Calentar la luna en el microondas puede ayudar a nuestro avance en el espacio

Sep 05, 2023

NASA

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Con el lanzamiento de las Misiones Artemis de la NASA y los crecientes esfuerzos lunares de otros países, el regreso de la humanidad a la Luna parece estar cerca. Pero permanecer en la Luna para siempre requerirá nuevos enfoques y tecnologías que aún se están desarrollando. Un área de investigación se centra en los detalles de la creación de una base lunar, con un nuevo documento que analiza en detalle cómo podemos construir plataformas de aterrizaje económicamente viables para nuestra nave espacial.

El estudio financiado por la NASA, titulado "The Cost of Lunar Landing Pads with a Trade Study of Construction Methods", publicado recientemente en la revista New Space, analizó los desafíos de la construcción en condiciones en las que el polvo lunar se arremolinaría a altas velocidades durante los lanzamientos o aterrizajes, ya que no hay aire para frenar el penacho del cohete. Otra dificultad de construir en la Luna es conseguir materiales y el equipo necesario allí, dado el gasto exorbitante del transporte.

El estudio, realizado por la empresa de defensa y fabricación espacial Cislune junto con investigadores de la Universidad de Florida (UCF) y la Universidad Estatal de Arizona, concluyó que la forma más fácil y económica de construir las plataformas de aterrizaje lunar puede ser mediante la utilización de sinterización, un método que utiliza microondas para derretir el suelo, al mismo tiempo que involucra tecnología de beneficio o clasificación.

Para llegar a este enfoque, los investigadores estudiaron cuatro métodos de construcción, analizando detenidamente varias combinaciones de anillos de plataforma de aterrizaje internos y externos. Si el costo del transporte a la Luna se mantiene por encima de los 100 000 dólares por kilogramo (o alrededor de 45 000 dólares la libra), se descubrió que la sinterización es el método más económico. Los ahorros aumentarían aún más si también se emplea la tecnología de beneficio desarrollada por UCF, ya que puede usar campos magnéticos para extraer la mayoría de los minerales aptos para microondas a la superficie, según el estudio. Beneficiation funciona utilizando el hecho de que los científicos de la UCF descubrieron que muchos de los minerales más aptos para microondas resultan ser los más magnéticos. La clasificación de partículas en función de la "susceptibilidad magnética" podría mejorar la absorción de microondas entre un 70 y un 80 por ciento, compartió en un comunicado de prensa el Dr. Philip Metzger, coautor del artículo de investigación y científico planetario del Instituto Espacial de Florida de la UCF.

El proceso de construcción implicaría que los rovers recogieran el suelo lunar, lo clasificaran usando campos magnéticos, luego volvieran a colocar el suelo en la superficie y lo derritieran con microondas.

Interesting Engineering (IE) contactó al Dr. Metzger para obtener más detalles sobre su trabajo. La siguiente conversación ha sido ligeramente editada para mayor claridad y fluidez.

Profesor Metzger: Para la sinterización por microondas, primero se necesita la capacidad de preparar el sitio, lo que incluye demoler y nivelar la superficie. En segundo lugar, necesita un equipo de generación de energía para poder tener suficiente energía para el proceso de microondas. Puede obtener energía de sistemas solares o nucleares enviados a la Luna. En tercer lugar, para una sinterización altamente eficiente, primero debe beneficiar el suelo en la superficie lunar, utilizando campos magnéticos para clasificar los granos de arena según su magnetismo.

La clasificación magnética del suelo antes del microondas es un invento patentado que innovamos aquí en la Universidad de Florida Central. Puede reducir las necesidades de energía entre un 70 y un 80 por ciento, lo cual es enorme. El dispositivo que realiza ese proceso necesitaría recoger una capa de suelo, de unos 20 cm de espesor, y pasarla por un gran imán, de modo que los granos de suelo caigan en diferentes recipientes según su susceptibilidad magnética. Luego, los granos fluyen hacia afuera y se colocan en capas sobre la superficie lunar, con los granos menos magnéticos bajando primero y los más magnéticos encima de ellos. Eso asegura que la mayor parte de la energía de microondas será absorbida en la capa superior que estamos tratando de sinterizar.

En cuarto lugar, probablemente necesitará hacer rodar un dispositivo sobre el suelo para compactarlo más, pero se necesita más investigación para ver si este paso es necesario. En quinto lugar, utiliza un dispositivo de microondas simple, que podría ser muy similar al que tiene en su cocina, para dirigir las microondas hacia el suelo hasta que se derrita un poco. ¡Y eso es todo!

El tamaño de una plataforma de aterrizaje depende del tamaño de la nave espacial en la que planees aterrizar. Las naves espaciales más pesadas requieren más empuje durante el descenso para contrarrestar la gravedad lunar, y la cantidad de empuje determina qué tan denso es el escape del cohete mientras sopla a través de la plataforma, sobre el borde de la plataforma y sobre el suelo lunar no tratado que rodea la plataforma. Si la plataforma no es lo suficientemente ancha, entonces ese gas aún podrá levantar tierra alrededor de los bordes de la plataforma y soplarla a alta velocidad sobre el hardware circundante. Eso es lo que estamos tratando de evitar, ya que la tierra y el polvo que soplan pueden viajar mucho más rápido que una bala y pueden dañar el hardware circundante. Por lo tanto, necesitamos que la plataforma sea lo suficientemente ancha para que todo el gas que fluya más allá del borde de la plataforma se haya esparcido en el vacío lunar lo suficiente como para que ya no sea capaz de levantar y arrastrar las partículas del suelo. Estimamos que un módulo de aterrizaje lunar de 40 toneladas requeriría una plataforma de unos 27 metros desde el centro hasta el borde.

Todavía estamos desarrollando la tecnología, por lo que estamos solicitando subvenciones de la NASA y otras agencias gubernamentales, y nuestro socio en este proyecto, Cislune Company, está buscando fondos para avanzar en la tecnología. Eventualmente, se debe construir una plataforma de aterrizaje de tamaño completo en algún desierto aquí en la Tierra para que podamos demostrar la operación completa y luego hacer que un pequeño cohete aterrice en ella como demostración final. También deberíamos enviar una carga útil más pequeña a la superficie lunar para probar los procesos de beneficio y microondas utilizando suelo lunar real en el entorno lunar. Esas pruebas deberían ser suficientes para que luego podamos construir las versiones a gran escala para ir a la Luna.

Este estudio estima el costo de construir plataformas de aterrizaje lunar y examina si algún método de construcción es económicamente superior a otros. Algunos métodos propuestos requieren grandes cantidades de masa transportada desde la Tierra, otros requieren un alto consumo de energía en la superficie lunar y otros tienen un largo tiempo de construcción. Cada uno de estos factores aporta costos directos e indirectos a las actividades lunares. Las variables económicas más importantes resultan ser el costo de transporte a la superficie lunar y la magnitud del costo de retraso del programa impuesto por un método de construcción. El costo de una plataforma de aterrizaje depende sensiblemente de la optimización de la masa y la velocidad del equipo de construcción, por lo que existe un conjunto de equipos de costo mínimo para cada método de construcción dentro de un escenario económico específico. Se han analizado varios escenarios en una gama de costos de transporte con costos de retraso de programa altos y bajos. Se encuentra que la sinterización por microondas es actualmente el método más favorable para construir la zona interna de alta temperatura de una plataforma de aterrizaje lunar, aunque otros métodos están dentro del rango de incertidumbre. El método más favorable para construir la zona exterior de baja temperatura de la plataforma de aterrizaje también es la sinterización cuando los costos de transporte son altos, pero se cambia a la infusión de polímeros cuando los costos de transporte caen por debajo de los 110 000 USD/kg hasta la superficie lunar. Se estima que Artemis Basecamp podría construir una plataforma de aterrizaje con un costo presupuestado de partida de $229 millones, suponiendo que los costos de transporte se reduzcan modestamente de la tarifa actual de $1 millón/kg a la superficie lunar a $300 mil/kg. Una plataforma de aterrizaje se reduce a $130 millones cuando el costo de transporte cae aún más a $100 000/kg, o a $47 millones si los costos de transporte caen por debajo de $10 000/kg. En última instancia, las plataformas de aterrizaje se pueden construir alrededor de la Luna a un costo muy bajo, debido a las economías de escala.