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Nov 17, 2023

Futuras misiones a la Luna y Marte podrían producir oxígeno usando tecnología solar experimental

La tecnología aún no está lista, pero se está acercando. Luna y Marte futuros

La tecnología aún no está lista, pero se está acercando.

Las futuras misiones a la Luna y Marte podrían usar una combinación de alta tecnología de energía solar y reacciones químicas para producir oxígeno, e incluso combustible para cohetes, a partir del hielo lunar o el dióxido de carbono en la atmósfera marciana.

Piense en ello como una versión de alta tecnología de la fotosíntesis, el proceso que ayuda a las plantas a convertir la luz solar y el dióxido de carbono en energía química y oxígeno. Los ingenieros han estado trabajando en la tecnología, llamada células fotoelectroquímicas (PEC), durante años. En un estudio reciente, la investigadora de fotosíntesis de la Universidad de Warwick, Katharina Brinkert, y sus colegas calcularon los números y sugirieron que las células PEC podrían funcionar lo suficientemente bien como para ser útiles en la Luna y, eventualmente, en Marte.

El cráter Shackleton es una fuente potencial de hielo de agua para futuras misiones lunares. En esta imagen del Orbitador de Reconocimiento Lunar de la NASA, el lado cercano (que mira hacia la Tierra) de la Luna está a la derecha. En la elevación de color falso de la izquierda, el rojo es más alto y el azul es más bajo.

Las células PEC son tecnología de punta, pero el principio detrás de ellas es bastante simple. Primero, la luz del sol golpea un material llamado fotosensibilizador. Varios materiales diferentes pueden ser fotosensibilizadores; las plantas usan uno llamado clorofila, y algunos materiales utilizados en los semiconductores, un componente importante de los chips de computadora, también son fotosensibilizadores. El trabajo completo del fotosensibilizador es pasar la energía de la luz solar a otras moléculas a través de una reacción química.

Sin profundizar demasiado en la química, el resultado final es que la luz del Sol ayuda a desencadenar reacciones químicas que pueden descomponer las moléculas de agua en oxígeno (para respirar) e hidrógeno (para combustible de cohetes), o dióxido de carbono en oxígeno y carbono (para Todo tipo de cosas). Y Brinkert y sus colegas dicen que los futuros pobladores lunares podrían fabricar fotosintetizadores con materiales que ya están en la Luna.

Dividir el agua en sus átomos componentes no es una idea nueva, y ya existen varias tecnologías para hacer el trabajo, pero la mayoría de ellas son voluminosas, complejas y costosas. Los defensores de las células PEC dicen que son una alternativa compacta que podría ampliarse lo suficiente como para apoyar un asentamiento lunar.

A bordo de la Estación Espacial Internacional, o ISS, los paneles solares generan electricidad para todo a bordo, incluido el dispositivo que divide las moléculas de agua para producir oxígeno (dato curioso: parte del oxígeno que respiran los astronautas proviene de su propia orina reciclada). Pero en un dispositivo PEC, la luz del sol está directamente involucrada en la reacción química, no solo como una fuente de energía para otra pieza del equipo. Es menos eficiente que la configuración de la ISS, pero también es mucho más compacta e involucra menos partes móviles, lo que es una ventaja para cualquier equipo que pueda tener que volar a la Luna.

Los paneles solares de la Estación Espacial Internacional producen electricidad, que se utiliza en el proceso de división del agua a bordo. Esto es diferente de las células PEC, que convierten la luz solar directamente en energía química para la reacción.

Brinkert y sus colegas querían explorar si las células PEC podrían realmente ayudar a los futuros colonos lunares a convertir el hielo (como el suministro oculto en las sombras del cráter Shackleton cerca del polo sur de la Luna) en aire respirable e hidrógeno líquido. Una forma de probar eso podría haber sido colocar células PEC reales en un entorno construido para simular las condiciones en la Luna, desde la temperatura hasta la presencia de un fino polvo rocoso llamado regolito. Sin embargo, una forma más fácil de probarlo era poner las reacciones químicas que ocurren en una celda PEC en una serie de ecuaciones, que también incluían factores como la temperatura, la cantidad de luz solar que llegaría a las celdas y los efectos del regolito.

Los resultados parecen prometedores, según un artículo publicado en la revista Nature.

"Hemos demostrado que la aplicación de estos dispositivos podría ir más allá de la Tierra y contribuir potencialmente a la realización de la exploración espacial humana", escriben Brinkert y sus colegas.

Un gran desafío puede provenir de la complicada relación de la Luna con la Tierra. La Luna está bloqueada por mareas, lo que significa que gira una vez cada vez que orbita la Tierra, por lo que el mismo lado de la Luna siempre mira hacia el planeta. Eso significa que un día lunar dura aproximadamente un mes, y la mitad de ese mes se pasa en completa oscuridad.

En otras palabras, las células PEC deberán ser muy eficientes si van a generar suficiente oxígeno para mantener a los astronautas durante un mes en solo dos semanas. Y asegurarse de que estos dispositivos sean lo suficientemente eficientes a largo plazo es algo en lo que los ingenieros aquí en la Tierra todavía están trabajando.

Brinkert y sus colegas también dicen que mejores electrocatalizadores (las sustancias químicas que activan las reacciones químicas una vez que se exponen a la luz solar) podrían hacer que las células PEC sean más eficientes. Los revestimientos autolimpiantes para la superficie que absorbe la luz solar podrían evitar que el polvo se convierta en un problema, lo que será importante para futuras exploraciones de Marte.

En otras palabras, la tecnología tiene un potencial real, pero todavía está muy lejos de estar lista para que los astronautas apuesten sus vidas.