Las agencias espaciales y las empresas privadas ya tienen planes avanzados para enviar humanos a Marte en los próximos años y, en última instancia, colonizarlo. Y con un número creciente de descubrimientos de planetas similares a la Tierra alrededor de estrellas cercanas, los viajes espaciales de larga distancia nunca habían parecido más emocionantes.

Sin embargo, No es fácil para los humanos sobrevivir en el espacio durante períodos prolongados de tiempo. Uno de los principales desafíos de los vuelos espaciales de larga distancia es transportar suficiente oxígeno para que los astronautas respiren y suficiente combustible para alimentar componentes electrónicos complejos. Desafortunadamente, hay poco oxígeno disponible en el espacio y las grandes distancias dificultan la recarga rápida.

Pero ahora un nuevo estudio, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , muestra que es posible producir hidrógeno (para combustible) y oxígeno (para la vida) solo a partir del agua utilizando un material semiconductor y luz solar (o luz de estrella) en gravedad cero, lo que hace que los viajes espaciales sostenidos sean una posibilidad real.

Usar el recurso ilimitado del sol para alimentar nuestra vida diaria es uno de los mayores desafíos en la Tierra. A medida que nos alejamos lentamente del petróleo hacia fuentes de energía renovables, los investigadores están interesados ​​en la posibilidad de utilizar hidrógeno como combustible. La mejor forma de hacerlo sería dividiendo el agua (H ₂ O) en sus componentes:hidrógeno y oxígeno. Esto es posible mediante un proceso conocido como electrólisis, que implica hacer pasar una corriente a través de una muestra de agua que contiene algo de electrolito soluble. Esto descompone el agua en oxígeno e hidrógeno, que se liberan por separado en los dos electrodos.

Si bien este método es técnicamente posible, aún tiene que estar disponible en la Tierra ya que necesitamos más infraestructura relacionada con el hidrógeno, como estaciones de recarga de hidrógeno, para escalarlo.

poder del sol

El hidrógeno y el oxígeno producidos de esta manera a partir del agua también podrían usarse como combustible en una nave espacial. De hecho, lanzar un cohete con agua sería mucho más seguro que lanzarlo con combustible y oxígeno adicionales a bordo. que puede ser explosivo. Una vez en el espacio una tecnología especial podría dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, que a su vez podrían usarse para mantener la vida o para alimentar la electrónica a través de celdas de combustible.

Hay dos opciones para hacer esto. Uno implica electrólisis como lo hacemos en la Tierra, utilizando electrolitos y células solares para capturar la luz solar y convertirla en corriente.

La alternativa es utilizar "fotocatalizadores", que funcionan absorbiendo partículas de luz (fotones) en un material semiconductor insertado en el agua. La energía de un fotón es absorbida por un electrón en el material que luego salta, dejando atrás un agujero. El electrón libre puede reaccionar con los protones (que forman el núcleo atómico junto con los neutrones) en el agua para formar hidrógeno. Mientras tanto, el agujero puede absorber electrones del agua para formar protones y oxígeno.

El proceso también se puede invertir. El hidrógeno y el oxígeno se pueden unir o "recombinar" utilizando una pila de combustible que devuelve la energía solar captada por la "fotocatálisis", energía que se puede utilizar para alimentar la electrónica. La recombinación forma solo agua como producto, lo que significa que el agua también se puede reciclar. Esta es la clave para los viajes espaciales de larga distancia.

El proceso que utiliza fotocatalizadores es la mejor opción para los viajes espaciales, ya que el equipo pesa mucho menos que el necesario para la electrólisis. En teoria, debería funcionar fácilmente. Esto se debe en parte a que la intensidad de la luz solar es mucho mayor sin que la atmósfera de la Tierra absorba grandes cantidades en su camino hacia la superficie.

Gestión de burbujas

En el nuevo estudio, los investigadores dejaron caer la configuración experimental completa para la fotocatálisis en una torre de caída de 120 m, creando un entorno similar a la microgravedad. A medida que los objetos aceleran hacia la Tierra en caída libre, el efecto de la gravedad disminuye a medida que las fuerzas ejercidas por la gravedad son anuladas por fuerzas iguales y opuestas debido a la aceleración. Esto es opuesto a las fuerzas G experimentadas por los astronautas y los pilotos de combate a medida que aceleran en sus aviones.

Los investigadores lograron demostrar que de hecho es posible dividir el agua en este entorno. Sin embargo, como el agua se divide para crear gas, se forman burbujas. Es importante deshacerse de las burbujas del material catalizador una vez formado, ya que las burbujas dificultan el proceso de creación de gas. En la tierra, La gravedad hace que las burbujas floten automáticamente hacia la superficie (el agua cerca de la superficie es más densa que las burbujas, lo que los hace comprensivos), liberando el espacio en el catalizador para que se produzca la siguiente burbuja.

En gravedad cero esto no es posible y la burbuja permanecerá sobre o cerca del catalizador. Sin embargo, los científicos ajustaron la forma de las características a nanoescala en el catalizador creando zonas en forma de pirámide donde la burbuja podría desprenderse fácilmente de la punta y flotar hacia el medio.

Pero queda un problema. En ausencia de gravedad, las burbujas permanecerán en el líquido, aunque hayan sido expulsadas del catalizador. La gravedad permite que los gases escapen fácilmente del líquido, que es fundamental para utilizar el hidrógeno y el oxígeno puros. Sin la presencia de la gravedad no hay burbujas de gas que floten en la superficie y se separen de la mezcla; en cambio, todo el gas permanece para crear una espuma.

Esto reduce drásticamente la eficiencia del proceso al bloquear los catalizadores o electrodos. Las soluciones de ingeniería en torno a este problema serán clave para implementar con éxito la tecnología en el espacio, con una posibilidad de utilizar las fuerzas centrífugas de la rotación de una nave espacial para separar los gases de la solución.

Sin embargo, gracias a este nuevo estudio estamos un paso más cerca de los vuelos espaciales tripulados de larga duración.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.