Membranas en Marte

Las membranas ayudarán a viajar a Marte y limpiarán el aire en la Tierra

Una astronave viajando a y desde Marte podría un día depender de membranas para combustible y aire limpio. Trabajo artístico de NASA por Pat Rawlings, SAIC

La tecnología ideal para viajar en el espacio sería simple, robusta, fiable, ligera, y volumétricamente eficiente. Tendría partes rígidas, lo cual la haría menos propensa a rupturas. Sería una tecnología pasiva, que no requiera ninguna energía externa. Sería pequeña. Sería ligera. Una tecnología ideal para el espacio, dice el ingeniero químico Doug Way, es la membrana.

Bien, OK, las membranas no pueden hacerlo todo. Las membranas no podrán propulsarnos en el espacio. Y no nos llevarán a Marte. Pero las membranas podrían resolver algunos de los problemas de viajar allí. Y una vez lleguemos, podrían ayudarnos a regresar.

Básicamente, las membranas son barreras semi-permeables. Son similares a un muro, excepto que los gases, e incluso líquidos, pueden filtrarse a través de ellas. Pero – aquí está el punto clave – diferentes moléculas se mueven a través de las membranas a diferentes velocidades. Las membranas pueden, por lo tanto, ser usadas para ordenar cosas, separando un tipo de molécula de otro.

Doug Way de la Escuela de Minas de Colorado y el Ingeniero de Lockheed Larry Mason están trabajando en un proyecto patrocinado por la NASA que usa membranas para ayudar a producir combustible para cohetes a partir de la atmósfera Marciana. El principio es simple: La atmósfera Marciana es 95% dióxido de carbono (CO2). Usando membranas, los exploradores podrían extraer algo de ese CO2, el cual cuando se mezcla con hidrógeno y se calienta produce metano – un útil propulsor para cohetes o vehículos.

El agua es un subproducto de este tipo de producción de metano, llamado proceso Sabatier (descubierto por el químico francés Paul Sabatier en el siglo XIX). Además de esto, el agua puede ser electrolizada en oxígeno, para respirar, e hidrógeno, el cual puede ser usado para producir un nuevo ciclo de metano.

Una membrana en el interior de una célula de prueba. Crédito de la imagen: Doug Way (Escuela de Minas de Colorado) y Larry Mason (Lockheed Martin)

Aunque la atmósfera marciana es en su mayoría CO2 puro, no es lo suficientemente puro para el proceso de Sabatier. El dióxido de carbono debe ser separado de los demás gases atmosféricos antes de ser procesado. De otra forma los gases no usados – mayormente nitrógeno y argón – aumentan, y finalmente retardarán el proceso de trabajo. Way y Mason están desarrollando una membrana que separará el CO2.

Los polímeros especializados que crearán estas membranas, algunos de los cuales fueron desarrollados en el Laboratorio de Medio Ambiente e Ingeniería Nacional de Idaho, están organizados para incrementar la solubilidad del dióxido de carbono. “Añadimos en grupos de moléculas polares – portando una carga eléctrica”, dice Way. Debido a que las moléculas de dióxido de carbono son también polares, son atraídas a los grupos cargados de la membrana.

Las membranas son probadas en una cámara especial que simula el entorno Marciano, explica Larry Mason. El dispositivo, el cual es tiene cerca de un metro de altura, está dividido en dos compartimentos. Uno contiene a atmósfera similar a la Marciana, y el otro lado está al vacío. Están separados por una membrana de aproximadamente una pulgada cuadrada de área de superficie (2,5 cm cuadrados aprox.). Un espectrógrafo de masas mide la facilidad de cada gas para moverse al lado del vacío.

“Es el mejor [membrana] material que hemos encontrado”, dice Way, “en condiciones marcianas, el CO2 era transferido a través de la membrana cerca de 50 veces más rápido que el nitrógeno”.

“Ahora mismo”, añade Mason, “estamos investigando distintos materiales candidatos para encontrar el que propague mejor el CO2. Una vez lo encontremos, podremos concentrarnos en obtener suficiente paso en una adecuada cantidad de tiempo, cambiando el tamaño del área, reduciéndolo, etcétera”.

Un diagrama esquemático del Complejo de Pruebas de Membranas en el laboratorio de Larry Mason en Lockheed Martin

Los investigadores quieren diseñar un dispositivo que produzca un gas que sea CO2 en un 99,8 por ciento a un ritmo de 2,5 litros por minuto. Para lograr esto, dice Way, necesitaremos bastante membrana. Aunque la membrana es muy delgada – cerca de 25 micras, un cuarto del diámetro de un cabello – probablemente necesitará tener sobre los 300 pies cuadrados de área (90 metros cuadrados aprox.), el tamaño de una pequeña sala. Todo esto tendrá que ser acondicionado en un paquete de un pie cuadrado (30 cm cuadrados aprox.).

Pero una membrana que separa el CO2 de otros gases puede hacer más que proporcionar material puro para combustible de cohetes. “Esto es tecnología fundamental”, dice Mason. “Tiene toda clase de usos”.

Las membranas podrían ayudar a reducir las emisiones de dióxido de carbono procedentes de las fábricas

Podría, por ejemplo, ser usado para filtrar aire en la estación espacial o en una nave rumbo a Marte. El dióxido de carbono, el cual es un producto residual de nuestro metabolismo, debe ser continuamente eliminado de la atmósfera contenida en la astronave. La membrana que es permeable solo al dióxido de carbono podría ser perfecta, dice Mason. “El CO2 simplemente pasaría pasivamente a través de la membrana a una cámara de carga –o al espacio exterior. El Oxígeno y otros gases permanecerían intactos dentro del habitáculo”.

Estas membranas podrían ayudar potencialmente a reducir el efecto invernadero global, también. “Otra idea es”, dice Mason, “que una membrana sea usada para extraer CO2 de gran cantidad de humos de fábricas – reduciendo la cantidad de dióxido de carbono emitida a la atmósfera”. Tal aplicación aún permanece en el futuro, dice.

“La mayor aplicación potencial terrestre”, añade Way, “es la eliminación de CO2 del gas natural. El CO2 es en contaminante más común del gas natural junto al vapor de agua”. Las separaciones por membrana son uno de los principales procesos usados para filtrar el gas natural debido a lo que nos encontramos con especificaciones de tuberías de menos del 2% de CO2. Esto es un gran negocio ya que “la industria del gas natural es enorme – más de 100 mil millones de dólares por año en valor de consumo”, según Way.

Para Mason, “la parte más excitante de esta tecnología es el hecho de que esto podría influenciarnos de verdad para ir a Marte y vivir y trabajar allí algún día”. Y, mientras tanto, hay gran cantidad de usos para mejorar la Tierra.


Fecha original : 2003-12-03

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