COMBUSTIBLES SOLARES Y PROCESOS INDUSTRIALES A ALTA TEMPERATURA

ORESOL: Obtención de oxigeno a partir de REgolita lunar con Energía SOLar concentrada

Participantes: CIEMAT – PSA (España)

Contacto PSA: Thorsten Denk; thorsten.denk.psa.es

Financiación: Proyecto DeMoLOP de la Red ERA-STAR Regions (ERA – Space Technologies Applications & Research for the Regions and Medium-Sized Countries - CA-515793-ERA-STAR REGIONS), del 6º PM de la Comisión Europea. Presupuesto total: 100 k€.

Duración: 1 de diciembre de 2008 – 30 Diciembre de 2009

Motivación: Según la planificación de la Agencia Espacial Estadounidense (NASA), en las dos próximas décadas, el foco de la exploración espacial tripulada volverá a la luna como precursor de posibles viajes a Marte. El recurso más importante que se necesitará allí es el oxígeno, tanto para consumo humano como para carburante de cohetes. Si se consiguiera obtener oxígeno in situ en la luna, se ahorraría una parte muy sustancial y costosa de transporte de carga desde la tierra.

El regolito (polvo) lunar es rico en oxígeno (hasta 45%-masa), pero los enlaces químicos son muy fuertes, lo que significa que para su obtención hacen falta temperaturas muy elevadas, por encima de 1000ºC. Como consecuencia de estudios previos, se ha seleccionado como reacción química más favorable la reducción del componente del regolito lunar, denominado ilmenita, con hidrógeno a agua, seguida de una electrólisis para la obtención del oxígeno y recuperación del hidrógeno.

FeTiO3 + H2 -> TiO2 + H2O + Fe
2 H2O -> 2 H2 + O2 

Una posibilidad atractiva para suministrar la energía necesaria es utilizar sistemas de radiación solar concentrada, que permiten proporcionar altas densidades de flujo energético con las que sería viable alcanzar las temperaturas necesarias para llevar a cabo el proceso.

Objetivos: En el proyecto DeMoLOP se pretendió investigar la obtención de oxigeno a partir de regolito lunar mediante energía solar concentrada, con el objeto de desarrollar un sistema de demostración completo consistente en:

1) un sistema de extracción de regolito
2) un sistema de reacción para la obtención de oxígeno
3) un sistema de post-procesamiento para el oxígeno

La contribución del proyecto ORESOL se centró en la ejecución del punto 2), desarrollo, construcción, ensayo y caracterización de un dispositivo capaz de llevar a cabo la reacción química con radiación solar concentrada para la ganancia de oxígeno a partir de un "lunar soil simulant" fabricado por la NASA.

El esquema básico y simplificado del proceso Oresol se ve en la fig. 1. La radiación procedente del sol se concentra con el concentrador solar (1). En el foco se encuentra el reactor (2). Este reactor está alimentado por regolito lunar y con hidrógeno. Productos son la escoria del regolito y un gas, compuesto en gran parte por el exceso del hidrógeno de alimentación, y como resto por vapor de agua, el producto deseado del reactor solar térmico. Debido al bajo contenido del reactante útil (ilmenita) en el regolito, es inevitable el procesamiento de una gran cantidad de sólidos con su asociado consumo de energía para calentarlos. Por eso, y para simplificar el post procesamiento de la escoria, es aconsejable un sistema de recuperación (parcial) de calor (3). Mientras que se expulsan los residuos sólidos (8), los componentes volátiles están llevados al sistema de tratamiento de agua (4). En este paso se separa el exceso de hidrógeno del agua obtenida, y, si es necesario, se purifica y almacena el agua. Mientras que se reintroduce el hidrógeno al proceso, el agua es llevada al electrolizador (5). Este aparato, que a la vez es el mayor consumidor de energía eléctrica del proceso, disocia el agua en hidrógeno y oxígeno. Mientras que se recicla también este hidrógeno, el oxígeno es el producto final deseado del proceso (9). El esquema lo completa el sistema de alimentación eléctrica (10), el control y adquisición de datos más sistemas de comunicación con la tierra (12), un sistema de repulsión de calor (11), un sistema de esclusas para el regolito (7) y la escoria (8), otros sistemas de pre tratamiento del regolito (7) y varios subsistemas, sobre todo para bombear y almacenar hidrógeno.

Esquema básico del proceso Oresol

El proyecto Oresol sólo es el primer paso hacía una planta de producción de oxígeno lunar, por eso se ha simplificado fuertemente el proceso. La investigación se centra en primer lugar en el paso clave del proceso, que es el reactor solar (2). Como concentrador solar (1) se utiliza el Horno Solar de la Plataforma Solar de Almería. Como concepto del reactor Oresol se eligió un reactor de lecho fluidizado de baja expansión con operación en continuo, radiación solar concentrada en vertical, y absorción directa, quiere decir a través de una ventana de cuarzo. El reactor está diseñado en el caso de operación con hidrógeno puro para la producción de hasta 700g de agua cada hora, consumiendo en este tiempo aprox. 120 kg de regolito. Quedan como tareas abiertas más importantes para el año 2010 la finalización de la integración del reactor y los ensayos.