Los desafíos de ingeniería fuera de este mundo de la fabricación en la Luna presentan una oportunidad para la energía solar térmica concentrada (CST), la forma de energía solar basada en el calor para la termoquímica solar.

Para construir cualquier cosa en la luna, tendremos que comenzar literalmente desde cero y hacer el material para construir todo desde el regolito mismo; El profesor de la Universidad de Tecnología de Swinburne, Geoffrey Brooks, dijo a SolarPACES en una llamada desde Australia esta semana.

“Es como si la historia de la Tierra se acelerara. Pasamos miles de años antes de que aprendiéramos cómo pasar de la fabricación de cerámica a la fabricación de metales. Pero en la Luna, probablemente vamos a hacer ese salto bastante rápido ”, dijo.

“Si miras la historia de la humanidad. Al principio no sabíamos cómo hacer nada. Y luego aprendimos cómo hacer cerámica de la Tierra, que es uno de los grandes avances para la humanidad, hace siete, ocho mil años. Y luego pudimos almacenar comida y construir y luego aprendimos a fabricar metales. Lo que sucederá en la Luna es que pasaremos por esos pasos de desarrollo muy rápidamente «.

Calor de energía solar, no de combustibles fósiles

Brooks, cuya formación original era en metalurgia, se interesó en las aplicaciones solares para la minería dada la abundancia de ambos recursos en Australia, aunque descubrió que para la minería en la Tierra, lo que ha frenado a CST son sus costos de capital.

“¡Pero cuesta $ 35,000 USD volar un kilogramo de cualquier cosa a la Luna! Así que ahora, cualquier diferencia en los costos de capital es absolutamente trivial en comparación con el costo de llevar el equipo allí ”, declaró Brooks.

Entonces, la Luna ofrece CST, la energía solar caliente, la oportunidad para que creemos nuevos materiales desde cero, pero esta vez, sin combustibles fósiles. La mayor parte de la química requiere calor. Reorganizar los átomos de un material para formar otra estructura molecular, para comprender un material diferente; casi siempre requiere calor, que durante siglos ha sido suministrado a la Tierra por energía fósil.

Esto brinda la oportunidad de suministrar calor con energía solar directamente en lugar de quemar combustibles fósiles. Ambas formas de energía solar; CST y PV son prácticamente la única opción lunar para suministrar energía, sin carbón, gas natural o viento, señaló: «En la Luna, no tienes muchas otras opciones, ¿verdad?»

Por lo tanto, la ingeniería termoquímica lunar es un campo cada vez más interesante para la investigación de CST en la actualidad. El desafío es cómo diseñar sistemas solares para que la Luna produzca suficiente energía pero sin ser demasiado grande, debido al costo de llevar las cosas allí.

“Y luego, una vez que es lo suficientemente pequeño como para llevarlo a la Luna, los problemas se reducen a cuán confiable puede funcionar”, observó. “¿Qué tipo de cosas puede procesar y cuánta productividad puede obtener en un determinado volumen? Ese tipo de problemas son bastante diferentes a los de la Tierra. Así que creo que la energía solar térmica es muy atractiva para una gran cantidad de aplicaciones en la Luna ”.

Con algunos de sus estudiantes de doctorado, Brooks fue coautor de la Revisión sobre el procesamiento termoquímico solar para aplicaciones lunares y sus métodos de modelado de transferencia de calor que profundiza en la mecánica que participará en el uso de la energía solar térmica para la minería en la Luna, para comprender los muy diferentes física y química de un planeta fuera del mundo, y cómo reorganizar las moléculas que se pueden encontrar en el regolito para hacer nuevos materiales como cerámica y usarlos para hacer ladrillos y estructuras.

“Entonces, mis estudiantes están haciendo todo tipo de estudios sobre el regolito de calentamiento”, dijo. “¿Qué tan rápido se calienta, cómo conduce el calor? ¿Cuándo se sinteriza, qué tipo de propiedades físicas mecánicas puede esperar? ¿Qué tan fuerte es el sinterizado? ¿Puedes caminar sobre él? Luego, también buscamos fundirlo y convertirlo en metales y oxígeno y tratar de ver qué más podemos hacer con él «.

Por qué la falta de atmósfera de la Luna favorece la energía solar térmica

Debido a que no hay atmósfera para llevar el calor, no hay pérdida de calor y, sin atmósfera, no hay nubes, por lo que la luz del sol es un mejor recurso para crear y retener calor que en la Tierra.

La ausencia de atmósfera en la Luna facilita la termoquímica solar porque no es necesario alcanzar niveles tan altos de concentración de flujo solar como en la Tierra para generar las altas temperaturas necesarias para reorganizar las moléculas para formar nuevos compuestos.

“El punto de fusión y el punto de ebullición son una función de la presión atmosférica y hay un vacío extremadamente alto en la Luna: 10 a menos 15 atmósferas; que es increíblemente bajo ”, explicó Brooks.

“Incluso aquí en el Monte Everest con una presión de aire más baja, los líquidos hierven a temperaturas más bajas. Esto funciona a nuestro favor. Cambia la temperatura de fusión y el calor necesario para hacer las cosas para cambiar las cosas. Entonces, cuando mis estudiantes están tratando de diseñar equipos para sinterizar el regolito, por ejemplo, para vaporizar el hierro y el sodio, no necesitan una concentración de energía solar tan alta como aquí en la Tierra «.

IMAGE @ Brooks et al: Aplicaciones para el procesamiento térmico solar en la Luna y desafíos relacionados

Esta facilidad de procesamiento de materiales a temperaturas más bajas facilita el uso de concentradores solares más pequeños y livianos, como lentes o platos de Fresnel.

Días mucho, mucho más largos

La luz del sol es abundante. La Luna gira mucho más lentamente que la Tierra, solo una vez cada 29 días, por lo que cada día dura mucho más que las 24 horas de la Tierra. La luz del día lunar es de 336 horas, en comparación con las 8 a 10 horas en la Tierra. La temperatura durante estos largos días asciende a 126 ° C.

Por supuesto, a esto le siguen 336 horas, dos semanas, de noche oscura y fría (a -173 ° C) y a la mayoría de las reacciones químicas termoquímicas no les gusta que las interrumpan, por lo que este es uno de los desafíos en los que están trabajando los investigadores.

Una posible solución que mencionó Brooks es ubicar estos centros de fabricación solar en la región polar frente al Sol (que también es de interés ya que está cerca de dos posibles fuentes de agua) donde hay luz solar durante más del 90% de los 365 días del año de la Luna.

El DNI en la Luna es de solo 1361 vatios por metro cuadrado, lo que no es tan bueno como los mejores recursos solares de la Tierra como en Chile, Australia y la región MENA. Es comparable al sur de Francia. Pero esto se compensa con los largos y despejados días solares y la falta de pérdida de calor.

El equipo publicó recientemente un artículo que detalla la termodinámica de operar bajo leyes de la naturaleza tan diferentes: Modelado termodinámico de descomposición térmica de vacío ultra alto para el procesamiento de recursos lunares

Desafíos de ingeniería: gravedad, polvo pegajoso

“Pero existen complejidades con el diseño para la Luna, porque la baja gravedad hace que el diseño de estructuras como equipos rotativos o de excavación sea más complicado”, comentó Brooks.

“Hay una proporción muy diferente de fuerzas de la Tierra: la fuerza gravitacional que sostiene las cosas es menor que la fuerza que va hacia los lados, por lo que en la Luna te conviertes en una persona muy liviana que cava un agujero en la Tierra, donde es mucho más probable para tirar de ti mismo de lo que sería una persona más pesada. Esto es realmente importante para diseñar equipos para excavar y mover. Están tratando de fabricar equipos que sean estables para ese tipo de relación de fuerzas. Puedes resolverlo, pero no es fácil «.

Brooks está tratando de averiguar la composición de aproximadamente 200 toneladas de piezas que quedan allí de misiones anteriores que están potencialmente disponibles para recolectar material. Pero la mayoría de la maquinaria construida en la Luna ya será lo más liviana posible de transportar, y luego, con partes giratorias o móviles, el diseño debe garantizar que no se vuelque.

El polvo en la Luna es un problema mucho mayor, especialmente para las aplicaciones solares. “Este polvo es un problema realmente serio. Es un material muy, muy fino y muy abrasivo ”, dijo. “Mucho ha venido de los meteoritos, que han golpeado la superficie de la Luna y han creado un material vidrioso muy fino. Para empeorar las cosas, los rayos del sol golpean el material fino y polarizan la superficie de estas pequeñas partículas finas de óxido, y de hecho se obtiene polvo levitando de las fuerzas electrostáticas en el polvo creado a partir de esta interacción con los rayos solares «.

Uno de sus grupos de estudiantes está buscando una solución para controlar este polvo; calentando el regolito en un pavimento cerámico.

“Antes de que los humanos intenten moverse y mover maquinaria allí, necesitamos enviar algunos equipos para básicamente sinterizar la superficie donde nos vamos a asentar para mantener todo el polvo. Hágalo tan caliente que forme un pavimento de cerámica ”, dijo Brooks.

“La idea sería que te gustaría tener una pequeña máquina con ruedas con energía solar concentrada proveniente de los espejos y pasarías lentamente y convertirías la superficie en un pavimento de cerámica para que cuando llegamos allí, no estemos constantemente arrojando polvo por todas partes. en nuestro equipo «.

Pero advirtió que un desafío con esto es que el regolito es en realidad un mal conductor del calor, por lo que hacer que el calor llegue a la superficie es bastante difícil. La temperatura desciende bastante rápido: “Tienes que conseguir suficiente energía para poder sinterizar el regolito. Creemos que probablemente necesite alcanzar entre 800 y 900 ° C. Así que estamos haciendo pruebas con sinterización de regolito en este momento para comenzar a comprender cómo se sinteriza el regolito y cuánto calor puede introducirse en la superficie «.

Otro grupo está considerando sinterizar solo la capa superior en ladrillos. “Lo bueno de esto es que solo necesitas energía, por lo que podemos usar energía solar. Otras personas hablan de mezclar el regolito con una resina y luego imprimir estructuras cerámicas en 3D como edificios. Y el problema es que se necesita algo para mantener el regolito unido, para mantenerlo unido ”, dijo.

Todas estas ideas necesitan investigación ahora, él cree: “El primer hábitat lunar planeado está a varios años de distancia y probablemente involucrará solo a unas pocas personas. Pero luego veremos que la tecnología y toda la infraestructura despegarán en los próximos 10 a 15 años. Pero ahora que nos estamos moviendo a la etapa en la que planeamos tener grupos reales de personas viviendo allí en los próximos años, creo que veremos todo tipo de aplicaciones de la energía solar térmica «.

Susan Kraemer, solarpaces.org