Una mina en la luna

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Imagen de spaceports.blogspot.com
Queridos lectores,

A raíz de un lamentable desliz que tuve en un programa de radio (en el que erré en varios órdenes de magnitud la cantidad de energía necesaria para transportar un kilo de material al espacio) me ha parecido interesante hacer una revisión crítica (y mejor fundada que aquel cálculo apresurado y erróneo) sobre qué implica intentar aprovechar explotaciones minerales en el espacio, también para contestar algunas tonterías recurrentes sobre la extracción del helio-3 en la Luna o la de enviar todos los residuos radiactivos al Sol. He tenido la fortuna de que Luis Cosin se ha ofrecido para hacer el trabajo por mi (liberándome por tanto del esfuerzo de documentar el tema) y lo cierto es que Luis ha escrito un análisis excelente. Con Luis les dejo.

Salu2,
AMT


 MINERÍA TERRESTRE … ¿YEXTRATERRESTRE?

Abundancia relativa de losdiferentes elementos químicos en el planeta Tierra
La formación del planeta que habitamostuvo diversas fases que explican la abundancia relativa de losdiferentes elementos químicos en cada una de sus estructuras.
Hace unos 6.000 millones de años, laTierra era una masa fundida de material interestelar. Esto permitióque, debido a la gravedad, los materiales más densos(fundamentalmente Hierro en un 70%, junto a menores cantidades deNíquel, Iridio y otros elementos pesados) se hundieran lentamentehacia el centro.
Mientras, los más ligeros flotaronhacia la corteza, cuya composición aproximada es la siguiente:
http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Distribucion_en_peso_de_los_elementos.jpg
Oxígeno (en forma de óxidos y salesaniónicas), Silicio, Aluminio, Hierro, Calcio/Estroncio, Magnesio,Sodio y Potasio dan cuenta del 99,2% de la corteza terrestre. 
Notar la relativa escasez de unelemento fundamental como es el Carbono, menos del 0,8%, y sinembargo toda la vida del planeta es posible sólo gracias a él.
Los elementos químicos más ligeros,hasta el Hierro (número atómico 26) se forman rutinariamente en lasestrellas, mediante la fusión sucesiva de núcleos de Hidrógeno yHelio a grandes presiones y temperaturas de varios millones de grados(un proceso que se intenta replicar a menor escala en nuestro planetaen los reactores de fusión) lo que explica su mayor abundanciarelativa en el Universo en general y en nuestro planeta enparticular. De todas formas, son extraordinariamente escasos: Seestima que un 98% del Universo es Hidrógeno, y un 99,99%, Hidrógeno+Helio.
Los otros elementos químicos másdensos, como el Plomo o el Uranio, no se forman fácilmente, puesrequieren temperaturas y presiones que no se dan ni siquiera en elnúcleo de de las estrellas más grandes.
Se piensa que su formación tiene lugaren eventos muy especiales que ocurren esporádicamente y liberancantidades de energía fabulosas: las explosiones de estrellassupergigantes (supernovas) cuando éstas llegan al final de su ciclode vida. 
El hecho de que en nuestro planeta,aunque raros, se encuentren elementos como el Plomo, el Oro o elUranio, muestra que la nube de materia a partir de la cual se formóel sistema solar debió “barrer” una o más regiones de lagalaxia regadas con escombros de supernovas, o quizá que unaexplosión de supernova cercana y su correspondiente onda expansivafueron los desencadenantes de la formación del Sistema Solar.
Los elementos más pesados o son muyraros en la Tierra o son propensos a la combinación química conelementos más ligeros, y por tanto permanecen en la superficie. Encierto sentido, somos afortunados por vivir en un planeta en el queexistan trazas de estos elementos y que se hayan mantenido en lasuperficie del mismo, a nuestro alcance.
La Tierra es el planeta más densodel Sistema Solar. Recordemos esto para más adelante.

La minería terrestre
¿Qué tipo de materiales esperamosencontrar entonces en la minería terrestre? 
De la discusión anterior, concluimosque elementos ligeros (hasta el Hierro) y trazas de elementos pesadosque se encuentren en combinación con otros elementos ligeros(óxidos, sulfatos, hidróxidos, carbonatos, nitratos…etc.).
La actividad tectónica de nuestroplaneta, con un magma fundido que emerge esporádicamente en forma devolcanes y cordilleras dorsales, trae a la superficie nuevas hornadasde materiales pesados que son susceptibles de ser aprovechados.
Sin embargo, el ritmo de extracción delas menas conocidas es tan alto que en pocos años habremos agotadobuena parte de ellas y estaremos a expensas de encontrar nuevosyacimientos. 
Un ejemplo paradigmático es la mena deUranio:
http://ourfiniteworld.com/2011/07/05/uranium-supply-update/
Así, dado que las posibilidades queofrece nuestro entorno son limitadas, quizá en breve empecemos aexperimentar “cuellos de botella” provocados por la incapacidadde aumentar la extracción de ciertos elementos críticos: Molibdenoy Wolframio para aleaciones, Lantano y tierras raras para componenteselectrónicos miniaturizados, Uranio para instalaciones nucleares,Tantalio (quién no ha oído hablar de la guerra del “coltan”)…etc.son candidatos a protagonizar conflictos en el futuro.

La minería extraterrestre
Con las limitaciones anteriores, se nospuede ocurrir la idea obvia: ¿por qué no buscar fuera? 
Después de todo, sólo en nuestroSistema Solar hay otros 7 planetas (y multitud de satélites,planetoides y asteroides) en los que quizá encontremos aquellosmateriales que empiezan a escasear en el nuestro.
Las obras de ciencia ficción muestranun futuro optimista de sociedades avanzadas embarcadas en grandesproyectos de comercio interplanetario (o, exagerando aún más,intergaláctico!), buscando más allá de sus planetas y estrellas deorigen los materiales y la energía necesarios para mantener suscivilizaciones ultra-desarrolladas.
Pero este tipo de aventuras no separece en nada a algo que hayamos visto o experimentado hasta ahora.Es otra escala de espacios y de tiempos.
Teniendo en cuenta que una UnidadAstronómica (UA), definida como la distancia media de la Tierra alSol, equivale a 149.597.870 km, estamos hablando de distancias devarios miles de millones de km, que la luz tarda horas encruzar:

Planeta Diámetro ecuatorial Masa Radio orbital Periodo orbital Periodo de rotación
(Tierra=1) (Tierra=1) (promedio, UA) (años) (días)
Sol
109,00
332 950
0,00
0,00
25-35
Mercurio
0,38
0,06
0,38
0,24
58,60
Venus
0,95
0,82
0,72
0,62
-2431,00
Tierra
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
Marte
0,53
0,11
1,52
1,88
1,03
Júpiter
11,20
318,00
5,20
11,86
0,41
Saturno
9,41
95,00
9,54
29,46
0,43
Urano
3,98
14,60
19,22
84,01
0,72
Neptuno
3,81
17,20
30,06
164,79
0,67
A modo de comparación, el ecuadorterrestre tiene “sólo” 40.000 km de longitud, 5.000 veces menos.Las sondas Voyager, los objetos más veloces jamás construidos,propulsadas por combustible nuclear y viajando a la increíblevelocidad de 17 km/s, tardaron 28 años en alcanzar los límites delSistema Solar.
Encontrar lo que buscamos en unescenario tan vasto no es fácil.

¿Qué podemos encontrar?
Antes de ponernos a buscar, deberíamostener una expectativa realista sobre lo que esperamos encontrar. Estáclaro que la minería extraterrestre no tiene demasiado sentido paraminerales de Magnesio, Hierro o Aluminio, cuya abundancia en nuestroplaneta es alta (a no ser que el objetivo sea establecer una coloniaextraterrestre, pero esto si que es ciencia ficción!).
Con suerte, esperamos encontraryacimientos con suficiente abundancia de algún elemento raro. ¿Dóndebuscaríamos?

En los grandes, no
Podemos descartar los grandes planetas gaseosos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) ya que son un 99,99%Hidrógeno y Helio, con un pequeño núcleo rocoso escondido en suinterior, inaccesible bajo una gruesa y tempestuosa atmósfera devarios miles de km de grosor.
Quizá sus lunas, pequeñas y rocosas,tengan lo que buscamos. Pero siguen estando muy lejos.

Sólo nos quedan los planetas máscercanos
Mercurio, Venus y Marte son candidatos,igual que nuestra Luna. 
Mercurio está demasiado cercadel Sol y es demasiado extremo (350 °C por el día y –170 °Cpor la noche). No tiene atmósfera y el viento solar (partículascargadas eléctricamente a velocidades cercanas a la de la luz)destruye rápidamente los aparatos. La sonda Messenger logró llegarhasta el planeta y sobrevivió apenas unas semanas.
Venus, a pesar de su sugerentenombre, es un infierno a más de 400 °C con una atmósfera altamentecorrosiva de ácido sulfúrico, 90 veces más densa que la nuestra ysometida a vientos muy fuertes. Las rocas en su superficie seencuentran semifundidas debido al efecto invernadero extremo. Noparece un objetivo viable a corto o medio plazo.
La Luna está a una distanciaaccesible (384.400 km) y ya hemos estado allí varias veces(supuestamente para algunos!). 
Su composición es con todaprobabilidad, muy similar a la de la corteza terrestre. De hecho, lahipótesis más generalizada hoy en día es que el sistemaTierra-Luna se formó como resultado de un gran impacto: un cuerpoceleste del tamaño de Marte colisionó con la joven Tierra, lanzandogran cantidad de material en órbita alrededor de esta, que sufrióun proceso de agregación para formar la Luna.
Marte, en cambio, es un mundolejano (800 millones de km en su punto más cercano a nuestroplaneta, casi 3.000 veces más que la Luna) y su composición, aunquerazonablemente estimada, sigue siendo un misterio. 
Mucho menos denso que la Tierra (casila mitad), es de esperar que abunden sobre todo elementos ligeros, enuna proporción incluso mayor que la Tierra. Pero esos elementos sonjustamente los que no necesitamos.

La extracción
Aunque las técnicas de extracción yprocesado podrían ser similares en muchos aspectos a las de laminería terrestre a cielo abierto, hay que tener en cuenta una seriede condicionantes:
  • Ni en la Luna ni en Marte disponemos de combustibles fósiles, y mucho menos aire con suficiente oxígeno como para quemarlos. Estaríamos dependiendo de energía solar, eólica o nuclear. Esto implica trasladar, montar y mantener enormes instalaciones termosolares, fotovoltaicas, eólicas o nucleares. La disponibilidad de Cobre (número atómico 28, posterior al Hierro en la tabla periódica y por tanto, escaso) y otros elementos pesados sería un factor seriamente limitante.

  • Tampoco disponemos de suficiente agua líquida para el lavado de los materiales y su tratamiento químico. Teniendo en cuenta que los costes de transporte serían mucho más altos (ver el punto siguiente) sería vital conseguir materiales de la máxima pureza posible para mejorar la eficiencia del transporte.

  • Otro desafío es el trabajo de construcción y el mantenimiento de las instalaciones, que debería ser realizado por robots con mínima presencia humana y supervisión a distancia. Estamos hablando de robots auto-reparables y con capacidad de decisión (¿inteligentes?). Actualmente no disponemos de esa tecnología. No hay plantas industriales que funcionen durante años sin presencia humana, mucho menos en un entorno tan hostil como la superficie lunar o marciana. ¿Necesitamos tecnología de Star-Trek?

El transporte
La velocidad de escape es una medida dela energía necesaria para poder sacar un objeto fuera del campogravitatorio de un planeta (lo que es condición necesaria para poderalcanzar otros planetas o satélites).
La velocidad de escape de la Tierra esde 11,2 km/s. La de la Luna 2,4 km/s y la de Marte 5,1 km/s.Traducido a energía por kilogramo de masa (usando la ecuación queda la energía cinética E = m*v^2 / 2 ) nos da lo siguiente(asumiendo un poder calorífico de 46,0 MJ/kg de gasolina y unadensidad de 680 g/l).

Velocidad de escape Energía de escape Energía de escape
m/s J/kg en litros gasolina /kg
Tierra 11200 62720000 2,005
Luna 2400 2880000 0,092
Marte 5100 13005000 0,416
Asumiendo (lo cual es mucho asumir) quetoda la energía se aproveche, habría que sumar este 0,1 litro decombustible a cada kg de material traído desde la Luna. 
Teniendo en cuenta que el coste de laenergía supone de media un 15% de los costes de producción en laindustria minera (un dato muy variable, ya que no es lo mismo extraermineral de Hierro que de Uranio) puede suponer un sobrecoste globalde entre el 1% (para la mena de elementos raros, como el mineral deUranio, con un coste de 130 dólares/kg) hasta un 1000% (para la menade elementos menos raros, como el Hierro).
Obviando los demás factores, eltransporte sería poco condicionante para los recursos escasos, y muycondicionante para los más abundantes. La minería extraterrestresólo tiene sentido para materiales escasos.
Mención aparte en el transportemerecen los riesgos asociados al transporte de sustancias peligrosaso radiactivas a lo largo de miles de km y su entrada en la atmósfera con velocidades de unos cuantos km/s. 
Un pequeño error y el resultado puedeser una lluvia contaminante que abarque miles de km2.
Luis Cosin

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