Uno de los grandes obstáculos que limitan la exploración de la Luna es cómo superar la noche lunar. Durante unas dos semanas las sondas lunares situadas en la superficie tienen que sobrevivir sin la luz del Sol a temperaturas inferiores a los –130 ºC, un reto que la mayoría no consigue superar. Una solución es diseñar misiones que solo aguanten dos semanas y rezar para que sobrevivan a una o dos noches lunares, una estrategia barata, pero ciertamente subóptima (que por el momento es la elegida para el programa CLPS de la NASA). Otra solución mejor, aunque mucho más cara, es usar energía nuclear, bien sea con generadores de radioisótopos (RTG) o reactores de fisión. Por último, podemos probar suerte con baterías y materiales aislantes de nueva generación. El empleo de RTG y calefactores RHU ha permitido que los experimentos de las misiones Apolo 12, 14, 15, 16 y 17 y los rovers soviéticos Lunojod 1 y 2, además de las sondas chinas Chang’e 3 y Chang’e 4, funcionen durante años y sobrevivan a numerosas noches lunares. Por su parte, la sonda japonesa SLIM fue capaz de sobrevivir tres noches lunares gracias al uso de nuevas baterías y materiales.
Pero hay otra opción más allá de la resignación o el uso de sistemas nucleares: enviar la energía a distancia. Aunque parezca algo descabellado, se trata de un concepto que tiene décadas a sus espaldas. En los años 70 la NASA y el Departamento de Energía estudiaron seriamente usar enormes paneles solares fotovoltaicos en órbita geoestacionaria para generar grandes cantidades de energía que serían enviadas a la Tierra mediante haces de microondas. Precisamente, hoy en día existe un interés renovado por estos sistemas SPS (Solar Power Satellite), sobre todo por parte de China. Las dificultades técnicas que hay que superar para que estos sistemas sean rentables son gigantescas, pero su uso en la Luna es otra historia. Primero, las necesidades energéticas son mucho menores, pues hablamos de la energía necesaria para que funcionen un puñado de sondas, nada más. Segundo, al no haber atmósfera, la transmisión de energía mediante microondas o láseres en la Luna es infinitamente más sencilla.
La NASA y otras agencias como DARPA han mostrado un gran interés en estos sistemas de cara a la nueva carrera lunar, y sus esfuerzos están centrados en el envío de energía desde torres de superficie con paneles solares o con reactores de fisión. La variante de paneles solares se está desarrollando dentro del proyecto VSAT (Vertical Solar Array Technology), con el objetivo de desarrollar paneles verticales de 10 a 20 metros de longitud con una potencia de 10 kilovatios (otra iniciativa relacionada es LunA-10 de DARPA). En este programa participan empresas como Lockheed-Martin, Astrobotic y Honeybee. El objetivo de la mayoría de sondas del programa CLPS y el programa Artemisa —ahora fusionados en el programa de la Base Lunar— es el polo sur de la Luna, donde las comunicaciones con la Tierra pueden ser limitadas o nulas y donde existen islas de la luz eternas continuamente iluminadas junto con cráteres en sombra permanente. Por este motivo una sonda con paneles solares verticales podría generar energía en el polo sur gracias al Sol durante casi todo el año. El problema es transmitir esta energía a las sondas y equipos que lo necesitan, que pueden estar situados a bastante distancia.
Para la transmisión de energía hay tres métodos posibles: microondas, láseres u ondas milimétricas. Las microondas son las más eficientes, pero requieren grandes antenas emisoras y receptoras, que tienen una masa considerable. Los láseres tienen una eficiencia muy baja, pero a cambio, el poco diámetro del haz láser permite que el equipo sea mucho más compacto. Las ondas milimétricas combinan las ventajas de los dos sistemas anteriores, pero hay poca experiencia en el uso de esta tecnología.
Una de las ventajas de los láseres es que los receptores encargados de volver a convertir la luz en electricidad son células fotovoltaicas que también pueden generar electricidad con la luz del Sol. Eso sí, la eficiencia a la hora de generar electricidad a partir de la luz solar no sería la misma, ya que las longitudes de onda de los láseres de fibra propuestos (de 500 a 1100 nanometros) no son necesariamente la óptima para la luz solar. Estos receptores fotovoltaicos para los láseres requerirían algún sistema de refrigeración adicional para evitar un calentamiento excesivo. Otra ventaja de usar láseres es que se pueden usar para enviar datos al mismo tiempo que energía. Los estudios demuestran que es relativamente sencillo enviar energía mediante láseres infrarrojos hasta una distancia de 10 kilómetros (a mayor distancia, la dispersión del haz requiere receptores de mayor tamaño). Por poner cifras concretas, se estima que para un láser de 1,5 kilovatios se pueden generar 300 vatios en la sonda receptora con un panel de 1,5 metros de diámetro (el tamaño es el diámetro del haz láser a 10 kilómetros).
Otra opción es situar los láseres en órbita y, de esta forma, se podrá dar energía durante la noche lunar a otras sondas que no estén necesariamente en el polo sur. El problema es que, debido a la distancia, se requiere un láser más potente para compensar las pérdidas, a ser posible dotado de un espejo que permita enfocar el haz para que no se disperse. La ventaja es que si lo que queremos solamente es sobrevivir a la noche lunar y no funcionar dentro de un cráter en sombra permanente necesitamos poca potencia energética, del orden de 50 vatios. Los estudios demuestran que con una constelación de tres satélites situados en órbitas polares de 600 a 800 kilómetros de altitud con planos separados 60º se podría cubrir toda la superficie lunar y dar servicio a múltiples sondas (seis por orbitador, tanto en el hemisferio diurno como en el nocturno).
Los orbitadores deberían tener un emisor láser con un espejo de 1 metro de diámetro para que el ancho del haz en la superficie no superase los 1,5 metros a una distancia máxima de 1500 kilómetros. Como ejemplo, se han sugerido estaciones orbitales láser o «naves de haz» (beamcraft) de 3,5 toneladas capaces de generar 5 kW dotadas de un láser de 3 kW y una óptica con un telescopio fijo de casi 1,5 metros de diámetro, aunque Lockheed Martin ha propuesto un orbitador con una potencia de hasta 60 kW y una óptica capaz de dirigir el haz a varios puntos de la superficie (a menor altitud orbital se requiere menos potencia, pero se cubre menos área de la superficie en un momento dado).
Si la NASA logra desplegar una red de estaciones VSAT y orbitadores con láseres, sin duda alcanzar la Luna sería mucho más sencillo y las sondas podrían reducir su masa al no necesitar paneles solares tan grandes, con el beneficio adicional de que serían capaces de sobrevivir a la noche lunar sin problemas. ¿Veremos alguna vez en servicio una red de este tipo?
Referencias:
- https://techport.nasa.gov/projects/116305
- https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20250003925/downloads/Laser%20Power%20beaming-SPW-2025.pdf
- https://pdfs.semanticscholar.org/4bac/83beab3cf02427581e2303b627dc2e40e773.pdf
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S127096382601597X
Casi atina al gua.
https://science.nasa.gov/solar-system/moon/nasas-lro-images-falcon-9-crater-on-moon-learns-new-details/
Sería muy chulo poder ver esta red funcionando, y espero que podamos ver su desarrollo en los próximos 5-8 años. La generación de electricidad usando energía nuclear me parece que llevará mucho más tiempo.
Muchas gracias por el artículo Dani. Este y toooodos los publicados…
Interesante elección 60 kW de Lockheed Martin. ¿No es justamente la potencia del laser que han instalado en algun barco para destruir drones? El sistema HELIOS creo que es. ¿Solo que en lugar de destruir un misil de crucero a 1 km de distancia quieren utilizarlo para dar electricidad a un rover a una distancia de 1000 km? No sé si me convence mucho este sistema, la verdad. ¿No había algún tratado que pretendía evitar la instalación de laser orbitales por lo de la no proliferación? Claro que ahora mismo los tratados internacionales parecen agua de borrajas.
Imposible evitar el doble uso de los sistemas de energía dirigida. De hecho, la investigación sobre esas tecnologías también es de «doble uso». Hay un cuento de A.C. Clarke en el que unas tarjetas plateadas, distribuídas entre los hoolingans que presencian un partido de fútbol, se convierten en un arma mortal. Y por eso mismo, es muy improbable que todos los países – excepto los dueños de los sistemas – permitan instalaciones de energía dirigida, como espejos, en órbita terrestre.
Muy poco sobre ondas GHz, a pesar de estar en el punto dulce entre microondas y láseres. Y, de cara a esos mástiles colectores, ¿ está bien caracterizada la distribución de masas y velocidades de la lluvia de meteoritos lunar ?
P.D.: No sé si estamos a tiempo de intentar evitar adjetivaciones periodísticas, como «infinitamente» o «exponencialmente», ambas casi siempre mal usadas.
¡Interesantísimo tema!
Superar los –130 ºC en superficie, 50 vatios darían bien, pero requiere una muy buena aislación térmica y estar siempre en alcance óptico, y no estar dentro de un cráter en sombra permanentemente, tal cual lo indica Marín.
Dura poco la alegría?
https://share.google/JvlEQJvkcYf2ndbXV
Foto fake. Ya lo han dicho en varios canales de YouTube como Control de Misión.
https://www.youtube.com/watch?v=5_iCADh2DbE
Unos proyectos interesantes, aunque me parece muy complicado enviar energía a distancias kilométricas sin conductos materiales.
Aunque la superficie de la Luna se enfríe mucho durante sus noches, entiendo que a poca profundidad la temperatura se oscila mucho menos entre el día y la noche.
Tengo la duda de si una sonda sobreviviría la noche lunar tomando calor de debajo del suelo, por ejemplo enterrando un intercambiador de calor bajo un montón de regolito. Si funcionará, incluso se podría obtener algo de energía eléctrica mediante termopares.
«funcionará“ -> funcionara
El Satanico Dr. No.
Interesante para sondas que exploren cráteres en la sombra, aunque lo veo más viable desde estaciones emisoras fijas en superficie.
Para sondas lunares y noche, sigo pensando que con las baterias y un aislamiento decente se eliminan muchos problemas. La densidad de las baterías recientes con 475Wh/kg, dan para mucho si se usan con cabeza. Dani mencionaba 50W x 24h x 15 días = 18000Wh/475Wh/kg = 38kg y me parece una cantidad bastante grande para mantener una electrónica a flote en el vacío. Si con 38kg de baterías y unos paneles solares te ahorras satélites con láseres y microondas y todo el sistema de recepción, desde mi punto de vista no hay color, una implementación es factible y la otra necesita de un dineral en ingeniería. No hace falta ni calefactores de plutonio.
Me gusta mucho el concepto, sobretodo porque se puede jugar mucho con esto, se podría usar como GPS y también para telecomunicaciones. Con toda la investigación que se ha hecho en el ámbito militar la parte del laser debe estar muy avanzada. Quizás podría ser incluso el punta pie inicial para velas solares. De otra parte, ya a fin de año tendremos generadores de americio en la luna, que seguramente es una solución más simple y barata, y a la larga la fision será la respuesta a la gran mayoría de los problemas
«…ya a fin de año tendremos generadores de americio en la luna..» Me perdí. ¿Podés ampliar?