CDT Vivir en la Luna y Marte significa vivir fuera de la Luna y Marte. Mientras se prepara el regreso de los astronautas a otros mundos, los ingenieros están ocupados tratando de construir con polvo lunar.
Fuente: Engineering and Technology
Los primeros humanos en vivir en la Luna y Marte tendrán su hogar en módulos de sustentación de vida construidos en la Tierra. Pero no se trata de llenar continuamente los cohetes con alimentos, cemento y otros consumibles para sustentar nuevas colonias humanas. Vivir en otros mundos depende de nuestra capacidad para vivir de esas tierras.
“El hábitat inicial debe construirse en la Tierra; es mucho más caro, pero es más seguro”, dice la Dra. Christiane Heinicke, quien dirige un equipo que diseña una base prefabricada para la Luna y Marte en la Universidad de Bremen. “A largo plazo, si enviamos a más personas allí y realmente queremos tener una presencia permanente, creo que tiene mucho más sentido usar materiales locales para construir el hábitat. […] En la superficie de la Luna y Marte tienes este regolito y tienes tanto que puedes usarlo para la construcción”.
El regolito lunar (polvo mineral y de vidrio generado por el bombardeo implacable de la superficie por la radiación y los meteoritos), es una de esas sustancias que pueden ser inmensamente irritantes. Las partículas están cargadas electrostáticamente (por lo que todo queda cubierto) y dentadas (por lo que limpiarlas provoca arañazos). Esto es con lo que tendremos que construir.
El trabajo sobre la utilización de recursos in situ (ISRU) ha estado en marcha desde la década de 1960, centrado principalmente en la extracción de agua y oxígeno. Dado lo lejos que estamos de los humanos que viven en otros mundos, por no hablar de la expansión de sus pequeñas casas prefabricadas, la construcción con regolito puede considerarse un problema para el futuro lejano. Sin embargo, la NASA y la ESA han estado explorando con entusiasmo ISRU para la construcción. Roscosmos de Rusia ha anunciado que apoyará sus misiones a largo plazo con estructuras impresas en 3D y, en 2019, la Administración Nacional del Espacio de China dijo que imprimirá en 3D una base en la Luna.
Fase preparatoria
El Dr. Advenit Makaya, ingeniero de fabricación avanzado de la ESA, advierte que estamos “en la fase preparatoria” de ISRU, en la que los investigadores están explorando enfoques lo más ampliamente posible para ver cuáles son los más prometedores. Sin embargo, reconoció que es posible que debamos comenzar a emplear ISRU para la construcción antes de lo esperado: “Sobre el papel, no se necesita una construcción de hormigón con regolito a corto plazo. Sin embargo, tiene dos problemas que deben resolverse relativamente pronto. El primero es la protección radiológica. Si se desea enviar personas a la Luna por períodos prolongados, debes protegerlos. La segunda es: ¿cómo diablos aterrizas una nave espacial relativamente grande en la Luna sin que se acumule polvo por todas partes? Una forma de evitar eso es hacer plataformas de aterrizaje, idealmente con recursos locales. Entonces, la construcción podría aparecer antes de lo que pensábamos.
Hay dos enfoques amplios para la construcción con regolito lunar: sinterización y unión. La sinterización implica calentar el regolito por debajo del punto de fusión, lo que hace que se formen enlaces a través de los límites de los granos para crear una pieza sólida de vidrio o cerámica.
A pesar de los estudios sobre conceptos de ciencia ficción espectaculares, incluidos rovers con láseres montados que sinterizan caminos marcianos mientras los humanos los siguen, los láseres probablemente tengan aplicaciones limitadas en la construcción a gran escala. “[Un láser] consume mucha energía y también el punto focal es muy pequeño”, explica Makaya. “Entonces, puedes hacer cosas pequeñas con una precisión muy alta, pero no puedes hacer cosas grandes porque lleva una eternidad. Los láseres serán útiles para cosas muy específicas”.
La luz solar concentrada es quizás el enfoque más elegante, ya que no requiere una fuente de energía adicional. Un artículo de 2020 en coautoría del astrónomo de la Universidad de Arizona, el profesor Roger Angel, imagina el uso de bloques sinterizados por el sol para construir una estructura similar a un Panteón en solo tres años con una longevidad similar, mientras que un laboratorio cerca de Colonia está cultivando ‘piedra artificial’ a partir de regolito utilizando un horno solar.
El enfoque más prometedor para la construcción basada en sinterización puede utilizar microondas; es posible derretir regolito lunar en un horno de microondas ordinario en minutos. Esto se ha demostrado con suelo lunar de la misión Apolo 17. Si bien el microondas no ha logrado producir ladrillos de construcción utilizables a partir del regolito, los investigadores han propuesto que podría ser un enfoque ideal para preparar cimientos, carreteras y plataformas de lanzamiento y aterrizaje en la Luna.
Hormigón Lunar
El otro enfoque para la construcción lunar es hacer una mezcla de hormigón a través de ISRU. Al igual que con el hormigón terrestre, los ingredientes básicos para el hormigón lunar, conocido como ‘mooncrete’ o ‘lunarcrete’, son agregados y cemento. El primero sería regolito y el segundo sería un desafío dados los escasos recursos hídricos de la Luna. Aún así, ¿no sería instructivo resolver este desafío para nosotros aquí en la Tierra a medida que agotamos nuestros recursos naturales?
Gran parte de la I+D en esta área se centra en el azufre (o, en Marte, el ácido fosfórico). El azufre podría extraerse de la troilita lunar y calentarse hasta el punto de fusión, 140°C, para unir el regolito, fraguando muy rápidamente en un sólido similar a una roca. Como hay poca o ninguna reacción química, no daría como resultado estrictamente el hormigón, y las propiedades son inferiores a las del hormigón terrestre.
Los científicos también están explorando aglutinantes biológicos, inspirados en el uso histórico de resina de árbol, almidón de papa, colágeno de pezuñas y sangre animal como aglutinantes. Investigadores de la Universidad de Manchester, por ejemplo, descubrieron que una proteína común en la sangre humana se puede mezclar con un regolito lunar simulado para producir hormigón con una resistencia a la compresión comparable al hormigón terrestre. Esto se debe a un proceso de cuajado o coagulación a través del cual las proteínas se entrelazan para formar una estructura extendida que mantiene unido el material.
El ingeniero Dr. Aled Roberts, que trabajó en el proyecto, explicó que será necesario utilizar todos los recursos disponibles en las misiones a la Luna y Marte. “Pensamos que podrías, ya sabes, potencialmente cultivar a los humanos. Así fue como sucedió”, dice, aunque aseguró que el derramamiento de sangre no es el futuro de la construcción espacial a gran escala.
“No creo que usar sangre humana sea factible en absoluto para una construcción significativa”, dice. “Podría haber algún tipo de aplicación de nicho. Tal vez en una emergencia necesites sellar algo y no tengas ningún aglutinante, para que puedas usar sangre humana”.
Impresión 3D
Este hormigón a base de sangre, como algunos otros concretos lunares propuestos, tiene potencial de impresión 3D. Los científicos esperan que la impresión 3D desempeñe un papel importante en la construcción espacial, especialmente dadas las limitaciones de la actividad humana y robótica en estos entornos extremos. Un estudio reciente de la ESA combinó un simulador de regolito lunar con un aglutinante líquido aplicado a lo largo de caminos predefinidos para convertir el material en un sólido ‘parecido a una piedra’, produciendo estructuras de celdas cerradas, que tienen el potencial de proteger a los astronautas de los rayos cósmicos y las erupciones solares.
Mientras tanto, ICON está desarrollando la primera impresora 3D a gran escala para aplicaciones espaciales para la NASA. La esperanza es que la impresora pueda extruir un hormigón a base de regolito para formar estructuras a escala de construcción.
Otros ingenieros están probando los límites del regolito para ver cuán poco aglutinante podemos usar sin que las estructuras se derrumben. “La gente está buscando diferentes aglutinantes producidos en el sitio a partir de desechos humanos”, dice el profesor Yu Qiao de la Universidad de California en San Diego. “Pero miras los materiales tradicionales que tienen entre un 15 y un 20 por ciento de aglomerante y, ya sabes… ¿cuánto puedes producir?”.
Qiao está explorando el hormigón con aglomerante ultrabajo: un campo de I+D también crítico para el futuro sostenible de la construcción en la Tierra. Él y sus colegas, trabajando con un simulador de regolito lunar, han demostrado que es posible producir una sustancia más fuerte que el hormigón reforzado con acero con solo un 4 por ciento de aglutinante combinado con un proceso de compactación. Lo que descubrió, al repetir el experimento con el regolito marciano, fue aún más extraordinario.
“Queríamos tomar prestada esta comprensión para el suelo marciano. Entonces, comenzamos a ejecutar la tarea usando el simulador de suelo marciano. Pusimos un aglomerante al 4 por ciento [un pegamento epóxico estándar] y funcionó perfectamente. ‘Wow’, dijimos, ‘genial’, luego nos dijimos ‘probemos el límite; reducámoslo al 3 por ciento’. Todavía funciona. ¿Dos porciento? Todavía funciona. ¿Uno porciento? ¡Todavía funciona! Entonces digo: ‘espera un minuto, algo es interesante. Esto no debería funcionar’”.
Qiao y sus colegas intentaron compactar el simulador nuevamente, esta vez sin aglutinante. Todavía formó un sólido. Su hipótesis es que la aplicación de presión hace que el hierro del regolito se rompa y deje superficies “casi atómicamente planas”. Cuando dos superficies muy lisas se juntan en el vacío, los átomos en contacto no “saben” que pertenecen a superficies diferentes y forman enlaces atómicos. Este fenómeno, la soldadura en frío, también se ha observado en la ISS. Por ahora, Qiao está esperando misiones en curso para refinar nuestra comprensión del regolito marciano para poder saber si se trata de una peculiaridad del simulador de regolito o de un fenómeno que podría permitir que las generaciones futuras construyan en Marte sin ningún tipo de aglutinante.
Economía circular (lunar)
Estamos a muchas décadas de sinterizar una civilización lunar, en parte porque la sinterización tiende a producir sólidos heterogéneos con propiedades claramente no concretas.
“Fueron fracasos”, dice el Dr. Milad Hamidi, científico de fabricación aditiva de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne, sobre estos enfoques. “No es tan prometedor porque primero estamos procesando un material que tiene oxígeno. Puedes usar oxígeno, pero tan pronto como pierdes este oxígeno, pierdes una gran parte [del regolito] y los óxidos son muy duros, muy quebradizos. Y, durante la eliminación del oxígeno, una gran parte del oxígeno intenta [eliminarse] del material fundido y durante la solidificación se forma mucha porosidad. Por lo general, estos son los puntos de origen de las fallas”.
Hamidi está liderando un proyecto en EPFL sobre la sinterización de regolito una vez que ha sido tratado para extraer oxígeno, lo que deja una mezcla metálica: una aleación. La esperanza es que estos subproductos puedan sinterizarse (específicamente usando fusión de lecho de polvo láser) para construir aplicaciones estructurales en la superficie lunar. Este enfoque podría crear materiales más homogéneos: “Puedes derretir estos elementos que están organizados al azar por todas partes y la heterogeneidad desaparece”.
El trabajo es complejo y altamente experimental, y los investigadores están luchando con una miríada de desafíos inesperados causados por el exasperante material, aunque Hamidi reporta resultados prometedores. El enfoque, que tiene una resolución muy alta, no sería adecuado como técnica de construcción, sino para fabricar pequeños elementos de carga, como manos robóticas desechables, así como para reparar in situ.
Diversos enfoques
La construcción en la Luna y Marte requerirá una variedad de enfoques: algunas partes usarán aglutinantes y otras partes se sinterizarán; habrá bloques de construcción a partir de los cuales enjambres de robots autónomos construirán estructuras, y habrá aplicaciones para la fabricación aditiva.
“Todavía no existe un súper material”, dice Hanna Läkk, experta en arquitectura espacial. “Es muy similar a la construcción en la Tierra. Sea lo que sea que vaya a construir, no habrá un material que se aplique a todo. Vas a construir en capas, diferentes funciones necesitan diferentes materiales, por lo que es necesario analizar estos diferentes métodos”.
ISRU ha estado en discusión desde la década de 1960, y desde la década de 1980 con respecto a la construcción, pero cada ola de interés pasada ha sido abortada por cambios en las prioridades de las agencias espaciales. Los investigadores tienen la esperanza de que esta ola actual pueda ser diferente: “En este momento, debido al espacio comercial, que es un factor que no estaba allí hace 20 años y en la era Apolo, existe la posibilidad de que las cosas sigan adelante [. ..] independientemente de los cambios políticos que pueda haber”, dice Makaya. “[El interés en ISRU] ha ido por oleadas, y esperamos que esta ola realmente dé frutos en términos de implementación”.
A través de su misión Artemis, la Nasa tiene como objetivo llevar astronautas a la Luna en los próximos años y establecer presencias permanentes en órbita y en la superficie, similares a los laboratorios de investigación del Ártico, como peldaños hacia Marte y más allá. En 2020, apareció en los titulares al anunciar que compraría regolito lunar a empresas mineras en la Luna para ISRU. Escribiendo en una publicación de blog, el entonces administrador de la NASA, Jim Bridenstine, dijo: “Sabemos que una política de apoyo con respecto a la recuperación y el uso de los recursos espaciales es importante para la creación de un entorno de inversión estable y predecible para los innovadores y empresarios del espacio comercial”.
En general, se ha interpretado que esto significa que la NASA espera aprovechar el éxito de la creciente economía espacial desde la órbita terrestre baja hasta la Luna. Entonces, ¿cómo sería la economía lunar?
“Creo que esto es una expresión de un ideal […] que existe la responsabilidad de extender el capitalismo y el llamado estilo de vida estadounidense a la Luna como contrapartida a lo que la gente vería como la expansión de la presencia de China”, dice Casey Dreier, principal defensor de The Planetary Society. “Pero en términos de los detalles de una economía lunar, nadie sabe realmente cómo se ve eso, porque si fuera obvio o sencillo, ya estaría sucediendo”.
La construcción y otras formas de ISRU, para oxígeno y agua, como necesidades para la supervivencia, son los lugares de partida obvios para los participantes esperanzados en la economía lunar. Sin embargo, Dreier opina que una economía lunar necesitaría más “arranque” que el sector espacial de órbita terrestre baja, ya que no existen oportunidades comerciales comparables centradas en el ser humano. Sin embargo, con su anuncio, la NASA espera alentar a los inversores imaginativos al garantizar un comprador principal para su cantera, retirando su presencia una vez que el sector de la construcción lunar esté prosperando, sin importar el tiempo que tarde.
“Lo cual, irónicamente, no es muy capitalista al final del día”, dice Dreier.
Materiales de hongos
Los materiales a base de hongos pueden tener una asombrosa variedad de propiedades; ya sea transparente y vaporoso, coriáceo o rocoso. Hanna Läkk, investigadora de Rhea System BV para la ESA, participó en un estudio que examina el potencial de los hongos para construir estructuras en el espacio.
“Si tienes un asentamiento allí, necesitas alimentar a los astronautas. Necesitarían cultivar su propia comida. Un subproducto de esto son los desechos orgánicos”, dice. “Podemos combinar los desechos orgánicos con hongos que traerías de la Tierra. Entonces, solo tendrías que traer un par de cultivos iniciadores de hongos y luego los cultivarías en la Luna”.
El concepto implicaría combinar la ‘raíz’ de los hongos (el micelio) con desechos orgánicos, vagamente comparables con el cemento y el agregado, respectivamente. A medida que el micelio crece a través de los desechos orgánicos, los une en un bloque sólido. Una vez que la estructura está completa, el hongo se mata con calor o frío extremos. Esto produce un material aislante e ignífugo comparable al corcho.
Aunque esto sigue siendo altamente experimental, hay muchas vías potenciales para llevar a cabo esta investigación. El sustrato de desechos orgánicos podría colocarse en moldes en forma de ladrillo o imprimirse en 3D, y también hay interés en investigar si el micelio podría usarse como aglutinante de regolito; esto usaría una mezcla de regolito y desechos orgánicos como agregado.
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