cada vez más atractiva. Por lo tanto, existe una buena posibilidad de que esta tecnología eventualmente llegue a buen término, incluso si puede llevar un tiempo.
Aprende más:
Sembrador – Minería Térmica de Hielos en Cuerpos Fríos del Sistema Solar
UT – ¿Qué es la minería lunar?
UT – Minería de agua y metal de la luna al mismo tiempo
UT – La Luna tiene recursos, pero no los suficientes para dar la vuelta
Imagen principal:
Concepto artístico de una misión minera termal lunar.
Crédito – Matt Olson
