¿Cuál es la mejor manera de construir plataformas de aterrizaje en la Luna?


En un futuro cercano, la NASA, la Agencia Espacial Europea (ESA), China y Roscosmos montarán misiones tripuladas a la luna. Esta será la primera vez que los astronautas caminen sobre la superficie lunar desde la era Apolo. Pero a diferencia de la «carrera a la luna», el objetivo de estos programas no es llegar primero y dejar solo unos pocos experimentos y módulos de aterrizaje (es decir, misiones de «huellas y banderas»), sino establecer una presencia humana sostenida en el superficie lunar. Esto significa crear hábitats en la superficie y en órbita que puedan ser utilizados por equipos rotativos.

Representación artística de una nave estelar despegando de una base lunar. Crédito: SpaceX

Si bien la NASA y otras agencias espaciales tienen la intención de aprovechar los recursos locales tanto como sea posible, un proceso conocido como utilización de recursos in situ (ISRU), la creación de bases lunares aún requerirá que se envíen muchos materiales y maquinaria desde la Tierra. En un estudio reciente, Philip Metzger y Greg Autry revisaron el costo y el consumo de energía de construir plataformas de aterrizaje en la superficie lunar. Después de considerar varios métodos de construcción, determinaron que una combinación de fabricación aditiva e infusión de polímeros era el medio más eficiente y rentable.

Philip Metzger es científico asociado del Instituto Espacial de Florida (FSI) en la Universidad de Florida Central (UCF), ex físico investigador senior en el Centro Espacial Kennedy (KSC) de la NASA y cofundador de KSC Swamp Works. Greg Autry es profesor clínico de Liderazgo, Política y Negocios Espaciales en la Escuela de Administración Global Thunderbird de la Universidad Estatal de Arizona (ASU) y presidente del Grupo de Trabajo de Seguridad del Comité Asesor de Transporte Espacial Comercial (COMSTAC) en la Administración Federal de Aviación ( AFA).

Para su estudio, Metzger y Autry examinaron diferentes métodos para construir plataformas de aterrizaje en la superficie lunar. Cada método se evaluó en función de tres factores principales: la necesidad de enviar grandes cantidades de masa desde la Tierra, el nivel de consumo de energía en la superficie lunar y el tiempo que llevaría terminar la construcción. Cada uno de estos factores contribuye (directa o indirectamente) al costo total de las actividades lunares.

Entre sus hallazgos, Metzger y Autry determinaron que dos variables son las más importantes al evaluar los métodos de construcción en el espacio: los costos de transporte y las demoras impuestas por el proceso de construcción. Como explicó Metzger a Universe Today por correo electrónico:

«Me sorprendió que la complejidad y la confiabilidad del proceso de construcción no jugaran un papel más importante. Un sistema complejo necesitará alrededor de un 50 % más de inversión inicial para que sea tan confiable como los métodos más simples, y un aumento de costos del 50 % parece gusta mucho, pero en comparación con el costo del transporte lunar y la pérdida de valor si se demora en hacer cosas en la luna, resulta que un 50 % más de costo de desarrollo es absolutamente intrascendente.

«Entonces, si inventa un método más complejo para hacer las cosas, y ese método es más rápido y de menor masa que los métodos anteriores, entonces vale la pena. Eso va en contra de nuestra tendencia natural como tecnólogos espaciales. Creemos que mantener las cosas más simples es mejor, y pensamos que cuando estamos operando muy lejos en la luna, es aún más importante mantener las cosas simples, pero cuando lo miramos desde una perspectiva económica, ese sentimiento no resulta ser cierto. operaciones, una mayor tecnología vale la mayor inversión inicial».

Además, descubrieron que el grosor de las almohadillas, el entorno térmico (que varía entre la almohadilla interna y la externa) y la cadencia de lanzamiento del programa lunar también fueron factores importantes para establecer límites prácticos en el tiempo de construcción. En resumen, la rentabilidad de cada método se reduce al costo por kilo de lanzamiento de cargas útiles y la velocidad de construcción. Consideraron varios en función de los requisitos de energía y cómo esto variaría según el entorno térmico.

En particular, consideraron las innovaciones recientes en la fabricación aditiva (impresión 3D) e ISRU, que han sido objeto de investigación por parte de la NASA y la ESA durante muchos años. Cuando se adaptan a la superficie lunar, los métodos incluyen calentar el regolito con microondas para crear una cerámica fundida (también conocida como «sinterización») que luego se imprime y se solidifica al contacto con el entorno lunar sin aire, o agregar un agente de unión al regolito (como el cemento). o un polímero) para formar «lunarcrete».

«Algunos métodos requieren enormes cantidades de energía, lo que requiere sistemas pesados ​​de energía en la luna. Otros métodos requieren muchas toneladas de aglutinante traído de la Tierra a un gran costo. Aún así, otros son procesos muy, muy lentos. Queríamos ver cómo estos diferentes factores comparar entre sí cuando lo miramos desde una perspectiva económica.

«Convertimos todo en un costo real: el costo de transportar masa desde la Tierra; el costo de la energía entregada en la luna; la pérdida de valor económico si tardamos mucho en construir. Al juntarlo todo, pudimos ver qué construcción métodos proporcionan el mejor valor para las operaciones lunares».

Descubrieron que la sinterización por microondas proporcionaba la mejor combinación de baja masa y alta velocidad en comparación con otros métodos. Esto fue particularmente cierto para la construcción del interior, la zona de alta temperatura de la plataforma de aterrizaje lunar (donde ocurren las quemaduras del cohete de despegue y aterrizaje). Este método también es el más favorable para construir la zona exterior de baja temperatura siempre y cuando los costos de transporte sean altos.

Sin embargo, en caso de que los costos de transporte a la cara lunar se puedan mantener en $110 por kg (alrededor de $50 por libra), el método más rentable cambió a la infusión de polímeros. También produjeron estimaciones sobre el costo total de construir el campamento base de Artemis ($ 229 millones), el hábitat de superficie que la NASA pretende construir alrededor de la cuenca del Polo Sur-Aitken. Estos se basaron en la advertencia de que los costos de transporte caerán de su tasa actual de $ 1 millón por kg ($ 454,545 por lb) a $ 300,000 por kg (~ $ 136,360 por lb).

Metzger dijo: «Descubrimos que el costo de construir una plataforma de aterrizaje durante el programa Artemis de la NASA es bastante asequible, aproximadamente el mismo costo que una nave espacial de clase Discovery de la NASA ($ 300 millones). Ese es un costo pequeño en comparación con muchos otros elementos de un programa de vuelo espacial humano. Por ese costo, el programa creará la primera instalación permanente construida en otro mundo, y también llevará los robots de construcción a la luna, para que puedan comenzar a realizar otras tareas, como construir hábitats humanos».

El concepto de la ESA para un hábitat alrededor del polo sur de la luna conocido como Lunar Village. Crédito: ESA

Estas estimaciones se reducen a $ 130 millones si los costos de transporte pudieran reducirse aún más a $ 100 000 por kg ($ 45 455 por lb) o a $ 47 millones si caen por debajo de $ 10 000 por kg ($ 4545 por lb). En última instancia, Metzger y Autry demostraron que se puede construir una base lunar de manera asequible, y el precio dependerá de la medida en que los costos de lanzamiento continúen disminuyendo en los próximos años. Estos hallazgos son de particular importancia dada la cantidad de agencias espaciales que buscan construir puestos de avanzada en el Polo Sur-Cuenca Aitken en esta década y la próxima.

Además del campamento base de Artemis, la ESA planea crear una base permanente conocida como International Moon Village. Como sucesora espiritual de la Estación Espacial Internacional (ISS), esta base albergaría tripulaciones rotativas de astronautas, estadías de larga duración y operaciones científicas en la Luna. No hace mucho tiempo, los representantes de los programas espaciales chino y ruso se unieron para anunciar una visión compartida de una base lunar: la Estación Internacional de Investigación Lunar (ILRS).

Anticipándose a la próxima era de la exploración lunar, la NASA y otras agencias espaciales continúan investigando tecnologías que permitirán una construcción rentable en la luna. Esto incluye un proceso de fabricación ISRU conocido como Sistema de Modificación Adaptativa (RAM) de Regolith, iniciado por investigadores de la Universidad de Texas A&M. Este proceso se centra en proporcionar una infraestructura en etapa inicial que facilitaría el transporte de equipos de sinterización o polimerización.

El campo base de Artemisa. Crédito: NASA

También hay un concepto de módulo de aterrizaje lunar en desarrollo por parte de Masten Space Systems con el apoyo del Instituto de Conceptos Avanzados (NIAC), Honeybee Robotics, Texas A&M y la Universidad de Florida Central (UCF). Este concepto incorpora un proceso conocido como técnica de rociado de alúmina en vuelo (FAST, por sus siglas en inglés), donde un módulo de aterrizaje inyecta partículas de aluminio en las boquillas de sus propulsores de aterrizaje para crear su propia plataforma de aterrizaje, lo que también mitiga el problema del polvo lunar que se levanta.

En esta década y la próxima, la humanidad estará regresando a la luna, esta vez para quedarse. No solo varias agencias espaciales enviarán astronautas, sino que se reclutarán socios comerciales para proporcionar servicios de transporte de carga útil y tripulación. Los turistas lunares e incluso los colonos pueden eventualmente seguirlos, lo que lleva a una presencia humana permanente y la primera generación de «Lunites» (o «Loonies»).

Este esfuerzo multinacional está fomentando la innovación en múltiples sectores y dando lugar a aplicaciones para la vida aquí en la Tierra. Después de todo, si vamos a asegurarnos de que los humanos puedan superar el problema ecológico que enfrentamos en la Tierra y vivir en el espacio, se requiere que seamos inventivos.

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