Cosechando en Marte

Un científico patrocinado por NASA está aprendiendo cómo utilizar el bióxido de carbono -- el principal gas en la atmósfera de Marte -- para obtener del planeta rojo agua, y combustible para cohetes.

Agosto 20, 2003: Cuando los astronautas viajen por primera vez a Marte, les será difícil llevar todo lo que necesiten para sobrevivir. Las primeras exploraciones tentativas podrían durar hasta dos años -- pero las naves espaciales sólo pueden llevar una carga limitada.

"Probablemente tendremos que hacer lo que han hecho los exploradores de todos los tiempos: vivir del suelo", dice el ingeniero químico Ken Debelak de la Universidad de Vanderbilt.

Derecha: Explorando Marte, una pintura de Paul Hudson.

Los exploradores en la Tierra, siempre confían en poder encontrar lo que se necesite para sobrevivir. Los animales podrían ser extraños, pero estarían ahí, y serían comestibles. Marte, en cambio, es estéril, pero el reto es el mismo. Los astronautas desearían poder extraer lo que necesiten del propio planeta. Y aunque esta meta parece poco probable, Debelak cree que puede alcanzarse. Está trabajando en un proyecto de la NASA para hacer que esto se convierta en realidad. La clave, dice, se encuentra en la atmósfera Marciana.

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Es una atmósfera liviana y pobre, comparada con la de la Tierra, y tiene cerca de un 95 por ciento de bióxido de carbono (CO₂). Pero esto se convierte en una ventaja. El bióxido de carbono, dice Debelak, puede ser utilizado para cosechar casi todo lo necesario.

Dentro de las rocas y el suelo marciano se encuentra una enorme cantidad de elementos aprovechables: magnesio e hidrógeno para combustible de cohetes, oxígeno para respirar, agua para beber. Lo que se necesita es un solvente para extraerlos, y ahí es donde nos resulta útil el bióxido de carbono.

"Cuando el CO₂ se somete a una presión de 73 atm y se calienta a 31,1 grados Celsius, se convierte en un fluido supercrítico -- un maravilloso solvente", dice Debelak.

Un fluido supercrítico es un estado de la materia a alta presión y alta temperatura, quizá mejor descrito como un gas semejante a un líquido. Casi cualquier material puede convertirse en supercrítico. El agua, por ejemplo, se convierte en un fluido supercrítico a las altas presiones y temperaturas de las máquinas de vapor. El agua común es un buen solvente -- quizá hasta demasiado bueno. Disuelve incluso las puntas de las aspas de las turbinas.

El bióxido de carbono supercrítico se comporta de manera semejante. Las moléculas de CO₂ fluyen dentro del material sólido, rodeando los átomos, separándolos y enviándolos lejos.

Izquierda: Un diagrama de fase. El punto crítico, señalado con un punto gris grande, es una combinación especial de temperatura (T_c=31 C) y presión (P_c=73 atm), bajo las cuales el CO₂ tiene propiedades tanto de líquido como de gas. Arriba del punto crítico, se convierte en fluido supercrítico. [más información]

En la Tierra, el CO₂ en estado supercrítico no es utilizado muy a menudo como disolvente porque en el mercado existen otros solventes menos caros y más efectivos. Sin embargo, sí es utilizado para extraer la cafeína de los granos de café, y algunas veces para el lavado en seco de ropa. En Marte, Debelak piensa que el CO₂ jugará un papel mucho más importante.

Por ejemplo: el magnesio puede disolverse muy fácilmente mediante CO₂ supercrítico, según ha encontrado Debelak. "Es un experimento sobre el cual estamos muy emocionados por el momento," dice. El magnesio, que es muy posible que pueda encontrarse en los suelos de Marte, arde fácilmente y puede ser utilizado como combustible para cohetes. De hecho, dice Debelak, uno de los escenarios para la exploración de Marte incluye la construcción de uno de los módulos utilizando magnesio -- "los soportes y lo demás." Cuando los astronautas estuvieran listos para regresar a casa, "podrían fragmentarlo, colocarlo dentro de un motor del cohete, y luego agregar algún otro oxidante para lograr la ignición". Utilizando el CO₂ como solvente, el magnesio podría ser, en cambio, extraído directamente de Marte.

Arriba: Una cámara que contiene dos fases de dióxido de carbono -- líquido y gaseoso. A medida que la temperatura y la presión aumentan (de izquierda a derecha), las dos fases se mezclan para convertirse en un fluido supercrítico. [más información]

El CO₂ supercrítico podría usarse también para producir agua. Algunas rocas marcianas (al igual que algunas rocas terrestres) contienen hidrógeno. Cuando estas rocas son sumergidas en dióxido de carbono supercrítico, tiene lugar una reacción química. El carbono del CO₂ se "fija" en la roca, liberando el oxígeno para que encuentre otro elemento: hidrógeno. "El proceso produce agua," se maravilla Debelak. "Realmente podemos usarlo para formar agua."

Extraer agua de las rocas será probablemente el proceso más eficiente, al menos a corto plazo, dice Debelak. Además de poder beberla, "se puede descomponer en hidrógeno para combustible y oxígeno para la respiración -- o como un oxidante para algún tipo de máquina." Eventualmente, los colonizadores podrían montar plantas que utilicen el CO₂ de la atmósfera marciana para procesar cientos de kilos de materia prima al día.

Derecha: El terreno salpicado de rocas alrededor del lugar de descenso del Vikingo 2 de la NASA, en Marte. [más información]

Un fluido supercrítico tiene algunas ventajas sobre otros solventes: Su solubilidad cambia drásticamente cuando se altera la temperatura o la presión. Este proceso puede controlarse, de manera que algunas veces es un solvente para una sustancia en particular y otras veces no. Esto hace que sea fácil recuperar el material que ha sido disuelto. Supongamos que tenemos cafeína disuelta en bióxido de carbono supercrítico. Para recuperar la cafeína, sólo disminuimos la presión del CO₂ y la cafeína se separa. (La cafeína recuperada de los granos de café es utilizada muy a menudo en las bebidas gaseosas).

Debelak está ahora tratando de establecer el comportamiento de varias sustancias en CO₂ supercrítico. Está investigando cuáles minerales son fácilmente solubles y cuáles no lo son. Y si no lo son, está tratando de determinar cómo puede ser mejorada su solubilidad. El agregar otras sustancias al CO₂, algunas veces ayuda, dice.

El trabajo de Debelak podría ser útil también en la Tierra. El bióxido de carbono es tristemente célebre por su papel perjudicial en el calentamiento global. Pero como solvente, es benigno. Muchos solventes comunes en la industria son tóxicos. Provocan cáncer, y si se introducen en los sistemas de distribución de agua, permanecen allí por mucho tiempo. Por esta razón existe gran interés, dice Debelak, en aprender cómo utilizar el CO₂ como una "alternativa ecológica".

Arriba: Una planta industrial de extracción de bióxido de carbono supercrítico en la Tierra. Imagen de La Universidad de Leeds. [más información]

El bióxido de carbono desempeña diferentes papeles en la Tierra y en Marte. "Eso es lo que es intrigante," indica Debelak. "Marte es un medio ambiente totalmente extraño para nosotros. Las reglas son diferentes."

"En conclusión, eso es lo que estamos haciendo -- tratando de descifrar las reglas," dice. "Después podremos descifrar cómo jugar el juego... en ambos planetas."

El trabajo de investigación de Debelak, titulado " Recuperación de Minerales en Suelos Marcianos por Medio de la Extracción de Fluidos Supercríticos", está patrocinado por la Oficina de Investigaciones Físicas y Biológicas (Office of Biological and Physical Research) de la NASA.

Programa de Exploración de Marte de la NASA -- (JPL) Aprenda más acerca del Planeta Rojo, y de las sondas espaciales de la NASA que ahora viajan hacia este planeta.

Fluidos Supercríticos: Introducción (Universidad de Nottingham); otra Introducción (Universidad de Akron); ¿Qué son los fluidos supercríticos? (Universidad de Leeds); Solubilidad en Fluidos Supercríticos (Universidad Estatal de Pennsylvania - Penn State University)

Vivndo de la tierra: Usando los Recursos Espaciales (Thomas Sullivan y David McKay); El Poder de Ir Más Allá (NASA/Lewis); ¿Qué es la Utilización de Recursos In Situ? (Universidad de Arizona); Centro de Investigaciones en Ingeniería Espacial para la Utilización de Recursos Planetarios Locales (Space Engineering Research Center for Utilization of Local Planetary Resources)- Universidad de Arizona

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