Problemas con oxígeno para astronautas

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El 27 de enero de 1967 se produjo un desastre. Los astronautas Roger Chaffee, Ed White y Gus Grissom a bordo de Apollo 1 realizaban una simulación del lanzamiento en órbita. El lanzamiento real fue planeado para el 21 de febrero del mismo año. Apollo 1 fue la primera misión dentro del marco del programa Apollo, cuyo objetivo era llevar una tripulación humana a la Luna. Sin embargo, el lanzamiento de Apollo 1 nunca ocurrió.

Inmediatamente después de llegar a la cabina, Grissom olió lo que dijo que le recordaba a «suero de leche agria». Más tarde tuvieron problemas para comunicarse con la torre de control. Debido a estos problemas, la cuenta regresiva del lanzamiento simulado se suspendió dos veces. Finalmente la cuenta volvió a comenzar, sin embargo, tan solo un minuto después los operadores de la NASA escucharon el grito de Grissom “¡Fuego!». Los gritos de los tres astronautas se oyeron durante 12 segundos más. Aunque de inmediato se envió un equipo de rescate a la escena, los rescatistas no pudieron ayudar a los astronautas. Debido al fuego, la presión del aire en la cabina aumentó a casi dos atmósferas, lo que imposibilitó temporalmente la apertura de la escotilla de entrada.

Figura 1: Los astronautas Roger Chaffee, Ed White y Gus Grissom. Fuente: Wikipedia.

Los análisis posteriores revelaron varias causas que en conjunto llevaron a la tragedia. Las fallas en el cableado eléctrico provocaron chispas en la cabina. Esto fue fatal por lo siguiente: después de cerrar la escotilla, el aire de la cabina en la que se encontraban los astronautas se reemplazó con oxígeno 100 % puro y a una presión de 115 kPa, lo cual es 14 kPa más que la presión atmosférica a nivel del mar. Así, la concentración de oxígeno fue cinco veces mayor que a nivel del mar, lo que creaba un entorno en el que los materiales perfectamente normales se volvían extremadamente inflamables.

Había dos razones para la alta presión en la cabina: esta era necesaria para reemplazar la atmósfera inicial con oxígeno puro y, al mismo tiempo, la escotilla de la cabina fue diseñada de tal manera que sellaba debido a la diferencia de presiones entre la cabina y el exterior. Como la presión externa disminuye con la altura, estaba previsto, que la presión adentro de la cabina iba a disminuir paulatinamente durante el vuelo hasta alcanzar 34 kPa, lo que permitiría a los astronautas respirar con normalidad, mientras que el riesgo de incendio prácticamente desaparecería.

Hay varias razones por las que la NASA decidió utilizar una atmósfera compuesta de 100 % de oxígeno. Las personas pueden respirar fácilmente oxígeno puro a una presión de 34 kPa, que es comparable a la presión atmosférica a una altitud de 8,300 metros sobre el nivel del mar. La ausencia de nitrógeno, que compone la mayor parte de la atmósfera terrestre, reduce significativamente el riesgo de enfermedad por descompresión. Esta puede ocurrir cuando hay una caída repentina en la presión atmosférica, lo que hace que el nitrógeno en la sangre burbujee, causando dolor en las articulaciones y los huesos y, en casos graves, parálisis y muerte.

Adicionalmente, había otra razón: en el pasado, la NASA planeó un diseño diferente, según el cual la cabina se llenaba de una mezcla de oxígeno y nitrógeno, lo que reduciría el riesgo de incendio, mientras que los astronautas respirarían oxígeno puro a menor presión proveído por sus trajes espaciales. Sin embargo, esta diferencia de presiones entre la cabina y el traje espacial también resultó ser problemática. Esto se evidenció el 21 de abril de 1960 durante las pruebas de la cabina de la sonda Mercury. La diferencia de presión provocó una fuga de nitrógeno dentro del traje espacial del piloto de pruebas G. B. North, lo que causó una disminución en la concentración de oxígeno que respiraba el piloto, casi matándolo. A partir de este incidente, los expertos de la NASA evaluaron que una atmósfera de oxígeno 100% puro era la opción más segura para los astronautas.

El desastre del Apollo 1 hizo que la NASA revaluara los riesgos a bordo de sus naves espaciales. En marzo de 1968, esta agencia anunció que Apollo 7, la primera misión tripulada del programa Apollo, utilizaría una mezcla de 60 % de oxígeno y 40 % de nitrógeno. Durante el lanzamiento de esta misión, la presión de la cabina disminuyó de 1 atmósfera a 34 kPa, y la mezcla de los dos gases fue reemplazada por oxígeno puro en el transcurso de 24 horas.

Misiones posteriores

Las misiones Apollo fueron de relativamente corta duración. Apollo 11, que fue la primera en llevar los astronautas a la Luna, duró solo nueve días. Tales misiones llevan a bordo su propio suministro de oxígeno. Sin embargo, esta no es una opción para misiones de mayor duración, como la estación espacial soviética Mir o su sucesora, la Estación Espacial Internacional.

Figura 2: Estación espacial Mir. Fuente: Wikipedia.

La estación espacial Mir estuvo en funcionamiento desde 1986 hasta 2001. Los astronautas en ella respiraban aire que tenía una composición muy similar a la atmósfera de la Tierra, y la presión en la estación era la misma que la del nivel del mar. Dos sistemas se mantenían la calidad del aire. Oxígeno fue producido por el sistema Elektron a partir del agua por un proceso llamado la electrólisis, donde, en presencia de una corriente eléctrica directa, las moléculas de agua son separadas en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno fue expulsa al espacio, mientras que el oxígeno fue desviado adentro de la estación. En caso de que Elektron fallara, había otro sistema a bordo de Mir, llamado Vika. Se trataba de una especie de latas que contenían un litro de perclorato de litio, LiClO₄ y otra sustancia incendiaria. Cuando esta se encendía, se liberaba oxígeno. Cada lata ardía entre 5 a 20 minutos a una temperatura de 450 y 500 ºC, liberando 600 litros de oxígeno molecular, lo que fue suficiente para que un astronauta respirara durante 24 horas. El sistema Vika también se usaba durante las temporadas, cuando más de tres astronautas se encontraban a bordo de Mir.

No está de más decir que tanto Elektron como Vika fallaron en varias ocasiones. Por ejemplo, en febrero de 1997 se incendió una de las latas por accidente y ardió durante unos 14 minutos. Durante este tiempo el fuego bloqueó la salida de emergencia del módulo Soyuz. A pesar de los incidentes pasados, tanto Elektron como Vika fueron seleccionados como sistemas para proveer el oxígeno en la Estación Espacial Internacional y se encuentran en el módulo ruso Zvezda.

Misiones futuras

Hoy en día se habla mucho de futuras misiones a la Luna y Marte. Recientemente, el interés del público en general fue captado por la noticia de que que los futuros habitantes de la Luna podrán producir su oxígeno de manera local a partir del regolito lunar. El regolito es la capa superior de material que cubre la superficie rocosa. Se forma en la Tierra como resultado de la erosión del lecho rocoso debido a la exposición a las condiciones climáticas. En cuerpos sin atmósfera, como la Luna, el regolito se forma por exposición a caídas de meteoritos. El regolito lunar está formado por partículas menores a 1 cm y su densidad es de aproximadamente 1.5 gcm^–3. Se compone de varios componentes químicos, entre ellos de óxidos de hierro, manganeso, magnesio, calcio, titanio, cromo, etc. Por peso, el contenido de oxígeno en el regolito lunar es de 40-45%. Algunos estudios han demostrado que la cantidad de este oxígeno podría cubrir las necesidades de ocho mil millones de personas durante 100.000 años.

Figura 3: Vehículo Perseverance. Fuente: Wikipedia.

La Agencia Espacial Europea ya ha dado los primeros pasos para extraer oxígeno del regolito de la Luna. Utilizaron una sustancia de composición química similar a este y la calentaron a 950 ˚C en presencia de cloruro de calcio. Al pasar una corriente eléctrica a través de esta mezcla, se empezó a liberar oxígeno. Un 75% de todo el oxígeno se liberó en las primeras 15 horas y, después de 50 horas, se liberó hasta un 96% de este gas. Otra ventaja de extraer oxígeno del regolito es que de esta forma quedan extraídos también los metales que lo componen. La empresa Metalysis ya utiliza un método casi idéntico para la producción comercial de metales y aleaciones.

Recientemente se han realizado los primeros intentos para extraer el oxígeno de la atmósfera marciana a partir del dióxido de carbono que representa un 96% de la atmósfera marciana. El oxígeno fue producido por el experimento MOXIE a bordo del rover Perseverance. Durante la primera prueba, MOXIE produjo 5 gramos de oxígeno, suficiente para que una persona respire durante diez minutos. En las pruebas posteriores, MOXIE ya producía 10 gramos de oxígeno por hora.

Adicionalmente, existen planes para extraer oxígeno del regolito marciano, concretamente del perclorato de magnesio en presencia de salmuera muy concentrada, que puede permanecer en estado líquido a temperaturas de hasta -70º C. Esta temperatura es 7º C menor de la temperatura media en el Planeta Rojo. Investigadores de la Universidad de Washington han desarrollado un sistema que de esta forma podría algún día llegar a proveer oxígeno para los futuros visitantes de Marte. Este sistema es mucho más eficiente que MOXIE, ya que con la misma cantidad de energía puede producir 25 veces más oxígeno que MOXIE.

Lecturas adicionales para los más curiosos

1. Emmanuelli, Matteo (2014), “The Apollo 1 Fire”, Space Safety Magazine
2. Kelly A. Giblin, Fire in the cockpit!, Invention & Technology Magazine, 1998, dostopno na http://www.americanheritage.com/articles/magazine/it/1998/4/1998_4_46.shtml
3. Apollo1, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Apollo_1
4. Decompression Sickness, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Decompression_sickness
5. Decompression Sickness, https://www.drugs.com/health-guide/decompression-sickness.html
6. Mir, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Mir
7. Vika oxygen generator, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Vika_oxygen_generator
8. David Harland (30 November 2004). The Story of Space Station Mir. New York: Springer-Verlag New York Inc. ISBN 978-0-387-23011-5
9. The Chemical Composition of Lunar Soil, Washington University of St. Luis,
10. Oxygen and metal from lunar regolith, Evropska vesoljska agencija, https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2019/10/Oxygen_and_metal_from_lunar_regolith
11. Turning Moon dust into oxygen, Evropska vesoljska agencija, https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Turning_Moon_dust_into_oxygen
12. Lomax, B.A., Just, G.H., McHugh, P.J. et al. Predicting the efficiency of oxygen-evolving electrolysis on the Moon and Mars. Nat Commun 13, 583 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28147-5
13. Rasera J N, Cilliers J J, Lamamy J A and Hadler K 2020 The beneficiation of lunar regolith for space resource utilisation: a review Planet. Space Sci. 186 104879, https://doi.org/10.1016/j.pss.2020.104879
14. Lomax, B. A. et al. Proving the viability of an electrochemical process for the simultaneous extraction of oxygen and production of metal alloys from lunar regolith. Planet. Space Sci. 180, 104748 (2020), https://doi.org/10.1016/j.pss.2019.104748.
15. NASA’s Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen From Red Planet, NASA Science MARS Exploration Program, https://mars.nasa.gov/news/8926/nasas-perseverance-mars-rover-extracts-first-oxygen-from-red-planet/
16. Fuel and Oxygen Harvesting with New Perchlorate Salt Water Electrolysis Method from Martian Regolith, MarsU, https://www.marsu.space/post/fuel-and-oxygen-harvesting-with-perchlorate-salt-water-electrolysis-from-martian-regolith