Reciclado del dióxido de carbono
Uno de los aspectos a considerar en el campamento lunar es el reciclado del CO2. Este gas es un producto de nuestro metabolismo y al respirar, lo eliminamos a través de las vías respiratorias. Su acumulación en el campamento supondría un problema, pues a altas concentraciones puede resultar tóxico. Por tanto hay que plantearse su retirada y...por qué no, su reciclado para darle un uso o valor añadido. En esta página vamos a considerar, tanto su retirada como su reciclado para obtener metano, que como sabemos es un combustible que nos puede servir como fuente de energía propulsora.
Reciclaje: la clave para subsistir en la Luna
Con el objetivo de colonizar la Luna y Marte un equipo de astrónomos chinos de la Universidad de Nanjing han descubierto cómo conseguir estos recursos y facilitar la exploración humana para crear una base permanente. Tras analizar el suelo lunar traído por una nave espacial china, los investigadores descubrieron que la muestra contenía sustancias ricas en hierro y titanio que podrían funcionar como catalizadores para fabricar oxígeno y combustible a partir de la radiación solar y el CO2 que exhalarán los astronautas
Al estar tan lejos y durante tanto tiempo no les podremos enviar muchos suministros de agua, comida y oxígeno, por lo tanto, tendrán que reciclarlo todo, por ejemplo utilizar la orina para formar agua potable. La clave de todo este avance está en la reacción de Sabatier. A partir de dióxido de carbono e hidrógeno la reacción de Sabatier es capaz de producir agua líquida y metano que servirá como combustible para el cohete
CO2 + H2 → CH4 + H2O
Una vez en el espacio los astronautas necesitarán un sistema de soporte vital que les proporcione todo lo necesario para mantenerse vivos. La parte más esencial de cualquier soporte vital es el agua, para beberla y también porque a partir de ella podemos generar oxígeno (electrólisis).
El agua y la electrólisis: el comienzo para la reacción de Sabatier
Llevar agua al espacio es un proceso muy costoso, por lo que los astronautas tendrán que reciclar toda el agua que sale de su cuerpo. Nuestro cuerpo expulsa agua principalmente del sudor y de la orina, esa orina va hacia un procesador de orina que la vuelve a convertir en agua, también se recogería agua residual de la humedad del aire proveniente del sudor y la respiración. Con el agua obtenida los astronautas podrán hidratarse pero además obtendrán oxígeno gracias a la electrólisis del agua que consiste en aplicar una corriente eléctrica en el agua y así obtener oxígeno e hidrógeno por separado.
H2O → O2 + H2
Este proceso suele consumir unos 50/60 kWh por cada litro de H2 o por cada 8-10 kg de O2.
El oxígeno va hacia la cabina para que los astronautas puedan respirar y el hidrógeno se usa para reducir la cantidad de dióxido de carbono en el aire, esto es muy importante ya que los humanos inspiramos oxígeno y exhalamos CO2 y si la concentración de CO2 supera el 5% sería tóxico.
Todos estos procesos serían controlados por unos sensores que controlan la calidad del aire y del agua en busca de contaminantes o microbios. Para mantener el agua potable y el aire respirable se necesitan unos filtros purificadores que enviamos desde la Tierra pero eso supondría un gran gasto económico. El objetivo de los sistemas de soporte vital es que sea prácticamente autónomo y necesite muy poco reabastecimiento, aquí es donde interviene la reacción de Sabatier.
El aislamiento del CO2
El CO2 que se exhala puede ser reciclado para darle más uso. Para ello, primero debemos aislarlo. Para ello, por ejemplo, podemos usar un extractor con este esquema, en el cuál aísla CO2 del aire.
Según el esquema, podemos observar que el aire es absorbido y entra en contacto con hidróxido de potasio. El CO2 se unirá para dar como resultado agua y carbonato de potasio. Este carbonato de potasio puede, a su vez, unirse con hidróxido de calcio para producir carbonato de calcio y hidróxido de potasio que será reutilizado para captar más CO2. El carbonato de calcio se puede disociar en óxido de calcio y dióxido de carbono, pudiendo aislar este último. El óxido de calcio puede unirse con el agua que obtuvimos anteriormente para obtener otra vez hidróxido de calcio. Este proceso tiene un consumo neto de +12.8 kJ/mol de CO2, lo cual es bastante aceptable.
Cinética de la reacción de Sabatier
Una vez el CO2 ha sido aislado, hay que tratar de ver en qué condiciones debe tratarse. Para ello, observamos la fórmula de velocidad de reacción.
V = K* [A]m* [B]n
Donde:
- V es la velocidad de reacción
- k es una constante que depende básicamente de la temperatura
- [A] y [B] son las concentraciones de, en este caso, CO2 y H2
- m y n son las "órdenes de reacción" que se obtienen de forma experimental, son constantes y no atenderemos a ellas aquí.
La presión es directamente proporcional a la concentración, de forma que, a mayor concentración mayor presión y viceversa; y a la temperatura, de forma que, a mayor temperatura, mayor presión. Por otro lado, la temperatura también afecta a la k. Observemos la reacción de Arrhenius:
k = A*e(-Ea/RT)
Siendo
- A, el factor pre-exponencial, identificable experimentalmente
- exp, el número de Euler (e) elevado a lo que se encuentra entre paréntesis
- Ea, la Energía de Activación de la reacción que disminuye en presencia de catalizadores
- R, la constante de los gases ideales (0.082)
- T, la temperatura en grados Kelvin (K)
Según los datos experimentales realizados por Susana Pérez Gil durante su memoria de su tesis doctoral, la energía de activación de la reacción de Sabatier en presencia de Níquel y Alúmina (elementos catalizadores) es de 93.5 kJ/mol y el factor pre-exponencial (A) es de 4.5*107. Dicho esto podemos observar cómo es alterado el valor de k según la temperatura a la que se encuentre el recipiente.
Con esto concluimos que k es directamente proporcional a la temperatura, pero acaba tendiendo a 40000000 K aproximadamente y deja de crecer tan rápidamente y no es eficiente.
Para calentarlo se hará uso de electricidad. Considerando el método que se debería usar según el estudio sobre la generación de energía, la energía solar es la más óptima. Para ello, hacemos uso de la siguiente ecuación para obtener el consumo de energía:
E=kT
Donde:
- E es energía (kJ)
- k es la constante de Boltzmann, el cual vale 1,38*10-26
- T es temperatura (K)
Añadido a la ecuación:
E=P*t
Siendo:
-E, energía (J)
-P, potencia (W)
-t, tiempo (s)
O a la ecuación equivalente:
E=R*I2*t
Siendo:
-E, energía (J)
-R, resistencia (𝛀)
-I, Intensidad (A)
-t, tiempo (s)
Podemos identificar la energía necesaria para calentarlo, dependiendo de las cualidades de las instalaciones
La reacción de Sabatier y las oportunidades que nos ofrece
Gracias a ella podemos conseguir agua líquida a partir de dióxido de carbono e hidrógeno. Anteriormente hemos dicho que, gracias a la electrólisis del agua obtenemos oxígeno, que es llevado a los astronautas para respirar, e hidrógeno, que lo utilizamos para expulsar el dióxido de carbono hacia el espacio, por lo que no reciclamos realmente estos elementos. En cambio, con la reacción de Sabatier aprovecharíamos estos elementos para obtener agua potable pero, el inconveniente es que la energía de activación de la reacción de Sabatier es muy alta. Para ello, gracias a los estudios de los científicos chinos, podríamos usar el hierro y el titanio extraídos del suelo lunar como catalizadores para realizar la reacción de manera menos costosa.
Una vez se consigue optimizar la reacción de Sabatier se podrá aplicar a los sistemas de soporte vital en la Luna y Marte y, de esta forma, no tendríamos que llevar suministros de agua y oxígeno constantemente al espacio.
La reacción de Sabatier genera metano que, una vez licuado, se utilizaría como combustible del cohete. Para licuar el metano se tendría que enfriar a una temperatura de -162 ºC y el frío extremo en los polos de la Luna y Marte nos ayudaría en esta tarea.
Los motores que funcionan con metano, al contrario que los anteriores, que funcionaban con hidrógeno, no dañan la estructura de los cohetes por lo que los cohetes del futuro se podrán reutilizar más veces. Además, mediante un proceso llamado descomposición termo catalítica (TCD), a partir del metano podemos volver a obtener , por un lado, hidrógeno que se usará para hacer más reacciones de Sabatier y seguir obteniendo agua, y por otra parte obtendremos nanotubos de carbono que tienen unas muy buenas propiedades para purificar el agua y el aire.
CH4 → C + 2H2
En la TCD las moléculas de metano se descomponen en la superficie de los metales catalíticos (hierro o titanio en nuestro caso) formando así hidrógeno y átomos de carbono. Esos átomos de carbono que se forman pueden ordenarse de distintas maneras:
-Por capas (como el grafito)
-No ordenarse (carbono amorfo)
-Nanotubos
La ordenación de los átomos va a depender de las condiciones de la TCD
Los nanotubos además de usarse en la industria del deporte (por sus buenas propiedades mecánicas; flexibles, resistentes, absorción de golpes…) como por ejemplo en marcos de bicicletas o en raquetas de tenis, también se pueden usar para hacer filtros que absorben los contaminantes orgánicos de aguas residuales. De esta forma, si podemos crear nanotubos de carbono a partir del metano, también podremos purificar el agua en la Luna sin necesidad de llevar filtros nuevos desde la Tierra.
A pesar de todas las ventajas que nos brindan los nanotubos tenemos que sobrepasar algunos problemas técnicos, como por ejemplo mejorar la separabilidad de los nanotubos de los contaminantes, también ocurre que los nanotubos solamente podrían separar un tipo de contaminante, son muy selectivos y, claramente, las aguas residuales tienen más de un tipo de contaminante y, al ser nanopartículas (tiene mucha superficie específica) pueden ser bastante tóxicos para nuestra salud.
Básicamente, con el desarrollo de la reacción de Sabatier el sistema de soporte vital será un bucle cerrado donde todo se recicla.
