¿Viviremos en Marte? El Perseverance lo está haciendo posible

¿Viviremos en Marte? El Perseverance lo está haciendo posible
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Supongamos que usted quiere pasar una temporada en Marte. Para ello, de entrada, necesitará disponer de oxígeno, agua y alimentos.

Se puede llevar todo ello de casa. Pero lo cierto es que lo que hay en Marte le puede ayudar a conseguirlo allí.

Mucho mejor, ¿no? Al fin y al cabo qué otra cosa podría superar a conseguir ‘vivir de la tierra’ en Marte : )

Sobre la cuestión de los alimentos: usted puede intentar cultivar plantas. Para ello requerirá dióxido de carbono (CO2), luz solar y nutrientes. Y las tres cosas las puede encontrar en Marte.

De CO2 dispone en abundancia. El 95% de la atmósfera marciana es CO2.

Luz solar en el espectro visible (la que utilizan las plantas), también tiene. En cuanto a los altos niveles de radiación, usted ya ha aprendido a protegerse de ellos gracias a los datos suministrados por la nave espacial robótica Odyssey que desde 2002 orbita Marte.

(Una nave que, por cierto, ¡sigue funcionando! De hecho, usted cuenta con ella como potente repetidor para sus telecomunicaciones con la Tierra.)

Y sí, también dispone de los nutrientes para sus plantas. Gracias a la misión Phoenix usted sabe desde 2008 que el suelo marciano los posee. (Esto tiene matices, pero los vamos a dejar para otro artículo).

Considerado todo lo anterior, usted podrá cultivar sus propias plantas si, como hizo el biólogo e ingeniero mecánico Mark Watney (libro y película “el marciano”), resuelve el suministro de agua.

Y resulta que usted también puede conseguir agua. La tiene en estado líquido en los percloratos que existen en el suelo superficial de Marte. Y hasta es posible que haya depósitos de agua más abajo, pero eso aun no lo sabe usted (de hecho, nadie lo sabe aún).

Así pues, lo único que usted realmente necesita es oxígeno. De hecho, va a necesitar mucho.

No solo le hace falta para respirar. Salvo que haya pensado en quedarse a vivir en Marte, también lo necesitará para volver a su primera vivienda terrícola.

Y esto porque el oxígeno es fundamental en los propelentes de dos componentes que usan las naves espaciales como medio de propulsión de alta potencia.

Dichos propelentes están constituidos por una sustancia combustible (primer componente) que en presencia de una sustancia oxidante (segundo componente, por ejemplo, el oxígeno) se quema (oxida) de forma explosiva (esto es, con generación rápida de un gran volumen de gases muy calientes).

En definitiva, usted va a necesitar tal cantidad de oxígeno que llevarlo desde la Tierra le resultará en exceso caro y complicado. Y, para colmo, solo el 1 por 1000 (en volumen) de la atmósfera marciana es oxígeno.

Y esto nos sitúa en el tema de este artículo.

¿Podemos conseguir oxígeno en Marte?

Sobre el papel, sí.

Como hemos dicho, el aire marciano es casi en su totalidad CO2. Y sus moléculas contienen átomos de oxígeno con los que se puede construir moléculas de oxígeno (O2, la forma química del oxígeno que respiramos).

Ahora bien, pasar del papel a la realidad involucra construir una fábrica de O2 a partir de CO2 que pueda funcionar de forma prolongada en un lugar tan hostil y lejano como Marte.

Esa fábrica estará sometida a condiciones de polvo, temperatura y radiación extremas. Y, además, no podrá ser mimada con trabajos de mantenimiento externos, sino que habrá de ser meramente supervisada a distancia. Un desarrollo difícil.

¿Y cómo se encara un desarrollo difícil?

Siempre igual: con mucho estudio previo seguido de la construcción y prueba de un prototipo, primero en condiciones simuladas en laboratorio y después en condiciones reales.

Pues justamente es en esta última fase, la de prueba en condiciones reales, en la que nos encontramos: esa es una de las tareas del Rover Perseverance de la NASA que, mientras usted y yo hablamos, está solito trabajando en Marte.

El equipamiento que al efecto posee el Perseverance se llama MOXIE.

¿Qué es MOXIE?

‘Moxie’ o ‘(Beverage) Moxie Nerve Food’ fue uno de los primeros refrescos tonificantes que se patentaron en Estados Unidos allá por 1876 con supuestos efectos vigorizantes (¡un clásico!). Se llegó a hacer tan popular que su nombre pasó al vocabulario común como sinónimo de ‘coraje’ o ‘agallas’.

Además de eso, y seguramente por eso (y un poco por su semejanza con ‘monóxido de carbono’), ‘MOXIE’ también es el nombre que se ha dado a uno de los proyectos de ciencia y tecnología del Rover Perseverance. Hasta sirve como acrónimo de un buen nombre descriptivo: ‘The Mars Oxygen ISRU (In-Situ Resource Utilization) Experiment’.

Desarrollado por un equipo del ‘Massachusetts Institute of Technology’ (MIT) con Michael Hecht como investigador principal, consiste en un instrumento de 24x24x31 cm (similar al tamaño de una batería de coche) y con 17 kg de peso en la Tierra (un poco más de la tercera parte de eso en Marte) cuyo objetivo es lo que comentábamos al comienzo: validar el sistema para conseguir oxígeno a partir de lo que hay en Marte (de ahí lo de ’in situ’.

Algo a su vez enmarcado dentro de uno de los cuatro objetivos generales de la misión ‘Mars 2020 Perseverance’: preparar la exploración humana de Marte.

¿Cómo funciona MOXIE?

MOXIE es, en esencia, una pila funcionando al revés.

Llamamos ‘pila’ (en propiedad, ‘pila de combustible’) a todo artilugio capaz de generar energía eléctrica a partir de compuestos químicos por medio de un proceso de combustión (oxidación) lento o ralentizado.

Dado que el monóxido de carbono (CO) entra en combustión con el oxígeno (O2) para para dar lugar a dióxido de carbono (CO2), la función del componente central de MOXIE es hacer lo contrario: aplicar una corriente eléctrica a CO2 para producir CO y O2.

En otras palabras, el componente fundamental de MOXIE es un electrolizador de dióxido de carbono.

Ahora bien, siendo esta su función central, el proceso de operación de MOXIE requiere de otras funciones previas, posteriores y de control.

De forma más completa, su funcionamiento consta de los siguientes pasos: 1) succión y filtrado del aire marciano; 2) compresión y regulación de la entrada de CO2 en el electrolizador; 3) realización de la electrolisis en sí; 4) medida de la tasa de producción de oxígeno y de su pureza, y 5) enfriamiento, filtrado y expulsión de los gases producidos (CO y O2) de vuelta a la atmósfera marciana (manteniendo los estándares establecidos de no contaminación planetaria).

Esquema funcional de MOXIE. Como añadido, comentar que RAMP es la placa de montaje del rover, RCE es su ordenador y RPAM es el módulo de energía.  (Fuente: NASA).

La parte de medida y monitorización del proceso es fundamental. Es la que permite que MOXIE nos instruya. Y eso, y no la producción de oxígeno en sí, es su razón de ser en tanto experimento de ingeniería que es.

En definitiva, MOXIE no es un proyecto de producción, sino un proyecto de investigación y desarrollo.

Tema relacionado: Una nueva tecnología reduce a meses la duración del viaje a Marte

¿Cuáles son los retos y objetivos de MOXIE?

Lo dicho: MOXIE es un prototipo. Una muy cara y muy útil “gaseosa” con la que experimentar.

En consecuencia, sus objetivos vienen justamente determinados por los retos que se deben superar, dado que es en ellos donde se esconde lo mucho que nos falta por aprender.

Dichos retos (los conocidos) son: soportar el viaje (ya superado), 1 )vérselas con el polvo marciano, ( 2 )gestionar la necesidad de funcionamiento discontinuo y ( 3 )superar las dificultades térmicas. Todo ello aderezado, como sucede con cualquier equipamiento en Marte, con la imposibilidad de mantenimiento externo y la imposición de control a distancia.

( 1 )La superficie de Marte es polvo y más polvo. Esto constituye una dificultad para todo lo que pongamos allí. Y, muy en particular, lo es para un equipo que, como MOXIE, trabaja succionando y procesando aire.

Por tal motivo, uno de los objetivos concretos del experimento MOXIE es estudiar el polvo marciano. Caracterizar su constitución, investigar cómo afecta al equipo y aprender sobre cuáles son las mejores formas de vérselas con él.

( 2 )La necesidad de que MOXIE tenga un funcionamiento discontinuo deriva de que está alimentado por el módulo de energía del rover Perseverance y este se encuentra ampliamente sobresolicitado. En virtud de lo apretado del programa de la misión ‘Mars 2020 Perseverance’, dicho módulo debe atender las necesidades energéticas de muchos otros experimentos y equipos.

Esto ha constituido un reto para MOXIE, dado que en las pruebas previas del prototipo en condiciones simuladas en laboratorio (aun en la Tierra), se observó que dicha discontinuidad degradaba su funcionamiento y deterioraba sus componentes.

Ya entonces se encontró la solución. Un ‘fix’ o “remiendo funcional”: reinyectar de nuevo en el electrolizador parte del monóxido de carbono (CO) producido por él, a modo de reactivo limpiador.

De ahí la flecha circular que puede haber llamado su atención en el esquema funcional anterior. Ella nos indica que, si bien el proceso es esencialmente lineal (secuencial), también tiene cierto carácter cíclico (realimentación).

( 3 )En cuanto a las dificultades térmicas, merecen mención especial.

El proceso de electrolisis del CO2 requiere temperaturas tan elevadas (de 800 ºC) que se imponen severas condiciones de aislamiento. Dos son los motivos:

En primer lugar, para blindar a MOXIE de las grandes variaciones de temperatura que experimenta la superficie marciana. Al contrario de lo que sucede en la Tierra, la fina atmósfera de Marte ejerce un efecto muy limitado de control de la temperatura en la superficie que, así las cosas, oscila entre los 16ºC y los -90 ºC.

Y en segundo lugar, para proteger el resto del equipamiento del rover de un calor que lo abrasaría.

Pues bien, estos problemas térmicos se han resuelto gracias a un ingrediente que la NASA perfeccionó para otro proyecto completamente diferente: los aerogeles,  unos materiales que poseen propiedades de aislamiento térmico y ligereza extraordinarias.

Como indica su nombre, se trata de ‘geles’ (un líquido con un montón de pequeñas partículas sólidas en suspensión) en los cuales el líquido ha sido sustituido por ‘aire’.

Como resultado, sus partículas sólidas, una vez desecadas, dan lugar a un material ultraporoso cuya microestructura es una intrincada red (muy parecida a la estructura de un hueso).

Su sobrenombre de ‘humo congelado’ los describe de forma magnífica.

Según todo lo dicho, el motivo por el que MOXIE y el equipo humano que lo controla desde la Tierra están trabajando laboriosamente es claro:

Extraer el máximo conocimiento sobre todos estos retos (así como sobre otros que se puedan presentar de forma imprevista) para aprender a construir una versión mejorada de MOXIE: más robusta, más eficiente y, por supuesto, más grande.

¿Que sigue a partir de aquí?

MOXIE está consiguiendo generar oxígeno de alta pureza (el objetivo era del 98%) a una velocidad de poco más de 10 gramos por hora.

Esa velocidad equivale al oxígeno contenido en 35 litros de nuestro aire, cada hora. Un poco más de la décima parte de las necesidades de oxígeno promedio de una persona adulta.

Si consiguiésemos construir una versión mejorada de MOXIE en la que esa tasa haya aumentado hasta los 2 kg de oxígeno por hora, tendríamos una fábrica de oxígeno suficiente para cubrir las necesidades de una tripulación de astronautas y, además, generar excedentes para su uso como propelente de una nave espacial.

Y esa es la idea.

Eso sí, un “superMOXIE” como ese pesaría 1 tonelada y consumiría 25.000 vatios de potencia eléctrica (frente a los 17 kg y 300 vatios de MOXIE).

El peso es más una dificultad organizativa que técnica. Ya somos capaces (en fin, lo es la NASA 🙂 de aterrizar algo de 1 tonelada en Marte (sin ir más lejos, el Rover Perseverance pesa algo más). La cuestión es que esto implicaría la realización de una misión dedicada casi en exclusiva a ello.

Por su parte, el asunto de los 25.000 vatios de potencia sí es de naturaleza técnica. Dicha potencia equivale a la producida por 200 metros cuadrados de paneles solares trabajando en Marte en el momento de máxima insolación (¡!). Y las condiciones medioambientales en Marte hacen esto complicado. En especial, el omnipresente polvo.

Por tanto, de nuevo estamos ante cuestiones difíciles. O, formulándolo de otra manera, estamos ante los que serán nuestros siguientes retos a superar.

Tenemos que continuar estudiando, experimentando y aprendiendo.

Pero eso se le da muy bien a la gente de la NASA. Y también a toda la comunidad científica con la que ésta y el resto de agencias espaciales del mundo trabajan y ayudan a potenciar.

Referencias

Artículo técnico sobre MOXIE firmado por Michael H. Hecht (investigador principal del proyecto) y Jeffrey A. Hoffmanel, presentado en el ‘Taller sobre Instrumentación para Misiones Planetarias’ organizado por la ‘Universities Space Research Association’ en 2016.

Una simpática y exhaustiva presentación (powerpoint) técnica firmada por Asad Aboobaker, un versátil ingeniero de sistemas miembro del equipo del experimento MOXIE (Jet Propulsion Laboratory, Caltech, 2017).

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Y con este mismo ingeniero como conductor principal, este completo vídeo de YouTube titulado “NASA’s Gold Box Will Make Oxygen on Mars” (marzo de 2020).

Foto superior: elaboración del autor sobre una fotografía original de la NASA.