Construir una base en la Luna: Parte 1 – Retos y peligros

Así que queremos ir a la Luna. ¿Por qué? Porque la Luna es una “escala” ideal para nosotros para acumular materiales y mano de obra fuera del pozo gravitatorio de la Tierra. Desde la Luna podemos enviar misiones al espacio profundo y enviar colonos a Marte. Los turista también pueden estar interesados en una visita corta. Las compañías mineras sin duda querrán establecer un campamento allí. El ejercicio de la ciencia es también una gran atracción. Sea cual sea la razón, para mantener una presencia en este pequeño y polvoriento satélite, necesitaremos establecernos allí. Ya sea a corto o largo plazo, el hombre necesitará colonizar la Luna. ¿Pero dónde viviremos allí? ¿Cómo sobreviviremos a ese paisaje hostil? Aquí es donde entran los ingenieros estructurales, para diseñar, y construir, los hábitats más extremos jamás concebidos …

Las misiones tripuladas a Marte asumen una gran parte del primer plano en lo que a esfuerzos de colonización se refiere, por lo que es hora de que parte de la atención se centre en las ideas en curso establecidas de colonizar la Luna. Actualmente tenemos medios para ir allí (después de todo, hace casi 40 años del Apolo 11) y nuestra tecnología está lo bastante avanzada para soportar vida en el espacio, el siguiente paso es comenzar a construir… En este primer plazo de “Building a Base on the Moon (Construir una base en la Luna)”, miramos los problemas inmediatos a los que se enfrentarán los ingenieros cuando planifiquen los hábitats en el paisaje lunar.
“Building a Base on the Moon” está basada una investigación de Haym Benaroya y Leonhard Bernold “Engineering of lunar bases (La ingeniería de las bases lunares)”.

Aún continúa el debate sobre si el hombre debería asentarse primero en la Luna o en Marte. Se considera a menudo que Marte es el objetivo final de la humanidad – sería el reto de la raza humana: vivir en un planeta distinto a la Tierra. Pero mirándonos desde cielo en las noches despejadas está la brillante y cercana Luna. Desde aquí podemos ver los detalles del paisaje lunar a simple vista, está tan cerca astronómicamente cuando lo comparamos con los planetas, que muchos creen que la Luna debería ser nuestra primera parada antes de comenzar el viaje de seis meses (como mínimo) al Planeta Rojo. También ayudará cuando ya estemos allí …

La opinión ha cambiado un poco en los últimos años desde el plan “Mars Direct (Directo a Marte)” (a mediados de los años 90) hacia la idea “Moon First (Primero la Luna)” idea, y este cambio recientemente ha sido destacado por el Presidente de los Estados Unidos George W. Bush cuando en 2004 estableció un plan para reestablecer la presencia en la Luna antes de que comencemos un plan para Marte. Esto tiene sentido; aún quedan muchos temas fisiológicos por identificarse, además de que la tecnología para la colonización sólo puede comprobarse en toda su extensión cuando…bueno…colonicemos.

Comprender cómo el cuerpo humano se adaptará a la vida en baja gravedad y cómo las nuevas tecnologías rendirán en un lugar lo bastante cerca del hogar no sólo asegurará a los colones y astronautas lunares, sino también será prudente. Explorar el espacio es de por sí bastante peligroso, minimizar los riesgos de fallo en la misión será crítico par el futuro de una exploración tripulada del Sistema Solar.

Entonces, ¿por dónde empezar el diseño de una Base Lunar? En lo más alto de la lista de “tareas pendientes” de los ingenieros estructurales estarían los daos estructurales a los que se verían expuestos los materiales en el vacío. Daños procedentes de severas variaciones de temperatura, impactos de micrometeoritos de alta velocidad, grandes fuerzas externas de hábitats presurizados, la fragilidad de los materiales a temperaturas muy bajas y la abrasión acumulativo de los rayos cósmicos de alta energía y partículas de viento solar serán todas factores importantes en la fase de planificación. Una vez todos los peligros sean esbozados, el trabajo sobre las propias estructuras puede comenzar.
La Luna ejerce un tirón gravitatorio de un sexto el de la Tierra, por lo que los ingenieros podrán construir estructuras sin restricciones gravitatorias. También deberían usarse los materiales locales cuando y donde sea posible. El coste de lanzamiento desde la Tierra de suministros de estructuras sería astronómico, por lo que los materiales de construcción deberían ser extraídos de la Luna en lugar de importados. El regolito Lunar (finos granos de roca lunar pulverizada) por ejemplo podría usarse para cubrir partes de hábitats para proteger a los colonos del cáncer provocado por los rayos cósmicos y proporcionar aislamiento. De acuerdo con los estudios, un regolito de un grosor de al menos 2,5 metros es requerido para proteger el cuerpo humano en un entorno “seguro” de nivel de radiación de fondo. También se requerirá de alta eficiencia energética, por lo que los diseños deben incorporar materiales altamente aislantes para asegurar una pérdida mínima de calor. Debe tenerse en cuenta una protección adicional para los impactos de meteoritos dado que la Luna tiene una atmósfera prácticamente nula que es necesaria para quemar los restos espaciales que llegan. ¿Tal vez sea una buena idea una morada subterránea?

La construcción real de una base será muy difícil por sí misma. Obviamente, el entorno de baja gravedad sortea algunas dificultades de construcción a los trabajadores, pero la carencia de una atmósfera se mostraría muy dañina. Sin la atenuación del aire alrededor de las herramientas de perforación, la fricción dinámica se amplificará, generando enormes cantidades de calor. Las herramientas de perforación se fundirán en la roca, obstaculizando el progreso. Deberían llevarse a cabo tareas de demolición, las explosiones en el vació crearían incontables misiles de alta velocidad atravesando cualquier cosa en su camino, sin una atmósfera que los frene. (No te gustaría estar cenando en tu hábitat hinchable durante unas actividades mineras con fragmentos de roca que pueden cruzarse en tu camino …) También, el polvo eyectado oscurecería todo y se finaría, estáticamente, sobre la maquinaria contaminándolo todo. La descontaminación a través de compuertas de aire no sería lo bastante eficiente para eliminar todo el polvo de los trajes espaciales, el polvo lunar sería ingerido y respirado – un riesgo para la salud que no comprenderemos completamente hasta que estemos allí

Construir una base en la Luna: Parte 2 – Ideas de hábitat

Los planes están en marcha para construir una base para humanos en la Luna. Como probablemente has adivinado, hay unas cuantas amenazas y peligros al enviar a la humanidad a establecer un “estado real” lunar. No obstante una vez nuestros intrépidos colonos lunares comiencen a construir, los peligros se harán menores y el desarrollo se acelerará. Todo esto está muy bien, pero ¿cómo conseguiremos ese primer asentamiento en el regolito lunar? ¿Cuál será la forma de estructura de habitabilidad que mejor se adecue a nuestras necesidades? Estas cuestiones tienen respuestas obvias y otras no tan obvias por parte de los ingenieros estructurales que ya publican sus ideas y prototipos de edificios …

En la Parte 1 de esta miniserie sobre “Construir una base en la Luna”, se describieron algunos de los peligros que afrontarían los astronautas y colonos. El polvo lunar (con toda probabilidad) podría ser un riesgo para la saluda, los micrometeoritos y otros veloces proyectiles podrían hacer estallar estructuras presurizadas, las partículas de alta energía del Sol podrían irradiar asentamientos sin protección, daños en la maquinaria provocados por el vacío … en general una mezcla de malas noticias. Pero si hay algo que caracteriza a los humanos, es la capacidad de superar las adversidades y tener éxito (¡si los políticos y las finanzas los permiten, por supuesto!). Esta segunda entrega trata de las ideas de estructuras habitables que están siendo planeadas para que sirvan como primeros, interinos y definitivos asentamientos en la Luna para cuando superemos los problemas.

Se han propuesto muchos tipos de estructuras para las colonias lunares. Sin embargo, lo principal para los centros de planificación de la misión es el coste y la eficiencia. Las estructuras fabricadas en la Tierra, aunque viables, tendrían que tener muy poco peso para permitir un lanzamiento fácil fueran del profundo pozo gravitatorio de la Tierra. En general se prevé que las primeras bases lunares que se establezcan en la superficie de la Luna se construirán en la Tierra, pero una vez que esté configurada la base de operaciones, con un contingente humano (y tal vez robótico) de trabajadores/colonos, los materiales locales deberían ser extraídos y los hábitats fabricados in situ (es decir, construidos en la Luna). Alunas de las estructuras que actualmente se están considerando se detallan abajo.

Diseños hinchables
Los hábitats hinchables siempre han estado entre los favoritos, optimizan el espacio habitable mientras usan materiales ligeros. Como la Luna no tiene atmósfera (aparte de algunos gases muy tenues que se desprenden de la superficie), cualquier hábitat necesitaría ser altamente presurizado para simular la atmósfera terrestre (aproximadamente 1 atmósfera o 101 325 Pascales) y cantidades de gas atmosférico. Debido a las altas fuerzas que actúan hacia fuera (por la presión del gas matenido), puede asegurarse la integridad estructural de un hinchable. Suponiendo que la membrana del hinchable sea lo bastante fuerte, el riesgo de despresurización debería ser bajo.

Hay sin embargo un gran problema con los hinchables. En un entorno de vacío como es la Luna, hay poco protección frente a micrometeoritos (pequeñas rocas naturales espaciales o restos espaciales de fabricación humana). La catastrófica despresurización podría tener lugar si un proyectil de alta velocidad provocase una debilidad en la membrana. Existen soluciones, tale como una cobertura sobre las hábitats hinchables con una capa de regolito protector, y se necesitará poner en funcionamiento extensos mecanismos de seguridad.

Un diseño usa “almohadas” hinchables para crear una forma cuboidal (en lugar de una forma esférica más natural). Muchas de estas almohadas puede alinearse y añadirse para crear asentamientos crecientes. Mantendrían su forma usando vigas de alta tensión para combatir la caída del material de membrana. La protección de los micrometeoritos y la radiación solar provendría del regolito.

Erigibles

Los erigibles clásicos han sido ampliamente probados y son una forma de construcción establecida. Centrándose en la facilidad de ensamblaje, un plan implica enviar componentes a una órbita baja de la Tierra. Una estructura puede ser erigida fácilmente en forma de tetraedro, hexaedro u octaedro para servir como base de un modelo de habitabilidad simple. Una vez completado, el módulo podría ser enviado a la Luna donde se controlará un aterrizaje suave. Este método usa tecnología existente y puede ser uno de los conceptos más factibles para iniciar una base lunar. Una estructura básica podría también construirse sobre la superficie lunar de una forma similar.

Materiales locales

Finalmente, se espera que un asentamiento en la luna usará infraestructuras capaces de extraer materiales locales, fabricando cantidades básicas y construyendo estructuras con poco o ningún apoyo de la Tierra. Este grado de autonomía sería requerido si tiene éxito una próspera base lunar.

Sin embargo, para mantener los hábitats herméticos, se necesitará fabricar una nueva forma de hormigón. Todos los componentes para una mezcla de hormigón lunar pueden encontrarse en la Luna, aunque el agua (y por tanto el hidrógeno) estará muy solicitada. Como la Luna es rica en azufre, puede fabricarse una variedad distinta de hormigón (con menos necesidad de agua) puede crearse para ayudar en la construcción de hábitats con arcos y bóvedas. Algunos “geotextiles” podrían también hacerse con algún refinamiento avanzado, creando materiales laminados para sellar el interior de los hábitats.
Construir usando materiales extraídos localmente será probablemente uno de los métodos más avanzados de construcción e la Luna, por lo que en las primeras fases al menos, los colonos dependerán del apoyo de la Tierra.

Rovers

Para solventar el hueco entre una base inmóvil y un rover altamente móvil, la primera base puede consistir en colonos que vivan y se desplacen en una base lunar “ambulante”. De hecho, muchos diseñadores sugieren que esta solución puede ser una respuesta a largo plazo para una futura colonia en la Luna. Al contrario que el actual “Buggy Lunar”, los futuros rovers serían grandes, acomodando a varias personas dentro de una cabina presurizada. Usar rovers como base puede ser negativo para los procesos que sólo puedan lograrse en bases permanentes estáticas (por ejemplo, actividades de agricultura), pero una base ambulante permitiría a los colones la libertad de moverse cuado y donde quisieran por el paisaje lunar.

 Construir una base en la Luna: Parte 3 – Diseño Estructural
 
Construir la primera base en la Luna será el mayor reto en el que se haya embarcado la humanidad. Podemos especular sobre los peligros, naturales y artificiales, asociados con la presencia humana en la superficie lunar. En respuesta, ya tenemos en mente algunas estructuras de hábitat – desde estructuras hinchables a madrigueras excavadas en el interior de antiguos respiraderos de lava. Ahora ha llegado el momento de comenzar a diseñar nuestra primera estructura de hábitat, protegiéndonos de micrometeoritos, que mantengan presiones terrestres y usando materiales extraídos localmente donde se pueda…

En la Parte 1 de esta serie de “Construir una base en la Luna”, echamos un vistazo a los peligros más obvios asociados a construir una base en otro planeta. En la Parte 2, exploramos algunos de los actuales conceptos de diseño para el primer hábitat humano en la Luna. Los diseños iban desde estructuras hinchables, hábitats que podrían construirse en la órbita de la Tierra y flotar hasta la superficie de la Luna, hasta bases hundidas en antiguos tubos de lava bajo la superficie. Todas las ideas tienen sus ventajas, pero la función principal debe ser mantener la presión del aire y reducir los riesgos de un daño catastrófico. En esta tercera entrega de la serie tratamos con el diseño básico de una posible base lunar la cual optimiza el espacio, hace un uso óptimo de los materiales extraídos localmente y proporciona protección de la constante amenaza de los micrometeoritos …

Los factores clavo que influyen en los diseños estructurales de los hábitats de la Luna son:

Un sexto de la gravedad terrestre.
Alta presión interna del aire (para mantener una atmósfera respirable por humanos).
Escudo de radiación (para el Sol y otros rayos cósmicos).
Escudo de micrometeoritos
Fuertes efectos del vacío sobre los materiales de construcción
Contaminación por polvo lunar
Gradientes de temperatura extremos
Además de abordar estos temas, las estructuras lunares debe ser fácilmente sostenibles, baratas, fáciles de construir y compatibles con otros hábitats/módulos/vehículos lunares. Para lograr una construcción barata, debe usarse todo el material local que se pueda. La materia primera para una construcción barata podría ser ingentes cantidades de regolito fácilmente accesible en la superficie lunar.

Como resultado, el regolito lunar tiene muchas propiedades útiles para la construcción en la Luna. Para complementar el cemento lunar (como se introdujo en la Parte 2), las estructuras básicas de construcción pueden formarse a partir de moldes de regolito. El regolito moldeado sería muy similar al basalto moldeado terrestre. Creado fundiendo regolito en un molde y permitiendo su enfriamiento lentamente formaría una estructura cristalina, dando como resultado componentes de construcción altamente compresivos y moderadamente tensos. El alto vacío de la Luna mejoraría mucho el proceso de fabricación del material. También tenemos experiencia en la Tierra de cómo crear basalto moldeado, por lo que no es un nuevo método sin comprobar. Las formas básicas de hábitat podrían fabricarse con poca preparación de las materias primas. Elementos como vigas, columnas, losas, cúpulas, segmentos de arco, bloques y cilindros podrían fabricarse, con cada uno de estos elementos teniendo diez veces más resistencia a la compresión y tensión que el hormigón.

Existen muchas ventajas al usar regolito moldeado. Principalmente, es muy duro y resistente a la erosión del polvo lunar. Podría ser el material ideal para pavimentar las zonas de lanzamiento de cohetes y construir escudos de escombros alrededor de las plataformas de lanzamiento. También podría ser un escudo perfecto contra micrometeoritos y radiación.

OK, ahora ya tenemos los suministros básicos de construcción, a partir de material local, que requieren de una mínima preparación. No es difícil imaginar que el proceso de fabricación del regolito moldeado podría ser automático. Antes de que un humano ponga un pie en la Luna podría crearse un hábitat básico presurizado esperando a su ocupante.
Prototipo de hangar
Pero, ¿cómo de grande debería ser el hábitat? Esta es una pregunta muy difícil de responder, pero el resultado es que si el hábitat lunar se ocupará durante largos periodos de tiempo, tendrá que ser confortable. De hecho, existen guías en la NASA indicando que, para misiones mayores de cuatros meses, el volumen mínimo requerido para cada individuo debería ser de al menos 20m3 (de los Estándares de Integración de Sistemas Humanos de la NASA, NASA STD3000, en caso de que te lo preguntes). Compara las necesidades de habitabilidad a largo plazo de la Luna con las misiones Géminis de corto plazo de los años 60. El volumen habitable por miembro de la tripulación en Géminis era un acogedor 0,57m3… afortunadamente estas primeras incursiones en el espacio eran cortas. A pesar de las regulaciones de la NASA, el volumen recomendado por miembro de la tripulación es de 120m3, aproximadamente el mismo que el espacio habitable en la Estación Espacial Internacional. Un espacio similar se requerirá dentro de los hábitats futuros de la Luna para el bienestar de la tripulación y el éxito de la misión.

A partir de estas directrices, los diseñadores de hábitats puede trabajar en cómo crear mejor este volumen de espacio habitable. Obviamente, el espacio de superficie, la altura y funcionalidad tendrán que optimizarse, además el espacio para el equipamiento, soporte vital y almacenamiento serán factores a tener en cuenta. En un diseño básico del hábitat de F. Ruess, J. Schänzlin y H. Benaroya de una publicación titulada “Structural design of a lunar habitat (Diseño estructural de un hábitat lunar)” (Journal of Aerospace Engineering, 2006), se tuvo en cuenta un “hangar” de forma semicircular.

La forma en arcos de carga es un aliado de los ingenieros estructurales, y se espera que los arcos sean un componente principal de los diseños de hábitats para que la tensión estructural se distribuya equitativamente. Por supuesto, las decisiones arquitectónicas tales como la estabilidad del material subyacente y el ángulo de inclinación tendrían que hacerse mientras se construyen los cimientos del hábitat, pero este diseño se espera que aborde muchos de los problemas asociados con la construcción lunar.

La mayor tensión del diseño del “hangar” vendrá de la presión interna que empuja hacia fuera, y no de la gravedad que actúa hacia abajo. Dado que el hábitat interior tendrá que mantener presiones terrestres, el gradiente de presión del interior hacia el vacío del exterior ejercería un tensión masiva sobre la construcción. Aquí es donde se hace esencial el arco del hangar, no hay esquinas, y por tanto, no hay puntos débiles que degraden la integridad.

Se han considerado muchos más factores, incluyendo algunos cálculos complejos de tensión y fuerza, pero la descripción de arriba da una idea de lo que deben considerar los ingenieros estructurales. Construyendo un hábitat rígido a partir de regolito moldeado, se pueden construir bloques para un edificio estable. Para una protección añadida de la radiación solar y los micrometeoritos, estos hábitats arqueados podrían construirse de forma adosada interconectados. Una vez que se han construido una serie de cámaras, el regolito restante podría colocarse sobre ellos. El grosor del regolito moldeador también se optimizará de forma que los materiales fabricados puedan proporcionar una protección extra. Tal vez podrían usarse para el techo bloques de regolito moldeado mayores.

Una vez se haya construido el módulo de hábitat básico, puede empezar la fase de asentamiento. La “planificación urbana” lunar será otra tarea compleja y deben considerarse muchas configuraciones de módulos. Se destacan 5 configuraciones de módulos principales: Lineal, Patio, Radial, Ramificado y Cúmulo.

La infraestructura del futuro asentamiento luna depende de muchos factores, no obstante y se continuará en el próxima entrega.