El grupo de investigación Desarrollo de Procesos Químicos y Control de Contaminantes (DePRO) del Departamento de Ingenierías Química y Biomolecular de la Universidad de Cantabria (UC) alberga en su laboratorio un prototipo del dispositivo fotoelectroquímico empleado en el marco del proyecto “Photoelectrochemical system for CO2 reduction to produce fuels and sewage treatment” (HISRU), financiado por la Agencia Espacial Europea (ESA), y liderado por el centro tecnológico Tekniker, que busca desarrollar el primer sistema capaz de reciclar el CO2 presente en el 95% de la composición de la atmósfera del planeta rojo para la producción de metano, de utilidad como combustible para cohetes espaciales.

“Con este proyecto lo que buscamos es desarrollar un dispositivo fotoelectroquímico que nos permita, por una parte, utilizar la radiación incidente en la superficie de Marte y, por otra, aprovechar las aguas grises que se generan por la tripulación en las misiones espaciales, formadas, principalmente, por aguas de uso doméstico” explica Jonathan Albo, investigador en DePRO y responsable en la UC del desarrollo del proyecto.

Para ello, “estamos desarrollando un dispositivo con el cual el CO2 se transforma en metano, metano que podría servir como propulsor espacial, y que, al mismo tiempo, oxide componentes orgánicos del agua, lo que permitiría utilizar este agua para otros fines”, añade Albo que señala que “lo que busca, en definitiva, es el desarrollo de procesos para mejorar el uso de los recursos in situ en exploraciones espaciales a otros planetas, abaratar los costes de las misiones espaciales y, además, prolongar el tiempo de estas misiones”.

ISRU

En exploración espacial, la utilización de recursos in situ (ISRU, por sus siglas en inglés) describe aquellas actividades y procesos que se benefician de los recursos disponibles en otros planetas o lunas para conseguir que las futuras misiones espaciales puedan producir sus propios suministros en misiones prolongadas en el tiempo, minimizando así los materiales que se requieren transportar desde la Tierra, convirtiendo a las tripulaciones más independientes y abaratando los costes de estos viajes.

Con el objetivo de reforzar estas acciones de aprovechamiento de recursos y optimizar al máximo la eficiencia económica de las futuras misiones de astronautas europeos a Marte de la ESA, surge este proyecto HISRU en el que, además de Albo, participan en la UC los investigadores Iván Merino y María Margallo.

A lo largo del proyecto, que ha dado comienzo en enero de este año y que se prolongará en una primera etapa hasta mediados de 2023, la UC y el centro tecnológico Tekniker abordarán pruebas preliminares con diferentes materiales, el diseño preliminar del prototipo, así como una campaña de pruebas para verificar su empleabilidad en misiones espaciales, demostrando que los materiales seleccionados, la configuración del reactor, las tecnologías y la solución son factibles y están listas para su aplicación en Marte.

DISEÑO Y VALIDACIÓN

Para cumplir con el reto establecido por la ESA los investigadores participantes trabajarán teniendo en cuenta las necesidades de las futuras misiones interplanetarias a Marte y las condiciones solares y atmosféricas del planeta.

En base a ello, se analizarán los materiales necesarios para diseñar este sistema, prestando especial atención a la operatividad, la eficiencia, la solidez, la simplicidad, la escalabilidad, la fácil integración mecánica, la minimización del coste y la compatibilidad con los desarrollos espaciales actuales y futuros.

Además, se investigará la composición de las aguas grises y su empleo como electrolito en el reactor prototipo. La oxidación en un reactor fotoelectroquímico del contenido orgánico (incluidos los patógenos) de las aguas residuales permitiría la reutilización del agua para otros fines. Este proceso ayudaría a convertir el CO2 en combustible utilizando la luz solar como fuente de energía.

“Lo que hacemos en el laboratorio es utilizar un reactor tipo filtro prensa para operar en modo continuo a escala de laboratorio y poder convertir el dióxido de carbono en metano por vía fotoelectroquímica”, explica Iván Merino. “Para ello, iluminamos el reactor con luz visible y medimos la formación de este producto empleando diferentes materiales catalíticos y fotoactivos para observar con qué materiales y en qué condiciones se consigue un mejor rendimiento del proceso”, indica.

SEGUNDA FASE: ESCALADO

Tras esta primera fase del proyecto, se comenzará a diseñar, desarrollar, fabricar y montar el reactor fotoelectroquímico bajo la supervisión y aprobación de la ESA y se verificará y validará su funcionamiento en un entorno de laboratorio.

El sistema se probará en condiciones solares similares a las de Marte, con aguas grises controladas y produciendo metano a partir de la reducción en continuo de CO2 y directamente en fase gas, para cumplir con todos los requisitos técnicos establecidos en la definición de la campaña de pruebas.

Finalmente, se definirá una hoja de ruta de industrialización para el desarrollo comercial del reactor fotoelectroquímico y se establecerán parámetros de escalabilidad del sistema (vida útil, eficiencia, tamaño, etc.) para futuros desarrollos.

ABORDAR EL CAMBIO CLIMÁTICO

Los resultados de este proyecto podrían repercutir no solo en la carrera espacial sino también en la Tierra y en el abordaje del cambio climático, aportando avances en el camino hacia la descarbonización de nuestra atmósfera.

“Además de este posible uso del dispositivo en la carrera espacial, tiene también aplicación en la descarbonización de nuestra propia atmósfera en la Tierra, ya que este dispositivo permitiría dar uso a las emisiones de CO2 de la industria o emplear en otros medios de transporte como podría ser un barco”, añade Jonathan Albo.

El proyecto HISRU se enmarca en la campaña de la ESA denominada “Towards a Sustainable Hydrogen Production Technology” (“Hacia una Tecnología Sostenible de Producción de Hidrógeno”) e impacta en los Objetivos de Desarrollo Sostenible 7 – Energía asequible y no contaminante y 9 – Industria, innovación e infraestructura, contribuyendo a los pilares económico y medioambiental del desarrollo sostenible, y, en definitiva, al conjunto de la sociedad.

Así, señala María Margallo, “el proyecto incluye también una vertiente ambiental a través de la herramienta de análisis de ciclo de vida, que lo que permite es evaluar los impactos ambientales de un proceso o de un producto, desde la extracción de las materias primas hasta el fin de vida, lo que va a permitir determinar los puntos críticos del proceso y estimar el impacto del uso de los recursos y la renovación de los elementos del reactor, para determinar cuál es la mejor alternativa desde un punto de vista de sostenibilidad ambiental”.