Utilización de recursos in situ

En el contexto de la utilización de recursos in situ (ISRU, por sus siglas en inglés), el agua se busca con mayor frecuencia directamente como combustible o como materia prima para su producción. Sus aplicaciones incluyen el soporte vital, ya sea para consumo humano, cultivo de alimentos , producción de oxígeno o numerosos procesos industriales, todos los cuales requieren un suministro constante de agua en el medio ambiente y el equipo necesario para su extracción. Se ha descubierto agua extraterrestre en diversas formas a lo largo del Sistema Solar , y se han investigado varias tecnologías potenciales para su extracción. Para el agua químicamente ligada al regolito , al hielo sólido o a algún tipo de permafrost, se puede recuperar mediante un calentamiento suficiente. Sin embargo, esto no es tan sencillo como parece, ya que el hielo y el permafrost suelen ser más duros que la roca, lo que requiere laboriosas operaciones mineras. Donde existe cierta 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 mantenidos calientes por el calor geológico latente de Marte, que se pueden aprovechar para proporcionar tanto agua como energía geotérmica.

Se ha propuesto la producción de propulsor para cohetes desde la superficie lunar mediante el procesamiento de hielo de agua detectado en los polos . Las dificultades probables incluyen trabajar a temperaturas extremadamente bajas y la extracción de agua del regolito . La mayoría de los sistemas electrolizan el agua para producir hidrógeno y oxígeno y los almacenan criogénicamente en estado líquido. Esto requiere grandes cantidades de equipo y energía. Como alternativa, podría ser posible calentar agua en un cohete nuclear o termosolar , ^{[ 5 ]} que podría transportar una gran masa desde la Luna a la órbita terrestre baja (LEO) a pesar del impulso específico mucho menor , para una cantidad dada de equipo. ^{[ 6 ]}

El peróxido de hidrógeno monopropelente ( H₂O₂ ₎ se puede obtener a partir de agua en Marte y la Luna ^{. [} ₇ ^]

Se ha propuesto el uso de aluminio y otros metales como propulsor de cohetes fabricados con recursos lunares, ^{[ 8 ]} y las propuestas incluyen la reacción del aluminio con agua. ^{[ 9 ]}

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).₄ ) y oxígeno líquido (O₂₎procedente delhielo de agua subsuperficialydel CO₂₂ . ^{[ 10 ]}

Históricamente, el oxígeno ha sido uno de los principales objetivos de extracción al considerar ISRU espacial ^{[ 11 ]} . La principal fuente de oxígeno en el espacio es el regolito planetario que, cuando se reduce químicamente para extraer oxígeno, también produce metales como subproducto ^{[ 12 ]} . Poco antes del anuncio del programa Artemis por parte de la NASA, el estudio de procesos dirigidos específicamente a la extracción de metales comenzó a volverse más frecuente ^{[ 13 ]} . Se han sugerido muchos casos de uso para metales extraídos de recursos extraterrestres, incluyendo como materiales de construcción ( Si , Al , Fe , Mg , Ti , Mn , Cr ) ^{[ 14 ]} , combustible sólido para cohetes (Al, Mg) ^{[ 15 ]} , almacenamiento de energía ( K , Na , Mn, Ti, Mg, Fe, Al, Si) ^{[ 16 ]} , y fluidos térmicos y refrigerantes ( NaK ) ^{[ 17 ]} .

Muchos de los procesos que se han investigado para la extracción de metales en el espacio son rutas de procesamiento ya establecidas en la Tierra, con la excepción de que los diseños preparados para el espacio deben tener en cuenta las condiciones significativamente diferentes que se encuentran en el espacio, incluyendo la gravedad , la presión , las condiciones de radiación , los problemas de la cadena de suministro, la disponibilidad de agua y la necesidad de automatización / operación remota ^{[ 12 ]} .

Desde hace 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 principales necesarios para la producción de células solares, se encuentran en altas concentraciones en el suelo lunar y pueden utilizarse para producirlas. ^{[ 18 ]} De hecho, el vacío natural de la superficie lunar proporciona un entorno excelente para la deposición directa al vacío de materiales de película delgada para células solares. ^{[ 19 ]}

Los paneles solares producidos en la superficie lunar pueden utilizarse para dar soporte a las operaciones en la superficie lunar, así como a los satélites en órbita. Si bien la producción lunar puede resultar más rentable que la producción y el transporte desde la Tierra, esta decisión depende en gran medida de la ubicación de la aplicación específica.

Otra posible aplicación de los paneles solares derivados de la Luna es el suministro de energía a la Tierra. En su forma original, conocida como satélite de energía solar , la propuesta se concibió 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 mediante haces de microondas. ^{[ 20 ]} A pesar de los numerosos estudios sobre el coste de tal proyecto, la incertidumbre radicaba en el coste 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, estudios que emplean suelo marciano artificial mezclado con resina epoxi y tetraetoxisilano , producen valores suficientemente altos de parámetros de resistencia, durabilidad y flexibilidad. ^{[ 21 ]}

La minería de asteroides también podría implicar la extracción de metales para materiales de construcción en el espacio, lo que podría ser más rentable que traer dicho material desde el profundo pozo gravitatorio de la Tierra , o el de cualquier otro cuerpo celeste de gran tamaño como la Luna o Marte . Los asteroides metálicos contienen enormes cantidades de metales siderófilos , incluidos metales preciosos .

La investigación ISRU para Marte se centra principalmente en proporcionar propulsor para cohetes para un viaje de regreso a la Tierra —ya sea para una misión tripulada o de retorno de muestras— o para su uso como combustible en Marte. Muchas de las técnicas propuestas utilizan la atmósfera bien caracterizada de Marte como materia prima. ^{[ 22 ]} Dado que esto se puede simular en la Tierra, estas propuestas son relativamente sencillas de implementar, aunque no es seguro que la NASA o la ESA prefieran este enfoque a una misión directa más convencional. ^{[ 23 ]}

Una propuesta típica para ISRU es el uso de una reacción de Sabatier _, CO₂ + _4H₂ → CH₄ ₊ 2H₂O _, para producir metano en la superficie marciana, que se utilizará como propulsor. El oxígeno se libera del agua por electrólisis y el hidrógeno se recicla de nuevo en 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; solo se pensaba que el hidrógeno (que es ligero) debía ser traído de la Tierra. ^{[ 24 ]}

A partir de 2018SpaceX ha declarado su objetivo de desarrollar la tecnología para una planta de propulsión en Marte que podría utilizar una variación de lo descrito en el párrafo anterior. En lugar de transportar hidrógeno desde la Tierra para usarlo 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 posteriores a Sabatier, y luego usarlo como propulsor para los vuelos de regreso de su Starship no antes de 2023. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Hasta 2023, SpaceX no ha producido ni publicado ningún diseño ni especificación para ninguna tecnología ISRU. ^{[ 27 ]}

Una reacción similar propuesta para Marte es la reacción inversa de desplazamiento del gas de agua , CO₂ + H₂ _→ CO + H₂O _. Esta reacción se produce rápidamente en presencia de un catalizador _de hierro-cromo a 400  °C, ^{[ 28 ]} y ha sido implementada en un banco de pruebas terrestre por la NASA. ^{[ 29 ]} Nuevamente, el hidrógeno se recicla del agua mediante electrólisis , y la reacción solo requiere una pequeña cantidad de hidrógeno de la Tierra. El resultado neto de esta reacción es la producción de oxígeno, que se utiliza como componente oxidante del combustible para cohetes.

Otra reacción propuesta para la producción de oxígeno y combustible ^{[ 30 ]} es la electrólisis del dióxido de carbono atmosférico,

${\displaystyle {\ce {{\overset {atmospheric \atop {carbon\ dióxido}}{2CO2}}->[{\text{energía}}]{2CO}+O2}}}$^{[ 31 ]}

También se ha propuesto la producción in situ de oxígeno, hidrógeno y CO a partir de los depósitos de hematita marciana mediante un proceso termoquímico de división de CO₂/H₂O en dos etapas, y específicamente en el _ciclo redox magnetita _/ wüstita . [ 32 ] ^{Aunque la termólisis} es el proceso más directo de una sola etapa para dividir moléculas, no es ni práctico ni eficiente en el caso de H₂O _o CO₂ _. Esto se debe a que el proceso requiere una temperatura muy alta (> 2500  °C) para lograr una fracción de disociación útil. ^{[ 33 ]} Esto plantea problemas en la búsqueda de materiales adecuados para el reactor, pérdidas debido a la recombinación vigorosa del producto y pérdidas excesivas de radiación de apertura cuando se utiliza calor solar concentrado. El ciclo redox magnetita/wüstita fue propuesto por primera vez para la aplicación solar en la Tierra por Nakamura, ^{[ 34 ]} y fue uno de los primeros utilizados para la división de agua en dos etapas impulsada por energía solar . En este ciclo, el agua reacciona con la wustita (FeO) para formar magnetita (Fe₃O₄ _{) e hidrógeno} . Las reacciones resumidas en este proceso de división en dos etapas son las siguientes:

${\displaystyle {\ce {Fe3O4->[{\text{energía}}]{3FeO}+\overbrace {1/2O2} ^{\underset {(\operatorname {subproducto} )}{oxígeno}}}}}$

y el FeO obtenido se utiliza para la división térmica del agua o del 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 produce una reducción sustancial en el aporte térmico de energía en comparación con el proceso más directo de un solo paso para la división de moléculas. ^{[ 35 ]}

Sin embargo, el proceso requiere wüstita (FeO) para iniciar el ciclo, pero en Marte no hay wüstita o al menos no en cantidades significativas. No obstante, la wüstita se puede obtener fácilmente mediante la reducción de hematita (Fe₂O₃ ) _{, un} material abundante en Marte, siendo especialmente notables los importantes depósitos de hematita ubicados en Terra Meridiani . ^{[ 36 ]} El uso de la wüstita a partir de la hematita, abundante en Marte, es un proceso industrial bien conocido en la Tierra y se lleva a cabo mediante las siguientes dos reacciones de reducción principales:

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 para 2001 ^tenía como objetivo demostrar la producción de oxígeno a partir de la atmósfera de Marte [ ^{37 ]} 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 ^{[ 38 ]} . La misión del rover Mars 2020 incluyó un demostrador de tecnología ISRU (el Experimento ISRU de Oxígeno de Marte ) que extrajo CO₂ _de la atmósfera y produjo con éxito 5,37 gramos de O₂ _en una hora ^{[ 39 ] .}

Se ha sugerido que los edificios en Marte podrían construirse con basalto, ya que posee buenas propiedades aislantes. Una estructura subterránea de este tipo podría proteger a las formas de vida de la exposición a la radiación. ^{[ 40 ]}

Todos los recursos necesarios para fabricar plásticos existen en Marte. ^{[ 41 ] [ 42 ]} Muchas de estas reacciones complejas pueden completarse a partir de los gases extraídos de la atmósfera marciana. Se sabe que existen trazas de oxígeno libre, monóxido de carbono, agua y metano. ^{[ 43 ] [ 44 ]} El hidrógeno y el oxígeno pueden producirse 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 bloques de construcción para series de reacciones más complejas que pueden fabricar plásticos. El etileno se utiliza para fabricar plásticos como el polietileno y el polipropileno y puede producirse a partir de monóxido de carbono e hidrógeno: ^{[ 45 ]}

2CO + 4H ₂ → C ₂ H ₄ + 2H ₂ O .

La Luna posee abundantes materias primas potencialmente relevantes para una jerarquía de aplicaciones futuras, comenzando con el uso de materiales lunares para facilitar las actividades humanas en la propia Luna y progresando hasta el uso de recursos lunares para sustentar una futura capacidad industrial dentro del sistema Tierra-Luna. ^{[ 46 ]} Los recursos naturales incluyen energía solar, oxígeno, agua, hidrógeno y metales. ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

La anortita, un material de las tierras altas lunares, puede utilizarse como mineral de aluminio . Las fundiciones pueden producir aluminio puro, calcio metálico, oxígeno y vidrio de sílice a partir de la anortita. La anortita en bruto también es adecuada para la fabricación de fibra de vidrio y otros productos de vidrio y cerámica. ^{[ 50 ]} Una técnica de procesamiento particular consiste en utilizar flúor traído de la Tierra en forma de fluoruro de potasio para separar las materias primas de las rocas lunares. ^{[ 51 ]}

Se han propuesto más de veinte métodos diferentes para la extracción de oxígeno del regolito lunar. ^{[ 8 ]} El oxígeno se encuentra frecuentemente 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 + H₂ _→ Fe + H₂O _. Este proceso se ha vuelto mucho más práctico recientemente gracias al descubrimiento de cantidades significativas de regolito que contiene hidrógeno cerca de los polos de la Luna por la nave espacial Clementine . ^{[ 52 ]}

Los materiales lunares también pueden utilizarse como material de construcción general, ^{[ 53 ]} mediante técnicas de procesamiento como la sinterización , el prensado en caliente, la licuefacción 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. ^{[ 54 ]} El vidrio y la fibra de vidrio son fáciles de procesar en la Luna y Marte. ^{[ 50 ]} 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 . ^{[ 55 ]} 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 . ^{[ 56 ] [ 57 ]}

Otras propuestas ^{[ 58 ]} se basan en Fobos y Deimos . Estas lunas están 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 desde la Luna.

Ceres está más lejos que Marte, con un delta-v mayor, pero las ventanas de lanzamiento y los tiempos de viaje son mejores, y la gravedad superficial es de solo 0,028 g, con una velocidad de escape muy baja de 510  m/s. Los investigadores han especulado que la configuración interna de Ceres incluye un manto rico en hielo de agua sobre un núcleo rocoso. ^{[ 59 ]}

Los asteroides cercanos a la Tierra y los cuerpos del cinturón de asteroides también podrían ser fuentes de materias primas para la utilización de recursos in situ (ISRU).

Se han presentado propuestas para la "extracción" de gases para la propulsión de cohetes , utilizando lo que se denomina 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 planetas gigantes exteriores mediante satélites acumuladores de fluido propulsor en órbita baja. ^{[ 60 ]}