Un avance magnético hacia la producción eficiente de oxígeno en el espacio

Desde que el ser humano se aventuró en el espacio en la década de 1960, uno de los grandes retos tecnológicos ha sido garantizar una producción eficiente y constante de oxígeno.

En la Estación Espacial Internacional (EEI), esta necesidad se resuelve mediante sistemas pesados y de gran consumo energético, poco adecuados para misiones de larga duración como un viaje a Marte.

Ahora, un equipo internacional de científicos ha demostrado una solución ingeniosa y sostenible: usar imanes para facilitar la electrólisis del agua en microgravedad.

El hallazgo, publicado en la revista Nature Chemistry, está firmado por investigadores de la Universidad de Warwick, el Centro de Tecnología Espacial Aplicada y Microgravedad (ZARM) de la Universidad de Bremen y el Instituto de Tecnología de Georgia.

Su propuesta rompe con décadas de complejas aproximaciones técnicas y abre la puerta a sistemas de soporte vital más ligeros, robustos y fáciles de mantener.

Un problema histórico de la exploración espacial

La forma más común de generar oxígeno en el espacio consiste en dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis.

Sin embargo, la ausencia de flotabilidad en microgravedad dificulta que las burbujas de gas se separen de los electrodos: en lugar de ascender como en la Tierra, tienden a quedarse adheridas y suspendidas en el líquido.

Eso obliga a emplear sistemas adicionales de separación, como centrífugas o bombas, que aumentan el peso y el consumo energético de los equipos.

En la EEI, por ejemplo, el sistema de generación de oxígeno consume alrededor de 1,5 kilovatios, lo que equivale a un tercio de la energía destinada al control ambiental y de soporte vital.

A esta exigencia se suma la complejidad mecánica de los dispositivos, que multiplica los puntos potenciales de fallo y obliga a transportar repuestos. En la práctica, no se logra una ventaja clara respecto a llevar depósitos de oxígeno almacenado para misiones prolongadas.

“Necesitábamos una alternativa ligera, fiable y de bajo mantenimiento”, explica en un comunicado la profesora Katerina Brinkert, responsable de la investigación en Warwick y directora de ZARM. “Hemos podido demostrar que no hacen falta centrífugas ni piezas móviles para separar los gases producidos. Tampoco energía adicional: se trata de un sistema completamente pasivo y sostenible”.

Imanes frente a la ingravidez

La clave del avance está en aprovechar las propiedades magnéticas de los fluidos en microgravedad. El equipo utilizó imanes permanentes comerciales -los mismos que se pueden adquirir fuera del laboratorio- para generar fuerzas capaces de guiar y separar las burbujas de hidrógeno y oxígeno.

Los investigadores desarrollaron dos métodos complementarios.

El primero se basa en la polarización magnética del agua, que en ausencia de gravedad permite redirigir las burbujas hacia puntos de recogida específicos.

El segundo recurre a la magnetohidrodinámica: la interacción entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas generadas en la electrólisis produce un movimiento de convección en el líquido, que separa el gas de manera similar a una centrifugadora, pero sin necesidad de partes mecánicas.

“Demostramos que las fuerzas magnéticas pueden controlar de forma viable el movimiento de burbujas en microgravedad, lo que abre una nueva etapa en la mecánica de fluidos en bajas gravedades y permite replantear la arquitectura de futuras misiones tripuladas”, señaló Álvaro Romero-Calvo, profesor en Georgia Tech y autor de la idea original.

Resultados prometedores

Los experimentos se llevaron a cabo en la torre de caída del ZARM, en Bremen, una instalación única en Europa que permite recrear condiciones de microgravedad durante unos segundos. Allí, los científicos comprobaron que el uso de imanes incrementa la eficiencia de las celdas electroquímicas en hasta un 240% respecto a configuraciones convencionales.

Los dispositivos desarrollados -un electrolizador con membrana de intercambio de protones y un sistema de separación basado en magnetohidrodinámica- alcanzaron rendimientos cercanos a los obtenidos en la Tierra, un logro inédito en condiciones de ingravidez.

“Durante mis estancias en ZARM confirmamos el efecto de flotación magnética en celdas de (foto)electrólisis, con materiales de electrodo que en parte fabricamos en Warwick. Me enorgullece haber contribuido a impulsar tecnologías energéticas sostenibles más allá de la Tierra”, afirmó Shaumica Saravanabavan, investigadora de doctorado en Warwick.

Ömer Akay, investigador en la Universidad de Bremen, añadió: “Nuestras celdas permiten producir oxígeno e hidrógeno en microgravedad con eficiencias prácticamente iguales a las terrestres”.

De la teoría al futuro espacial

Este avance no solo resuelve un problema de ingeniería espacial de más de medio siglo, sino que también supone un cambio de paradigma: sustituir mecanismos pesados y vulnerables por soluciones magnéticas simples y pasivas.

El próximo paso será probar estos sistemas en vuelos suborbitales, que proporcionan periodos más prolongados de ingravidez y permiten validar la viabilidad de cara a misiones espaciales reales.

A largo plazo, su implementación podría reducir significativamente los costes de energía y mantenimiento de los sistemas de soporte vital en exploraciones lunares o marcianas.

“La fiabilidad, la masa y el consumo energético son los factores que determinan la viabilidad de la exploración espacial tripulada”, concluye el artículo en Nature Chemistry. “Nuestro trabajo demuestra que imanes comerciales pueden impulsar celdas de electrólisis en microgravedad a eficiencias cercanas a las terrestres, con un diseño simplificado y sin piezas móviles”.

Con esta innovación, la investigación espacial da un paso más hacia la autosuficiencia en órbita y más allá. Un recordatorio de que, en ocasiones, las soluciones más revolucionarias son también las más elegantes y sencillas.