Hacia la utilización de recursos en el espacio: brechas de conocimiento, preguntas abiertas y prioridades

npj Microgravity volumen 9, Número de artículo: 22 (2023) Citar este artículo

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Hay muchas cuestiones científicas abiertas en la utilización de los recursos espaciales debido a la novedad y la relativa inmadurez del campo. Si bien se han propuesto muchas tecnologías potenciales para producir recursos utilizables en el espacio, el diseño a gran escala y de alta confianza está limitado por las lagunas en el conocimiento de las condiciones ambientales locales, la geología, la mineralogía y las características del regolito, así como por cuestiones científicas específicas intrínsecas a cada proceso. Además, las restricciones de ingeniería (por ejemplo, energía, rendimiento, eficiencia, etc.) deben incorporarse al diseño. Este trabajo tiene como objetivo resumir brevemente las actividades recientes en el campo de la utilización de los recursos espaciales, así como identificar las brechas de conocimiento clave y presentar preguntas científicas abiertas. Finalmente, se destacan las futuras prioridades de exploración para permitir el uso de los recursos espaciales.

El uso de los recursos espaciales es fundamental para el futuro de la exploración del espacio profundo a largo plazo. La exploración espacial presenta desafíos para la sostenibilidad; Los lanzadores de un solo uso, los satélites no recargables y la necesidad de que todo el hardware y los consumibles se suministren desde la Tierra, agregan un uso de recursos y un costo apreciables a los programas espaciales. Afortunadamente, se están logrando avances significativos: SpaceX y Blue Origin están demostrando el valor de los sistemas de lanzamiento reutilizables1; El reabastecimiento de combustible en órbita está siendo desarrollado por nuevas empresas como Orbit Fab y Orbital Express, así como por actores establecidos, como Airbus y Busek2.

El uso de los recursos espaciales para proporcionar propulsor, alojamiento y materiales críticos para sustentar la vida humana (p. ej., agua, oxígeno) desbloqueará todo el potencial de la exploración espacial, lo que permitirá a los humanos viajar más lejos y pasar más tiempo en el espacio3,4,5. Esto transformará la economía de la exploración espacial.

El uso de recursos espaciales, conocido como utilización de recursos in situ (ISRU), o más generalmente como utilización de recursos espaciales (SRU), no es un concepto nuevo. Meurisse y Carpenter6 proporcionan una historia detallada de SRU. En resumen, la utilización de los recursos espaciales fue sugerida por primera vez por Konstantin Tsiolkovsky, ampliamente considerado el creador de los enfoques modernos de los cohetes, en 19037,8. Lunar SRU fue propuesto por Clarke9 en la década de 1950. Durante la Era Apolo en la década de 1960, Carr10 sugirió SRU como un medio práctico para reducir la masa de lanzamiento y la dependencia terrestre. En los siguientes 50 años, el concepto ha crecido en madurez. Se han realizado muchos estudios terrestres para diseñar y probar tecnologías candidatas (p. ej., refs. 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17).

A partir de 2022, SRU se ha demostrado solo una vez en el espacio, a pesar de que estas tecnologías juegan un papel clave en los mapas de ruta de exploración espacial de la ESA y la NASA12,18. La carga útil MOXIE (Mars OXygen ISRU Experiment) a bordo del Perseverance Rover de la NASA produjo oxígeno de la atmósfera rica en CO2 de Marte en 2021 mediante electrólisis de óxido sólido19. Las misiones de demostración de SRU lunares están en desarrollo (p. ej., refs. 20, 21), y las misiones preliminares para probar nuevos marcos legales y económicos de SRU están programadas para 2023, por ejemplo, HAKUTO-R Mission 1 de ispace inc., actualmente en camino a la Luna22,23.

Hoy en día, el acceso y uso de los recursos espaciales es un enfoque de muchas agencias espaciales18,24,25,26,27, gobiernos28,29,30,31, organizaciones intergubernamentales32,33 e industria privada34,35,36. Más recientemente, ha habido un interés renovado en SRU para una serie de aplicaciones, tales como:

Producir oxígeno y metales en la Luna y Marte (por ejemplo, refs. 19,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46);

Extraer agua de los polos lunares (p. ej. refs. 47,48,49,50,51);

Extracción de agua, volátiles y metales de objetos cercanos a la Tierra (por ejemplo, refs. 52,53,54,55,56,57,58);

Construcción de hábitats y refugios térmicos, incluso mediante fabricación aditiva (p. ej. refs. 59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70); y,

La fabricación de equipos y tecnología a partir de recursos locales (por ejemplo, refs. 71,72,73,74,75,76).

Los proyectos SRU a escala de demostración son un primer paso viable y necesario para la industria. Su éxito ampliará considerablemente la base de conocimientos de la SRU y las comunidades científicas lunares. El conocimiento detallado de las características locales de geología, mineralogía y regolito mejorará enormemente la confianza en los diseños de sistemas de minería, extracción y producción a escala industrial. Deben abordarse otras cuestiones científicas, intrínsecas a cada proceso específico, para optimizar el diseño de sistemas a escala industrial. Tanto las condiciones ambientales de operación (p. ej., ambientes electrostáticos y de radiación locales) como las restricciones de ingeniería (p. ej., uso de energía, rendimiento requerido, eficiencia esperada, etc.) afectarán significativamente los diseños de los equipos77). El éxito de los procesos de utilización de recursos a gran escala depende, por lo tanto, de un conocimiento suficiente del recurso específico y la región de interés, así como de la capacidad tecnológica requerida para extraer productos útiles.

Este trabajo se desarrolló siguiendo el ejercicio del Libro Blanco de Recursos Espaciales SciSpacE de la Agencia Espacial Europea. Aquí, se identifican las lagunas de conocimiento, las preguntas científicas abiertas y las prioridades de investigación para la ciencia lunar y las comunidades SRU. A medida que se aclaren las capacidades y limitaciones de SRU a través de demostraciones in situ, será posible abordar muchas de estas brechas y preguntas y, al hacerlo, mejorará en gran medida el desarrollo de tecnologías de SRU a gran escala. Además, responder a estas preguntas proporcionará un enorme valor a la comunidad científica.

La extracción y uso de recursos espaciales es análoga a la extracción y uso de recursos terrestres78,79. Primero, el recurso dado (p. ej., oxígeno, hielo de agua) debe identificarse a través de la prospección y la exploración de la verdad del terreno para aumentar la certeza80,81. Debe entenderse la composición del material circundante y las características del recurso específico dentro de ese material huésped. También se requiere la variabilidad en la distribución del recurso en una determinada región. Por ejemplo, el hielo de agua presente dentro del regolito o enterrado bajo el regolito en los polos lunares varía tanto espacialmente como en profundidad50,82. La adopción de estándares de la industria terrestre debidamente modificados y las mejores prácticas para la exploración y la presentación de informes (por ejemplo, JORC y LORS81), así como una terminología común78 fomentará la participación y atraerá inversiones de actores no espaciales en SRU.

La cadena de tecnologías vinculadas entre sí para procesar un cuerpo mineral particular en la Tierra se describe mediante un diagrama de flujo78. El diagrama de flujo se puede subdividir ampliamente en tres etapas clave: excavación, beneficio y extracción del producto final78. La excavación se ha explorado a fondo en la literatura83, al igual que los métodos de extracción84. El beneficio es el proceso en el que el material extraído se rompe o aglomera y se clasifica por tamaño en un rango adecuado para su posterior procesamiento, y también para concentrar un componente de interés (por ejemplo, agua o ilmenita) mediante la eliminación física de los componentes no deseados. El beneficio del material espacial extraído en una forma adecuada para la extracción del producto final requerido se ha estudiado mucho menos en comparación85.

En la minería terrestre, el recurso, el material circundante, la ubicación y la tecnología utilizada para extraer el recurso se combinan en el diagrama de flujo del proceso de manera que:

El recurso específico y su ubicación se orientan según la tecnología disponible; o,

La tecnología está diseñada para cumplir con los requisitos de extracción de un recurso objetivo específico.

Las misiones de demostración para probar las tecnologías SRU y aumentar los TRL tienen un valor inmenso para caracterizar las entradas potenciales al diagrama de flujo. Sin embargo, las características del material de acogida de recursos en la Luna, Marte o en cualquier otro lugar del espacio también son entradas clave para el diseño del diagrama de flujo. Las tecnologías de procesamiento requeridas deben elegirse para maximizar la confianza en los niveles de producción del recurso, así como la eficiencia operativa general. No es apropiado suponer que un enfoque de excavación, beneficio y extracción de "talla única" sería adecuado para SRU. Las operaciones de minería terrestre seleccionan cuidadosamente el equipo de minería utilizado en función de las características del recurso objetivo; una SRU se beneficiará indudablemente de adoptar un enfoque similar.

La utilización de los recursos espaciales requiere soluciones de ingeniería para producir un suministro fiable de productos utilizables a partir de una materia prima naturalmente variable77. El uso de recursos minerales para SRU sigue sin probarse en ningún lugar del espacio, sin embargo, esto cambiará en los próximos años con misiones de demostración (p. ej., PROSPECT), la exploración de los polos lunares y las próximas misiones de recolección de regolito de la NASA20,22. Para que SRU se convierta en una opción factible para futuros viajes espaciales, será importante que las primeras misiones de demostración aborden tantas cuestiones científicas abiertas como sea posible, ya que esto permitirá, en última instancia, la implementación de SRU a escala industrial.

Quedan muchos aspectos de SRU que están mal cuantificados, debido a la falta de datos y muestras disponibles, y las limitaciones con la demostración de tecnologías espaciales en la superficie de la Tierra. Los datos necesarios para habilitar SRU en el futuro se pueden clasificar en dos grupos: datos ambientales y datos de recursos. Dichos datos tendrán además un valor científico intrínseco.

Los datos ambientales son críticos para el desarrollo de equipos robustos con alta disponibilidad operativa y uso a largo plazo en mente. El conocimiento profundo de las condiciones ambientales locales tendrá un impacto directo en las elecciones de diseño realizadas para garantizar que solo se implementen las tecnologías más sólidas y confiables. El entorno operativo afectará significativamente el diseño y la operación de cualquier proceso, por ejemplo:

Variación en las propiedades electrostáticas del regolito bajo diferentes condiciones (por ejemplo, día y noche);

Diseñar operaciones para menor gravedad, diferentes características atmosféricas o ausencia total de atmósfera;

Diseñar para soportar temperaturas extremadamente altas y bajas, y el proceso de ciclo a través de ellas;

Manejo de materiales en ambientes polvorientos;

Ambiente de radiación local; y,

Diseño para confiabilidad y durabilidad.

Los datos de recursos son imprescindibles para seleccionar las tecnologías apropiadas para las operaciones de SRU. Estos datos deben especificar:

La ubicación del recurso;

Las propiedades del recurso (por ejemplo, concentración, fase, asociaciones);

Las propiedades del material huésped (p. ej., mineralogía del regolito, distribución del tamaño de las partículas, forma de las partículas, propiedades geotécnicas);

La variabilidad en las propiedades del recurso y del material huésped (por región, por ubicación y por condiciones ambientales); y,

El efecto de las propiedades del recurso en la utilización (por ejemplo, eficiencia del reactor, resistencia de la construcción).

Para cerrar estas brechas, los conjuntos de datos orbitales de alta resolución deben capturarse y correlacionarse con las actividades de exploración de la verdad en tierra en objetivos seleccionados. Como ilustración, de las propuestas que se han desarrollado anteriormente para la explotación de recursos a gran escala, varias se han centrado en la extracción de hielo de agua en los polos lunares para la producción de propulsor (p. ej., refs. 17, 47, 48). Estas elaboraciones detalladas de las instalaciones de producción en la Luna se basan en suposiciones sobre la forma, la cantidad, la variabilidad y el comportamiento del regolito helado. En la actualidad, no hay datos de verdad sobre el terreno para verificar ninguno de estos supuestos, y existen grandes incertidumbres asociadas con ellos86. Se debe realizar una prospección rigurosa y una exploración veraz del terreno para elevar el nivel de certeza geológica80,81. Esta es una práctica estándar en la Tierra para el desarrollo económico de las minas, y será igualmente relevante para SRU80,81.

Las muestras de regolito devueltas por las misiones Apolo y Luna de las décadas de 1960 y 1970 tienen un valor increíble para probar aparatos a escala de banco, sin embargo, la cantidad de material lunar disponible para la prueba es insuficiente para desarrollar equipos a escala industrial. Además, el desarrollo exitoso de demostradores SRU terrestres dependerá de la disponibilidad de simuladores adecuados. Sin embargo, la comunidad científica, junto con los actores del sector público y privado, deben acordar un enfoque estandarizado para la caracterización del regolito lunar y los simuladores de regolito lunar. Tal estándar permitiría comparaciones honestas, transparentes y similares de las materias primas y el rendimiento del equipo, así como también proporcionaría una justificación para el uso de ciertos simuladores para cualquier demostración de tecnología dada.

Hay muchas cuestiones científicas abiertas en la utilización de los recursos espaciales debido a la novedad y la relativa inmadurez. Las siguientes preguntas abiertas se centran específicamente en los aspectos de la ciencia aplicada necesarios para escalar SRU a una escala industrial económicamente viable. Uno de los beneficios de este campo es que, con un diseño cuidadoso, los datos y muestras necesarios para diseñar procesos SRU también se pueden utilizar para responder preguntas abiertas de interés para la comunidad científica lunar.

¿Qué características del recurso se requieren para establecer la viabilidad de un recurso? Esto abarca las características del recurso específico, como la concentración y la ocurrencia, además de las del material huésped. Las propiedades del regolito, como la distribución del tamaño, la textura, la cohesión, la carga electrostática y la mineralogía, serán de interés85,86. También se debe considerar la cantidad mínima de datos para aumentar la certeza geológica de un yacimiento y cómo se recopilan77,78,80,81. El uso de dichos conjuntos de datos en estudios científicos fundamentales (por ejemplo, geología, evolución planetaria) debería ser un factor clave en la planificación de minas extraterrestres.

¿Cómo han afectado los procesos geológicos y ambientales a las propiedades de los recursos y cómo afectan estas propiedades a los procesos de extracción? Los factores ambientales incluyen procesos geológicos (p. ej., vulcanismo, formación de corteza), impactos (entrega de recursos versus pérdida de recursos durante el reprocesamiento del impacto), exposición al viento solar y rayos cósmicos, y anomalías magnéticas. Hay muchas preguntas científicas fundamentales que se pueden abordar mediante la comprensión de los procesos geológicos y ambientales que ocurren en la región de un recurso espacial determinado, por ejemplo, la tasa de impacto para crear un entorno de regolito local. Sin embargo, para las aplicaciones de recursos espaciales, estos procesos afectarán la composición y las características del recurso y el material huésped (p. ej., profundidad de enterramiento, porosidad, contenido de aglutinantes)87,88,89. Las propiedades geotécnicas, por ejemplo, se ven afectadas por la composición geológica (mineralogía, química), el impacto y el historial de exposición espacial del regolito lunar90.

¿Cómo afectan las condiciones ambientales locales al recurso y las operaciones potenciales? Por ejemplo, carga electrostática de regolito, gravedad, condiciones térmicas, condiciones atmosféricas y radiación. Se sabe que la carga electrostática del regolito lunar presenta desafíos operativos, particularmente en lo que respecta a la confiabilidad91,92,93,94. No es posible replicar simultáneamente todos los aspectos del entorno lunar en la Tierra, y aunque se están realizando rápidos desarrollos en el campo de los simuladores de regolito95,96,97, la producción de aglutinados sigue siendo difícil a cualquier escala98. Quedan dudas sobre la magnitud y distribución de la carga electrostática del regolito, y sobre cómo se puede mitigar. Los estudios in situ son fundamentales para mejorar la comprensión. Otro aspecto de interés es la tasa de cambio de las condiciones ambientales (por ejemplo, la atmósfera de Marte).

¿Cuál es la variabilidad de los recursos en una región objetivo y el efecto sobre el procesamiento y la variabilidad del producto extraído? La variabilidad es un aspecto del uso de los recursos que es fundamental a largo plazo. La variabilidad en el recurso y el material huésped afecta cada paso del proceso, desde la excavación hasta la purificación del producto final77,99. Además, la comprensión de los procesos geológicos, como se destacó anteriormente, permitirá una mejor predicción de la variabilidad de los recursos.

¿Cuáles son los procesos físicos y químicos que se pueden aplicar para extraer y procesar los recursos locales? Se han propuesto muchos procesos83,84,85, sin embargo, no todos son apropiados para todos los lugares (p. ej., reducción de hidrógeno en las tierras altas lunares100). Se requieren estrategias para establecer la ubicación más adecuada o el proceso más adecuado. También se debe considerar el efecto de las condiciones locales sobre la eficiencia del proceso; esto incluye las características de la materia prima. También se requiere el procesamiento integral del recurso, incluida la eliminación/reutilización de desechos y el almacenamiento del producto.

El diseño confiable y la operación exitosa de operaciones de procesos de SRU a gran escala o a escala industrial requieren un conocimiento detallado del recurso específico de interés y tecnologías de extracción adecuadas. La prioridad para las misiones de demostración a corto plazo y los futuros programas de exploración debe ser recopilar datos de alta resolución y alta fidelidad sobre las características de rendimiento del equipo, las condiciones ambientales locales y la disponibilidad de los recursos objetivo. El sector de la minería terrestre tiene una gran experiencia en la exploración de recursos; La combinación de esta base de conocimientos con la de los científicos lunares/planetarios permitirá el desarrollo de una estrategia realista, cumpliendo tanto los objetivos científicos como habilitando SRU. Además, se requiere un amplio programa de desarrollo de tecnología básica y auxiliar, que incluya optimización y evaluación del rendimiento. Esto, a su vez, mejorará el diseño y el desarrollo de tecnologías sólidas de SRU al tiempo que aporta un conocimiento invaluable a la comunidad científica.

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Los autores desean agradecer a la Agencia Espacial Europea (ESA) por la oportunidad de contribuir al ejercicio del Libro Blanco de SciSpacE, así como por apoyar esta presentación para la edición especial de npj Microgravity. También nos gustaría agradecer al equipo temático de la ESA en 'Un diagrama de flujo de producción de recursos completo para materiales lunares', financiado por el contrato de la ESA 4000123986/18/NL/PG.

Estos autores contribuyeron por igual: Jan Cilliers, Kathryn Hadler, Joshua Rasera.

Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Tierra, Imperial College London, Exhibition Road, Londres, SW7 2AZ, Reino Unido

Jan Cilliers, Kathryn Hadler y Joshua Rasera

Centro Europeo de Innovación de Recursos Espaciales (ESRIC), Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo (LIST), Maison de l'Innovation, 5, avenue des Hauts-Fourneuax, Esch-sur-Alzette, L-4362, Luxemburgo

kathryn hadler

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JJC y KH fueron responsables de desarrollar los antecedentes del proceso, el análisis de brechas y la identificación de preguntas abiertas, la revisión del documento y la edición general. JNR fue responsable del desarrollo de la introducción, la revisión de la literatura, la síntesis de la literatura y las lagunas/preguntas abiertas, la revisión de la estructura del artículo y la edición general.

Correspondencia a Jan Cilliers.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Cilliers, J., Hadler, K. & Rasera, J. Hacia la utilización de recursos en el espacio: brechas de conocimiento, preguntas abiertas y prioridades. npj Microgravedad 9, 22 (2023). https://doi.org/10.1038/s41526-023-00274-3

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Recibido: 03 Agosto 2022

Aceptado: 13 de marzo de 2023

Publicado: 25 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41526-023-00274-3

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