La energía y el aire (VIII). El aire en condiciones especiales

10 de junio de 2016

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Bruno Henríquez

 

Si usted quiere tener un buen futuro tiene que empezar pensando sobre él en el presente, porque cuando el futuro  llegue

no tendrá tiempo

Nathan Myhrvold

 

El aire respirable en condiciones especiales

En la vida diaria se da por sentado que el aire es respirable y que nos brinda las condiciones que necesitamos, pero sin detenernos a pensar en todos sus aspectos. Pero cuando por necesidades de tipo técnico o de salud se requiere que el aire tenga condiciones controladas existen requerimientos que bajo ningún concepto se pueden pasar por alto.
En las incursiones que el ser humano realiza hacia lugares con condiciones diversas, trata de llevar consigo y mantener aquellas características de la atmósfera que le permitan vivir durante el tiempo necesario
Sedan situaciones interesantes cuando el aire normal no es suficiente para mantener el estado de salud de las personas, como en el caso de requerir tratamiento en cámaras de oxígeno, cámaras hiperbáricas, situaciones de aislamiento para que no aparezcan microrganismos perjudiciales o al producir atmósferas limpias para tratamientos especializados.
Estas condiciones de limpieza también son necesarias en algunos procesos industriales para la elaboración de productos que requieren una limpieza extrema del aire, como en etapas de producción de la microelectrónica o la industria farmacéutica.
Cuando las personas están en situaciones especiales, no médicas, en las que no tienen acceso al aire atmosférico, o este por las condiciones existentes no cumple con los requisitos para la respiración, necesitan respirar algún tipo de mezcla de gases que sustituya a la atmósfera normal y garantice las condiciones para la supervivencia humana y el confort de las personas..
Entre los casos que presentan esta situación se encuentran, por mencionar algunos, los pilotos de aviones en vuelo estratosférico, los montañistas en grandes alturas, los buzos, los tripulantes de submarinos y los astronautas. En un futuro cercano será también un requerimiento similar para aquellos que permanezcan durante mucho tiempo en otros planetas. Ya desde hace mucho tiempo se han desarrollado técnicas para producir y mantener el aire que se debe usar en tales condiciones.

 

Calidad del aire en actividades espaciales

¿Cuánto tiempo se puede estar sin respirar? Solo unos minutos. Pero las personas, incluidos muchos médicos, fuman ensuciando el aire del que no podemos prescindir.
O sea hay una tolerancia a respirar el aire con baja calidad, y este no parece irritar a la mayoría de las personas, pero en las condiciones de vida extrema, no nos podemos permitir ese capricho de usar el aire de baja calidad.
¿Qué aire es el que se debe respirar en las naves espaciales, en la estación internacional, en las expediciones a los asteroides y a otros planetas?
En estas condiciones la mezcla de gases utilizada debe garantizar, la presión, temperatura y humedad adecuados para el confort además su composición química y densidad han de ser compatibles con la fisiología humana.
El aire debe circular y cambiar constantemente en esos sistemas, para garantizar tanto el balance energético, como el confort y la eliminación de olores y contaminantes.
Por eso en la estación espacial internacional, la atmósfera es una mezcla de referencia lo más similar posible a la de la Tierra al nivel del mar, con un contenido de 21% de oxígeno. Usa también nitrógeno como en la tierra porque este puede proveer la presión parcial necesaria para que se mantenga la temperatura de ebullición del agua y otros aspectos de las presiones parciales, lo que permite tener condiciones similares a la de la tierra sin las inesperadas reacciones químicas que podrían aparecer si algunas de las componentes atmosféricas tuviera un valor de presión parcial diferente.
Baste recordar que la atmósfera de la nave espacial Apolo 1 era casi de oxígeno puro y todo terminó en catástrofe. La proporción de oxígeno en las mezclas atmosféricas en estos entornos debe prevenir accidentes en caso de incendios o fuegos inesperados.
También la participación internacional en trabajos como la estación internacional o futuros asentamientos marcianos deben exigir el uso de atmósferas normalizadas, si no cada país usaría su propia tecnología, lo que implicaría sistemas de descompresión, ajuste y remezcla de las atmosferas individuales, al hacer contactos directos, sin la posibilidad de intercambio rápido de personas entre los diferentes hábitats, debido a los tiempos de espera necesarios para evitar las molestias durante la adaptación.
De ahí que se use como atmósfera de trabajo un patrón equivalente a la atmosfera terrestre a nivel del mar. Con similares composiciones en nitrógeno y oxígeno.
Una atmósfera similar a la terrestre permite también una mejor ventilación y circulación del aire sin estancamientos peligrosos de algunos componentes.
Cuando un objeto arde en una atmósfera con 80% de nitrógeno y 20% de oxígeno, el nitrógeno es un regulador del calor y no se quema, es posible que otros gases tengan el mismo o mejor efecto térmico pero, el nitrógeno tiene la ventaja de que los humanos podemos respirar una concentración del 80% durante largos períodos sin que cause ningún efecto negativo.
¿Qué aire es el que se debe respirar en las naves espaciales que irán más lejos, en las expediciones a los asteroides o a Marte? ¿Y de dónde se obtendrá el aire o las sustancias para elaborarlo?
En las naves espaciales el aire se lleva desde la Tierra y se recicla, filtra o limpia con ayuda de los sistemas instalados a propósito. En la Estación Espacial Internacional, se han añadido plantas al sistema de purificación del aire con las que se regulan en el aire la presencia de iones negativos, la humedad y aparecen olores más agradables que el que resultaba de la recirculación prolongada del aire en los primeros sistemas usados al efecto. Ya que estas según reporta la NASA además de absorber dióxido de carbono y emitir oxígeno, lo que hacen todas las plantas, también eliminan cantidades significativas de benceno, formaldehido y tricloroetileno.
Cuando la presencia humana en estaciones extraterrestres sea muy prolongada, como en los asentamientos en la Luna y en Marte, será necesario producir un aire no solo respirable sino que cumpla también con los requisitos de confort que lo hagan agradable, con lo que se diseñarán sistemas más complejos que incluyan a más plantas y microorganismos.

 

¿Que se respirará en los asentamientos marcianos?

En Marte la producción de aire respirable debe hacerse a partir de los materiales que se encuentren en el planeta rojo, desde su atmósfera hasta las sustancias químicas de su suelo.
Recientemente Se han desarrollado nuevas técnicas que usan una combinación de plasma y microondas que ayuda a la separación del oxígeno del CO2 del aire marciano, así se obtiene CO y Oxígeno molecular, este método es mucho más eficiente que el utilizado habitualmente llamado electrolisis sólida oxidativa, y tiene actualmente aplicación en la síntesis de gases para procesos industriales como la síntesis de metanol y gasolina sintética.
En un principio el aire a respirar en Marte y la Luna se podrá elaborar a partir de elementos llevados desde la Tierra pero a la larga y en especial en Marte debido a su lejanía se deberán generar todos sus componentes con materias primas locales para poder mantener poblaciones más grandes y no solo expediciones aisladas.
Marte tiene algo que a la Luna le falta: Una atmósfera muy delgada con 95.7 % de dióxido de carbono (CO2), 2.7 % de nitrógeno molecular (N2), y 1.6 % de Argón (Ar) ejerciendo una presión de aproximadamente de 5 milímetros de mercurio (mmHg), En ella recientemente se ha encontrado una presencia importante de oxígeno, no detectada antes por las formas en que se habían hecho las mediciones.
Entre los procesos para tratar la atmósfera marciana podría enviarse una o varias bombas de vacío automáticas que podrían transferir volúmenes de la atmósfera a un contenedor de almacenamiento, a partir de ahí el dióxido de carbono sería convertido en oxígeno molecular O2, elaborando mezclas con proporciones adecuadas de Nitrógeno y Argón.
Desde un punto de vista de ingeniería, es preferible no separar los gases inertes presentes en la atmósfera marciana en envases diferentes, ya que esto requiere tecnología y energía considerable. Por consiguiente, la atmósfera para el hábitat marciano Tendría N2 y Ar en la misma proporción que la atmósfera marciana, con el balance de oxígeno molecular O2 que permita lograr una presión total aceptable. El argón en la mezcla de respiración presenta un reto especial para evitar el mal de descompresión ya que es el doble de soluble que el N2, como se ha comprobado en estudios realizados. Utilizar esta atmósfera representa una alternativa costeable al transporte de N2 y O2 adicional desde la Tierra.

 

 

Un ejemplo de una atmósfera posible para un hábitat de Marte tendría 0,544 de la presión de la atmósfera terrestre o sea 413.789mmHg, con 32.0 % de O2, 42.7 % de N2 y 25.3 % de Ar (recuerde que se toma como unidad de referencia la presión atmosférica en la Tierra al nivel del mar, 101.3 kPa, 760 mmHg). Aunque esto pudiera parecer muy alejado de las condiciones normales, es soportable para los seres humanos, como cuando se encuentran en montañas a gran altura en cuanto a la presión, pero con un mayor porciento de oxígeno, lo que no produciría los efectos negativos que enfrentan las personas en las altas montañas.
La solución de las condiciones en los hábitats desarrollados en Marte y en los trajes para la salida al exterior deben tener en cuenta también los aspectos mencionados, entre otras cosas para evitar efectos de descompresión.
Además para las futuras misiones de exploración espacial y explotación de los asteroides Marte será un sitio de recarga de aire, y de elementos para la producción artificial de atmósfera.