La clave para construir tu casa del futuro en Marte está en la impresión 3D con polvo lunar
La exploración espacial de ciencia ficción nos muestra en muchas ocasiones imágenes de astronautas realizando experimentos en la superficie de un planeta lejano. Los vemos regresar después a su pequeña base, formada esencialmente por la nave que los transportó.
Si llegan a efectuarse misiones espaciales más largas, habrá que disponer de una mayor infraestructura consistente en hábitats, plataformas de lanzamiento y aterrizaje, muros antideflagración, pantallas contra meteoroides, almacenamiento de combustible criogénico y de oxidante, entre otras cosas.
Para las futuras misiones tripuladas a Marte, habrá que contar igualmente con instalaciones construidas en la superficie del planeta donde vivan y trabajen los astronautas. Cabe preguntarse de qué material estarán hechas dado que, por las limitaciones para transportar material desde la Tierra, los futuros exploradores de Marte deberán aprender a construir empleando recursos que se encuentren en el planeta rojo. Tal vez sea este un problema de menor índole si tenemos en cuenta la dificultad que supone llevar una tripulación hasta allí, pero aun así encontramos toda una serie de dificultades que científicos e ingenieros del laboratorio de la NASA de mecánica granular y operaciones regolíticas (GMRO) están intentando resolver en el Centro Espacial Kennedy de Cabo Cañaveral.
Los edificios extraterrestres muy probablemente se construyan en el futuro haciendo uso de construcción aditiva empleando para ello una impresora 3D de gran tamaño, comenta Nathan Gelino, ingeniero de Investigación de la NASA que trabaja en el laboratorio GMRO (también conocido como Swamp Works). Si bien la construcción aditiva es un proceso ya probado y que incluso se emplea de forma rutinaria en nuestro planeta , utilizarlo en el exterior planteará retos importantes en materia de ingeniería, entre otras cosas por las peculiaridades del material que haya sido extraído del suelo extraterrestre y que deberán utilizar los astronautas para la construcción.
Los asteroides bombardean los cuerpos celestes rocosos tales como lunas, creando detritos finos que suben y vuelven a caer a la superficie planetaria. Con el paso de millones de años se va acumulando una capa profunda de roca aplastada que los científicos denominan regolito.
El regolito no es como la arena. En la Tierra, la arena pasa por un proceso continuo de desgaste por el efecto del viento, la lluvia y las mareas; los granos se van erosionando y van adquiriendo una forma mucho más redonda. Como estas fuerzas no están presentes en la Luna, los granos de regolito son muy afilados, como pequeños fragmentos de vidrio. Los científicos del GMRO calculan que el regolito basáltico de Marte tendrá las mismas propiedades minerales que el regolito basáltico de la Luna, de ahí que estén experimentando con simuladores terrestres. Aunque el regolito lunar está disponible, se encuentra en una caja fuerte. Gelino comenta que “son muestras muy escasas”, añade que “no se utilizan a no ser que sea estrictamente necesario”.
Trabajar con dicho material supone cierto peligro. Al igual que todo polvo fino de roca, es peligroso para el sistema respiratorio; el regolito puede ser cancerígeno para los pulmones de la misma forma que lo es el amianto. El laboratorio GMRO está utilizando Black Point 1 (BP-1), un producto residual proveniente de la producción de asfalto y que tiene propiedades similares al regolito lunar. Contiene sílice, de ahí el peligro de silicosis para los investigadores, que deben llevar equipos de protección respiratoria.
Gelino comenta que “la abrasión es el problema más importante en el espacio. Como los granos son como fragmentos de vidrio, adquieren carga electrostática y suben con facilidad. Al observar detenidamente las imágenes de las misiones Apolo en las que los astronautas aparecen caminando por la superficie lunar, vemos que en muchas de ellas están cubiertos de suciedad. Se trata partículas cargadas que se adhieren a las superficies, incluidos los trajes y los guantes de los astronautas. Es como si los pliegues del traje espacial estuvieran repletos de minicuchillos. La abrasión puede rápidamente desgastar las superficies externas. Los astronautas de la misión Apolo descubrieron que el ciclo de vida de sus trajes, especialmente de sus guantes, sufría limitaciones por esta razón”.
Y si los tejidos afrontan un problema, las máquinas también. Brad Buckles, colega de Gelino, explica que “los ingenieros deberán evitar que el regolito entre en contacto con juntas rotatorias o con superficies deslizantes. La abrasión ha supuesto también un problema con la impresora 3D que utilizamos. Hay mucha rugosidad en el tornillo de alimentación, el cilindro y la boquilla durante el proceso de extrusión del material por el sistema”.
Buckles indica que “el regolito se comporta de forma peculiar” si lo comparamos con otros materiales de construcción aditiva. No se mueve con la fluidez de la arena de playa en un reloj de arena, sino que se amontona, apelmaza, atasca y “queda atrapado”. Los ingenieros de la NASA han desarrollado toda una serie de estrategias para conseguir la fluidez necesaria que permita la impresión 3D con regolito. Estos mismos ingenieros insisten en que la construcción aditiva con regolito podrá ser una realidad. Es también importante mencionar que la construcción de infraestructuras fuera de la Tierra requerirá igualmente de un replanteamiento de las infraestructuras en sí.
Gelino comenta que “en la Tierra todo pesa muchísimo y además empleamos acero y hormigón, que son materiales de por sí muy pesados“. Enviar 40 bolsas de hormigón a la Luna supondría un coste inaudito y los cohetes de que disponemos actualmente tienen una capacidad de carga útil limitada“.
Por todo ello la NASA deberá concentrarse en el uso de recursos in situ, y conseguir que los exploradores espaciales aprovechen el terreno local. Los ingenieros de la NASA pretenden usar todo montón de suciedad que exista fuera de la Tierra como recurso y de donde extraer hidrógeno y oxígeno para producir agua o incluso los elementos básicos que permitan obtener acero a base de hierro y silicio. “Si nos acostumbramos a trabajar de esta forma, tomaremos conciencia de todo aquello que se puede hacer con un montón de regolito, cosas en las que no pensamos habitualmente en la Tierra”, comenta Gelino.
Toda persona que haya construido castillos de arena o trabajado con hormigón y pretenda construir edificios en el espacio mediante impresión 3D se preguntará si será necesario emplear agua en el proceso o no.
Según Gelino, la respuesta no es categórica. Si bien es cierto que se necesita agua para elaborar ciertos tipos de hormigón afortunadamente no escasea fuera de la Tierra tanto como se creía. Es posible recolectar agua en forma de hielo en Marte y en las sombras de los cráteres profundos de la Luna. Se puede además hacer una síntesis química a partir del hidrógeno y el oxígeno, elementos que abundan en los minerales regolíticos hidratados de Marte.
Gelino añade también que existen otros tipos de hormigón que pueden fabricarse sin agua. Indica que “el material utilizado en nuestros experimentos de construcción aditiva es regolito mezclado con polímeros residuales. Se pueden obtener polímeros en forma de basura proveniente de astronautas y contenedores de transporte, o pueden también sintetizarse. Pueden emplearse como aglomerante de regolito, con una relación relativamente baja de polímero-regolito y obtener así un material de construcción que se asemeje en gran medida al cemento Pórtland en cuanto a compresión y que sea 20 veces más resistente a la tracción“.
Los ingenieros de la NASA también han sinterizado regolito en varios tipos de adoquines o ladrillos. El proceso consiste en moldear el material a alta temperatura. “El producto final tiene una consistencia similar a la arenisca”, comenta Gelino. El calor necesario (en torno a 1200 grados Celsius) requiere de gran cantidad de energía, algo que según Gelino supone una limitación pero no un problema insuperable.
La capacidad de carga útil de los cohetes de transporte determinará el tamaño de los equipos de construcción que podrán enviarse a la Luna o a Marte. La impresora 3D que utiliza el equipo de Gelino está formada por un extrusor montado en un brazo robótico industrial capaz de generar una construcción de aproximadamente 1,8 m de altura y de 2,4 m de anchura. Se trata de un sistema-prueba de concepto porque una solución lista para el vuelo deberá ser más ligera y mejor adaptada para operar en condiciones de frío extremo, alta radiación y condiciones de vacío.
Según Gelino, el ideal sería tener un proceso de construcción aditiva completamente robotizado. Podría incluso enviarse la impresora al destino antes que los astronautas, de tal forma que pudiera construir la infraestructura necesaria.
La NASA evalúa las tecnologías emergentes en función del nivel de preparación tecnológica (TRL, por sus siglas en inglés). Se puede así analizar en qué medida una innovación está lista para ser implementada situándola en una escala del 0 al 9. Una innovación tipo TRL 1 sería un principio básico o un concepto no realizado. Gelino añade que “una tecnología TRL 9 es aquella que está lista para el vuelo. El laboratorio GMRO trabaja por lo general con innovaciones de niveles TRL 1 a TRL 5. Se trata, por lo tanto, de conceptos realmente innovadores que pueden cambiar la forma de plantearnos ciertas cosas“.
Gelino sitúa la construcción aditiva fuera de la Tierra en niveles comprendidos entre TRL 2 y TRL 3. Afirma que “después de haber demostrado que es un concepto viable estamos ahora trabajando para definir sus propiedades y mejorar sus prestaciones, debemos para ello tener un conocimiento más profundo del regolito y la forma cómo se comporta, especialmente con respecto a su capacidad portante y resistencia para ser utilizado como material de construcción.