Energía solarEditar
La luz del día en la Luna dura aproximadamente dos semanas, seguidas de aproximadamente dos semanas de noche, mientras que ambos polos lunares están iluminados casi constantemente. El polo sur lunar presenta una región con bordes de cráteres expuestos a una iluminación solar casi constante, sin embargo, el interior de los cráteres está permanentemente a la sombra de la luz solar, y conserva importantes cantidades de hielo de agua en su interior. Al ubicar una instalación de procesamiento de recursos lunares cerca del polo sur lunar, la energía eléctrica generada por el sol permitiría un funcionamiento casi constante cerca de las fuentes de hielo de agua.
Las células solares podrían fabricarse directamente en el suelo lunar mediante un rover de tamaño medio (~200 kg) con capacidad para calentar el regolito, evaporar los materiales semiconductores apropiados para la estructura de la célula solar directamente en el sustrato del regolito, y depositar los contactos metálicos y las interconexiones para terminar un conjunto completo de células solares directamente en el suelo.
Se está desarrollando el sistema de fisión nuclear Kilopower para la generación fiable de energía eléctrica que podría permitir bases tripuladas de larga duración en la Luna, Marte y destinos más allá. Este sistema es ideal para lugares de la Luna y Marte donde la generación de energía a partir de la luz solar es intermitente.
OxígenoEditar
El contenido de oxígeno elemental en el regolito se estima en un 45% en peso. El oxígeno se encuentra a menudo en los minerales y vidrios lunares ricos en hierro como óxido de hierro. Se han descrito al menos veinte procesos diferentes para la extracción de oxígeno del regolito lunar, y todos requieren un elevado aporte de energía: entre 2 y 4 megavatios-año de energía (es decir, 6-12×1013 J) para producir 1.000 toneladas de oxígeno. Mientras que la extracción de oxígeno a partir de óxidos metálicos también produce metales útiles, el uso de agua como materia prima no lo hace.
AguaEditar
Las imágenes del orbitador LCROSS volando del polo sur lunar muestran zonas de sombra permanente.
La imagen muestra la distribución del hielo superficial en el polo sur de la Luna (izquierda) y en el polo norte (derecha), vista por el espectrómetro Moon Mineralogy Mapper (M3) de la NASA a bordo del orbitador Chandrayaan-1 de la India
Las evidencias acumuladas de varios orbitadores indican fuertemente que hay hielo de agua en la superficie de los polos lunares, pero sobre todo en la región del polo sur. Sin embargo, los resultados de estos conjuntos de datos no siempre están correlacionados. Se ha determinado que el área acumulada de la superficie lunar permanentemente sombreada es de 13.361 km2 en el hemisferio norte y de 17.698 km2 en el hemisferio sur, lo que da un área total de 31.059 km2. Actualmente se desconoce hasta qué punto alguna o todas estas zonas de sombra permanente contienen hielo de agua y otros volátiles, por lo que se necesitan más datos sobre los depósitos de hielo lunar, su distribución, concentración, cantidad, disposición, profundidad, propiedades geotécnicas y cualquier otra característica necesaria para diseñar y desarrollar sistemas de extracción y procesamiento. El impacto intencionado del orbitador LCROSS en el cráter Cabeus fue monitorizado para analizar la pluma de escombros resultante, y se llegó a la conclusión de que el hielo de agua debe estar en forma de pequeños (< ~10 cm), trozos discretos de hielo distribuidos por todo el regolito, o como una fina capa sobre granos de hielo. Esto, unido a las observaciones del radar monostático, sugiere que es poco probable que el hielo de agua presente en las regiones permanentemente sombreadas de los cráteres polares lunares esté presente en forma de depósitos de hielo gruesos y puros.
El agua puede haber llegado a la Luna a lo largo de escalas de tiempo geológicas por el bombardeo regular de cometas, asteroides y meteoroides portadores de agua o producido continuamente in situ por los iones de hidrógeno (protones) del viento solar que impactan con minerales portadores de oxígeno.
El polo sur lunar presenta una región con bordes de cráteres expuestos a una iluminación solar casi constante, en la que el interior de los cráteres está permanentemente a la sombra de la luz solar, lo que permite atrapar y recoger de forma natural el hielo de agua que podría extraerse en el futuro.
Las moléculas de agua (H
2O) pueden descomponerse en sus elementos, a saber, el hidrógeno y el oxígeno, y formar hidrógeno molecular (H
2) y oxígeno molecular (O
2) para ser utilizados como bipropelente para cohetes o producir compuestos para procesos de producción metalúrgica y química. Sólo la producción de propulsor, fue estimada por un panel conjunto de expertos de la industria, el gobierno y el mundo académico, identificó una demanda anual a corto plazo de 450 toneladas métricas de propulsor derivado de la Luna que equivale a 2.450 toneladas métricas de agua lunar procesada, generando 2.400 millones de dólares de ingresos anuales.
HidrógenoEditar
El viento solar implanta protones en el regolito, formando un átomo protonado, que es un compuesto químico de hidrógeno (H). Aunque el hidrógeno ligado es abundante, siguen existiendo dudas sobre la cantidad que se difunde en la subsuperficie, escapa al espacio o se difunde en trampas frías. El hidrógeno sería necesario para la producción de propulsores y tiene multitud de usos industriales. Por ejemplo, el hidrógeno puede utilizarse para la producción de oxígeno mediante la reducción de hidrógeno de la ilmenita.
MetalesEditar
HierroEditar
El hierro (Fe) es abundante en todos los basaltos marinos (~14-17 % en peso), pero está mayormente encerrado en minerales de silicato (es decir, piroxeno y olivino) y en el mineral de óxido ilmenita en las tierras bajas. La extracción requeriría bastante energía, pero se sospecha que algunas anomalías magnéticas lunares importantes se deben a restos meteoríticos ricos en Fe que han sobrevivido. Sólo una mayor exploración in situ determinará si esta interpretación es correcta o no, y hasta qué punto pueden ser explotables estos restos meteoríticos.
El hierro libre también existe en el regolito (0,5% en peso) aleado de forma natural con níquel y cobalto, y puede extraerse fácilmente mediante simples imanes tras su molienda. Este polvo de hierro puede procesarse para fabricar piezas mediante técnicas de pulvimetalurgia, como la fabricación aditiva, la impresión 3D, el sinterizado selectivo por láser (SLS), la fusión selectiva por láser (SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM).
TitanioEditar
El titanio (Ti) puede alearse con el hierro, el aluminio, el vanadio y el molibdeno, entre otros elementos, para producir aleaciones fuertes y ligeras para el sector aeroespacial. Existe casi en su totalidad en el mineral ilmenita (FeTiO3) en un rango de 5-8% en peso. Los minerales de ilmenita también atrapan el hidrógeno (protones) del viento solar, por lo que el procesamiento de la ilmenita también producirá hidrógeno, un elemento valioso en la Luna. Los vastos basaltos de inundación de la cara cercana al noroeste (Mare Tranquillitatis) poseen algunos de los contenidos de titanio más altos de la Luna, albergando 10 veces más titanio que las rocas de la Tierra.
AluminioEditar
El aluminio (Al) se encuentra con una concentración en el rango de 10-18% en peso, presente en un mineral llamado anortita (CaAl
2Si
2O
8), el miembro final de calcio de la serie de minerales de feldespato plagioclasa. El aluminio es un buen conductor eléctrico, y el polvo de aluminio atomizado también es un buen combustible sólido para cohetes cuando se quema con oxígeno. La extracción de aluminio también requeriría la descomposición de la plagioclasa (CaAl2Si2O8).
SilicioEditar
Foto de un trozo de silicio purificado
El silicio (Si) es un metaloide abundante en todo el material lunar, con una concentración de alrededor del 20% en peso. Es de enorme importancia para producir conjuntos de paneles solares para la conversión de la luz solar en electricidad, así como vidrio, fibra de vidrio y una variedad de cerámicas útiles. Lograr una pureza muy alta para su uso como semiconductor sería un reto, especialmente en el entorno lunar.
CalcioEditar
Cristales de anortita en una vug de basalto del Vesubio, Italia (tamaño: 6.9 × 4,1 × 3,8 cm)
El calcio (Ca) es el cuarto elemento más abundante en las tierras altas lunares, presente en minerales de anortita (fórmula CaAl
2Si
2O
8). Los óxidos de calcio y los silicatos de calcio no sólo son útiles para la cerámica, sino que el calcio metálico puro es flexible y un excelente conductor eléctrico en ausencia de oxígeno. La anortita es rara en la Tierra pero abundante en la Luna.
El calcio también puede utilizarse para fabricar células solares basadas en el silicio, que requieren silicio lunar, hierro, óxido de titanio, calcio y aluminio.
MagnesioEditar
El magnesio (Mg) está presente en los magmas y en los minerales lunares piroxeno y olivino, por lo que se sospecha que el magnesio es más abundante en la corteza lunar inferior. El magnesio tiene múltiples usos como aleaciones para la industria aeroespacial, la automoción y la electrónica.
Elementos de tierras rarasEditar
Los elementos de tierras raras se utilizan para fabricar desde vehículos eléctricos o híbridos, turbinas eólicas, dispositivos electrónicos y tecnologías de energía limpia. A pesar de su nombre, los elementos de tierras raras son -con la excepción del prometio- relativamente abundantes en la corteza terrestre. Sin embargo, debido a sus propiedades geoquímicas, los elementos de tierras raras suelen estar dispersos y no suelen encontrarse concentrados en minerales de tierras raras; por ello, los yacimientos económicamente explotables son menos comunes. Existen importantes reservas en China, California, India, Brasil, Australia, Sudáfrica y Malasia, pero China representa más del 95% de la producción mundial de tierras raras. (Véase: Industria de las tierras raras en China.)
Aunque las pruebas actuales sugieren que los elementos de tierras raras son menos abundantes en la Luna que en la Tierra, la NASA considera que la extracción de minerales de tierras raras es un recurso lunar viable porque presentan una amplia gama de propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y catalíticas de importancia industrial.
Helio-3Editar
Según una estimación, el viento solar ha depositado más de 1 millón de toneladas de helio-3 (3He) en la superficie de la Luna. Los materiales de la superficie lunar contienen helio-3 en concentraciones estimadas entre 1,4 y 15 partes por billón (ppb) en las zonas iluminadas por el sol, y pueden contener concentraciones de hasta 50 ppb en las regiones permanentemente sombreadas. A modo de comparación, el helio-3 en la atmósfera terrestre se encuentra a 7,2 partes por billón (ppt).
Desde 1986, varias personas han propuesto explotar el regolito lunar y utilizar el helio-3 para la fusión nuclear, aunque a partir de 2020 existen reactores de fusión nuclear experimentales en funcionamiento desde hace décadas, ninguno de los cuales ha suministrado aún electricidad comercialmente. Debido a las bajas concentraciones de helio-3, cualquier equipo de minería necesitaría procesar cantidades extremadamente grandes de regolito. Según una estimación, habría que procesar más de 150 toneladas de regolito para obtener 1 gramo (0,035 oz) de helio 3. China ha puesto en marcha el Programa Chino de Exploración Lunar para explorar la Luna y está investigando la perspectiva de la minería lunar, concretamente buscando el isótopo helio-3 para utilizarlo como fuente de energía en la Tierra. No todos los autores creen que la extracción extraterrestre de helio-3 sea factible, e incluso si fuera posible extraer helio-3 de la Luna, ningún diseño de reactor de fusión ha producido más potencia de fusión que la entrada de energía eléctrica, lo que anula el propósito. Otro inconveniente es que se trata de un recurso limitado que puede agotarse una vez extraído.
Carbono y nitrógenoEditar
El carbono (C) sería necesario para la producción de acero lunar, pero está presente en el regolito lunar en cantidades traza (82 ppm), aportado por el viento solar y los impactos de micrometeoritos.
El nitrógeno (N) se midió en muestras de suelo traídas a la Tierra, y existe en cantidades traza a menos de 5 ppm. Se encontró como isótopos 14N, 15N y 16N. El carbono y el nitrógeno fijado serían necesarios para las actividades agrícolas dentro de una biosfera sellada.
Regolito para la construcciónEditar
El desarrollo de una economía lunar requerirá una cantidad significativa de infraestructura en la superficie lunar, que dependerá en gran medida de las tecnologías de utilización de recursos in situ (ISRU) para desarrollarse. Uno de los principales requisitos será proporcionar materiales de construcción para construir hábitats, depósitos, plataformas de aterrizaje, carreteras y otras infraestructuras. El suelo lunar no procesado, también llamado regolito, puede convertirse en componentes estructurales utilizables, mediante técnicas como la sinterización, el prensado en caliente, la licuación, el método del basalto fundido y la impresión 3D. El vidrio y la fibra de vidrio son fáciles de procesar en la Luna, y se ha descubierto que la resistencia del material del regolito puede mejorarse drásticamente mediante el uso de fibra de vidrio, como una mezcla de 70% de fibra de vidrio de basalto y 30% de PETG. Se han realizado pruebas con éxito en la Tierra utilizando algunos simulantes de regolito lunar, como el MLS-1 y el MLS-2.
El suelo lunar, aunque supone un problema para cualquier pieza mecánica móvil, puede mezclarse con nanotubos de carbono y epoxis en la construcción de espejos de telescopio de hasta 50 metros de diámetro. Varios cráteres cercanos a los polos son permanentemente oscuros y fríos, un entorno favorable para los telescopios infrarrojos.
Algunas propuestas sugieren construir una base lunar en la superficie utilizando módulos traídos de la Tierra, y cubriéndolos con suelo lunar. El suelo lunar está compuesto por una mezcla de sílice y compuestos que contienen hierro y que pueden fundirse en un sólido similar al vidrio mediante radiación de microondas.
La Agencia Espacial Europea, en colaboración con un estudio de arquitectura independiente, probó en 2013 una estructura impresa en 3D que podría construirse con regolito lunar para utilizarla como base lunar. El suelo lunar impreso en 3D proporcionaría tanto «aislamiento de la radiación como de la temperatura». En el interior, un ligero inflable presurizado con la misma forma de cúpula sería el entorno vital para los primeros colonos humanos en la Luna».
A principios de 2014, la NASA financió un pequeño estudio en la Universidad del Sur de California para seguir desarrollando la técnica de impresión 3D Contour Crafting. Las aplicaciones potenciales de esta tecnología incluyen la construcción de estructuras lunares de un material que podría consistir en hasta un 90 por ciento de material lunar con sólo un diez por ciento del material que requiere el transporte desde la Tierra. La NASA también está estudiando una técnica diferente que consistiría en sinterizar el polvo lunar mediante radiación de microondas de baja potencia (1.500 vatios). El material lunar se aglutinaría calentándolo a una temperatura de entre 1.200 y 1.500 °C (entre 2.190 y 2.730 °F), algo por debajo del punto de fusión, para fundir el polvo de nanopartículas en un bloque sólido similar a la cerámica, y no requeriría el transporte de un material aglutinante desde la Tierra.