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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 … ¿Y
EXTRATERRESTRE?
Abundancia relativa de los
diferentes elementos químicos en el planeta Tierra
La formación del planeta que habitamos
tuvo diversas fases que explican la abundancia relativa de los
diferentes elementos químicos en cada una de sus estructuras.
Hace unos 6.000 millones de años, la
Tierra era una masa fundida de material interestelar. Esto permitió
que, debido a la gravedad, los materiales más densos
(fundamentalmente Hierro en un 70%, junto a menores cantidades de
Níquel, Iridio y otros elementos pesados) se hundieran lentamentehacia el centro.
Mientras, los más ligeros flotaron
hacia la corteza, cuya composición aproximada es la siguiente:
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| http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Distribucion_en_peso_de_los_elementos.jpg |
Oxígeno (en forma de óxidos y sales
aniónicas), Silicio, Aluminio, Hierro, Calcio/Estroncio, Magnesio,
Sodio y Potasio dan cuenta del 99,2% de la corteza terrestre.
Notar la relativa escasez de un
elemento fundamental como es el Carbono, menos del 0,8%, y sin
embargo 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 las
estrellas, mediante la fusión sucesiva de núcleos de Hidrógeno y
Helio a grandes presiones y temperaturas de varios millones de grados
(un proceso que se intenta replicar a menor escala en nuestro planeta
en los reactores de fusión) lo que explica su mayor abundancia
relativa en el Universo en general y en nuestro planeta en
particular. De todas formas, son extraordinariamente escasos: Se
estima que un 98% del Universo es Hidrógeno, y un 99,99%, Hidrógeno
+Helio.
Los otros elementos químicos más
densos, como el Plomo o el Uranio, no se forman fácilmente, pues
requieren temperaturas y presiones que no se dan ni siquiera en el
núcleo de de las estrellas más grandes.
Se piensa que su formación tiene lugar
en eventos muy especiales que ocurren esporádicamente y liberan
cantidades de energía fabulosas: las explosiones de estrellas
supergigantes (supernovas) cuando éstas llegan al final de su ciclo
de vida.
El hecho de que en nuestro planeta,
aunque raros, se encuentren elementos como el Plomo, el Oro o el
Uranio, muestra que la nube de materia a partir de la cual se formó
el sistema solar debió “barrer” una o más regiones de la
galaxia regadas con escombros de supernovas, o quizá que una
explosión de supernova cercana y su correspondiente onda expansiva
fueron los desencadenantes de la formación del Sistema Solar.
Los elementos más pesados o son muy
raros en la Tierra o son propensos a la combinación química con
elementos más ligeros, y por tanto permanecen en la superficie. En
cierto sentido, somos afortunados por vivir en un planeta en el que
existan trazas de estos elementos y que se hayan mantenido en la
superficie del mismo, a nuestro alcance.
La Tierra es el planeta más denso
del Sistema Solar. Recordemos esto para más adelante.
La minería terrestre
¿Qué tipo de materiales esperamos
encontrar entonces en la minería terrestre?
De la discusión anterior, concluimos
que elementos ligeros (hasta el Hierro) y trazas de elementos pesados
que se encuentren en combinación con otros elementos ligeros
(óxidos, sulfatos, hidróxidos, carbonatos, nitratos…etc.).
La actividad tectónica de nuestro
planeta, con un magma fundido que emerge esporádicamente en forma de
volcanes y cordilleras dorsales, trae a la superficie nuevas hornadas
de materiales pesados que son susceptibles de ser aprovechados.
Sin embargo, el ritmo de extracción de
las menas conocidas es tan alto que en pocos años habremos agotado
buena parte de ellas y estaremos a expensas de encontrar nuevos
yacimientos.
Un ejemplo paradigmático es la mena de
Uranio:
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| http://ourfiniteworld.com/2011/07/05/uranium-supply-update/ |
Así, dado que las posibilidades que
ofrece nuestro entorno son limitadas, quizá en breve empecemos a
experimentar “cuellos de botella” provocados por la incapacidad
de aumentar la extracción de ciertos elementos críticos: Molibdeno
y Wolframio para aleaciones, Lantano y tierras raras para componentes
electrónicos 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 nos
puede ocurrir la idea obvia: ¿por qué no buscar fuera?
Después de todo, sólo en nuestro
Sistema Solar hay otros 7 planetas (y multitud de satélites,
planetoides y asteroides) en los que quizá encontremos aquellos
materiales que empiezan a escasear en el nuestro.
Las obras de ciencia ficción muestran
un futuro optimista de sociedades avanzadas embarcadas en grandes
proyectos de comercio interplanetario (o, exagerando aún más,
intergaláctico!), buscando más allá de sus planetas y estrellas de
origen los materiales y la energía necesarios para mantener sus
civilizaciones ultra-desarrolladas.
Pero este tipo de aventuras no se
parece en nada a algo que hayamos visto o experimentado hasta ahora.
Es otra escala de espacios y de tiempos.
Teniendo en cuenta que una Unidad
Astronómica (UA), definida como la distancia media de la Tierra al
Sol, equivale a 149.597.870 km, estamos hablando de distancias de
varios miles de millones de km, que la luz tarda horas en
cruzar:
| 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 ecuador
terrestre 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 increíble
velocidad de 17 km/s, tardaron 28 años en alcanzar los límites del
Sistema Solar.
Encontrar lo que buscamos en un
escenario tan vasto no es fácil.
¿Qué podemos encontrar?
Antes de ponernos a buscar, deberíamos
tener una expectativa realista sobre lo que esperamos encontrar. Está
claro que la minería extraterrestre no tiene demasiado sentido para
minerales de Magnesio, Hierro o Aluminio, cuya abundancia en nuestro
planeta es alta (a no ser que el objetivo sea establecer una colonia
extraterrestre, pero esto si que es ciencia ficción!).
Con suerte, esperamos encontrar
yacimientos con suficiente abundancia de algún elemento raro. ¿Dónde
buscaríamos?
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 su
interior, inaccesible bajo una gruesa y tempestuosa atmósfera de
varios 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 más
cercanos
Mercurio, Venus y Marte son candidatos,
igual que nuestra Luna.
Mercurio está demasiado cerca
del Sol y es demasiado extremo (350 °C por el día y –170 °C
por la noche). No tiene atmósfera y el viento solar (partículas
cargadas eléctricamente a velocidades cercanas a la de la luz)
destruye rápidamente los aparatos. La sonda Messenger logró llegar
hasta el planeta y sobrevivió apenas unas semanas.
Venus, a pesar de su sugerente
nombre, es un infierno a más de 400 °C con una atmósfera altamente
corrosiva de ácido sulfúrico, 90 veces más densa que la nuestra y
sometida a vientos muy fuertes. Las rocas en su superficie se
encuentran semifundidas debido al efecto invernadero extremo. No
parece un objetivo viable a corto o medio plazo.
La Luna está a una distancia
accesible (384.400 km) y ya hemos estado allí varias veces
(supuestamente para algunos!).
Su composición es con toda
probabilidad, muy similar a la de la corteza terrestre. De hecho, la
hipótesis más generalizada hoy en día es que el sistema
Tierra-Luna se formó como resultado de un gran impacto: un cuerpo
celeste del tamaño de Marte colisionó con la joven Tierra, lanzando
gran cantidad de material en órbita alrededor de esta, que sufrió
un proceso de agregación para formar la Luna.
Marte, en cambio, es un mundo
lejano (800 millones de km en su punto más cercano a nuestro
planeta, casi 3.000 veces más que la Luna) y su composición, aunque
razonablemente estimada, sigue siendo un misterio.
Mucho menos denso que la Tierra (casi
la mitad), es de esperar que abunden sobre todo elementos ligeros, en
una proporción incluso mayor que la Tierra. Pero esos elementos son
justamente los que no necesitamos.
La extracción
Aunque las técnicas de extracción y
procesado podrían ser similares en muchos aspectos a las de la
minería terrestre a cielo abierto, hay que tener en cuenta una serie
de 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 de
la energía necesaria para poder sacar un objeto fuera del campo
gravitatorio de un planeta (lo que es condición necesaria para poder
alcanzar otros planetas o satélites).
La velocidad de escape de la Tierra es
de 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 que
da la energía cinética E = m*v^2 / 2 ) nos da lo siguiente
(asumiendo un poder calorífico de 46,0 MJ/kg de gasolina y una
densidad 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) que
toda la energía se aproveche, habría que sumar este 0,1 litro de
combustible a cada kg de material traído desde la Luna.
Teniendo en cuenta que el coste de la
energía supone de media un 15% de los costes de producción en la
industria minera (un dato muy variable, ya que no es lo mismo extraer
mineral de Hierro que de Uranio) puede suponer un sobrecoste global
de entre el 1% (para la mena de elementos raros, como el mineral de
Uranio, con un coste de 130 dólares/kg) hasta un 1000% (para la mena
de elementos menos raros, como el Hierro).
Obviando los demás factores, el
transporte sería poco condicionante para los recursos escasos, y muy
condicionante para los más abundantes. La minería extraterrestre
sólo tiene sentido para materiales escasos.
Mención aparte en el transporte
merecen los riesgos asociados al transporte de sustancias peligrosas
o 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 puede
ser una lluvia contaminante que abarque miles de km2.
Luis Cosin
