Entrada 13: Minería ISRU — Procesamiento de Regolito y Extracción de Agua Helada en el Iglú Científico (4º ESO / Bachillerato)
Tras implementar la “Caja Negra” y la seguridad atmosférica en el Iglú Científico (Entrada 12), abordamos la frontera tecnológica más ambiciosa de la exploración espacial actual: el Aprovechamiento de Recursos In-Situ (ISRU – In-Situ Resource Utilization).
En esta fase, el laboratorio del Iglú se convierte en una planta piloto de procesado de regolito lunar. El alumnado asume el rol de Ingenieros de Procesos e Instrumentación Planetaria, emulando las misiones VIPER de la NASA y PROSPECT de la ESA para extraer y cuantificar agua helada atrapada en el subsuelo del Cráter Shackleton.
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ PLANTAS PILOTO ISRU (BERMEJAHAB) │
│ │
│ ┌──────────────────────┐ Sublimación ┌────────────────────────────────┐ │
│ │ Cámara de Muestras │ H₂O en Vacío │ Cámara de Condensación │ │
│ │ (Regolito + Hielo) ├────────────────>│ (Colector de Agua Medida) │ │
│ └──────────┬───────────┘ └───────────────┬────────────────┘ │
│ │ Calentamiento Térmico │ │
│ ▼ (Relé / Resistencia) ▼ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Controlador Arduino / Telemetría Web Serial │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
🔬 La Ciencia tras el Experimento: Física y Termodinámica de la Sublimación Lunar
En las Regiones Sombreadas Permanentemente (PSR) del Polo Sur de la Luna, la temperatura desciende hasta los 40 K (-233 °C). A estas temperaturas y en ausencia casi total de atmósfera (Presión ≈ 10-12 hPa), el agua se conserva amarrada al regolito en forma de hielo sucio o matriz cristalina.
1. El Diagrama de Fases del Agua y el Punto Triple
En la Tierra, al calentar hielo, este se funde en agua líquida a 0 °C (a 1013,25 hPa). Sin embargo, la presión dentro del horno estanco del rover lunar es tan reducida que nos encontramos por debajo del punto triple del agua (6,11 mbar / 6,11 hPa).
El hielo no pasa por estado líquido; experimenta una sublimación directa. A partir de los -100 °C (173 K) en vacío, las moléculas de H₂O escapan a gran velocidad de la matriz de regolito.
2. Balance Térmico de Extracción
Para calcular el agua extraída por cada kilogramo de regolito procesado, aplicamos la ecuación del balance de energía:
Donde:
- cp,reg ≈ 800 J/(kg·K) es el calor específico del regolito lunar.
- Lsubl ≈ 2,83 × 106 J/kg es el calor latente de sublimación del hielo.
- Ratios de abundancia esperada en Shackleton: entre 5% y 10% de masa de H₂O por kg de matriz regolítica.
🛠️ Esquema de Conexión de Hardware (Para Integrar en el Aula)
El montaje conecta la etapa de potencia para el calentamiento del tubo de ensayo/cámara con la sensorización de temperatura profunda (DS18B20 o Termopar) y la medición de presión/humedad en la cámara estanca (BME280).
| Componente | Pin Sensor / Módulo | Pin Arduino Uno / Nano | Pin Arduino Mega | Función en la Planta ISRU |
| Módulo Relé (5V) | IN / VCC / GND | Pin 4 / 5V / GND | Pin 4 / 5V / GND | Control de Resistencia Calefactora |
| DS18B20 (Sonda) | DATA / VCC / GND | Pin 2 (Res. 4.7kΩ a VCC) | Pin 2 (Res. 4.7kΩ a VCC) | Temperatura del Horno de Regolito |
| BME280 (Cámara) | SDA / SCL | A4 / A5 | 20 (SDA) / 21 (SCL) | Presión (hPa) y Humedad por vapor |
| LED Alerta / Status | Ánodo (+) | Pin 13 | Pin 13 | Indicador de Ciclo de Calentamiento |
💻 Código Firmware Real: Control de Horno ISRU (ISRU_Regolith_Extraction.ino)
Este programa ejecuta un bucle de control térmico del horno de muestras, limita la temperatura por seguridad y calcula estimativamente la tasa de vapor de agua generado a partir del incremento de humedad y presión en la cámara.
C++
/*
BermejaHab - Planta de Extracción de Agua ISRU
Control de Sublimación Térmica en Regolito Lunar
IES Monterroso - Proyecto MonteSTEAM
*/
#include <Wire.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BME280.h>
// Pines de Control
const int PIN_ONE_WIRE = 2; // Sonda de Temperatura DS18B20
const int PIN_RELE_HEATER = 4; // Control de resistencia calefactora
const int PIN_LED_HEAT = 13; // Testigo de calentamiento
// Parámetros de Operación ISRU
const float TEMP_OBJETIVO = 85.0; // °C para sublimación controlada en aula
const float TEMP_MAX_SAFETY = 105.0; // Desconexión de emergencia
// Objetos
OneWire oneWire(PIN_ONE_WIRE);
DallasTemperature sensorHorno(&oneWire);
Adafruit_BME280 bmeCamara;
bool bmeOK = false;
float masaRegolitoKg = 0.500; // Muestra estándar de 500 gramos
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(PIN_RELE_HEATER, OUTPUT);
pinMode(PIN_LED_HEAT, OUTPUT);
digitalWrite(PIN_RELE_HEATER, LOW); // Relé apagado por defecto
digitalWrite(PIN_LED_HEAT, LOW);
sensorHorno.begin();
if (bmeCamara.begin(0x76) || bmeCamara.begin(0x77)) {
bmeOK = true;
}
Serial.println(F("=================================================="));
Serial.println(F(" BERMEJAHAB - SISTEMA MINERO DE EXTRACCIÓN ISRU "));
Serial.println(F("=================================================="));
}
void loop() {
// 1. Lectura de Sensores
sensorHorno.requestTemperatures();
float tempHorno = sensorHorno.getTempCByIndex(0);
float presionCamara = bmeOK ? (bmeCamara.readPressure() / 100.0F) : 1013.2;
float humedadCamara = bmeOK ? bmeCamara.readHumidity() : 0.0;
// 2. Control Termostático del Horno (Bang-Bang con Histéresis)
bool calefactorEncendido = false;
if (tempHorno < TEMP_OBJETIVO && tempHorno < TEMP_MAX_SAFETY) {
digitalWrite(PIN_RELE_HEATER, HIGH);
digitalWrite(PIN_LED_HEAT, HIGH);
calefactorEncendido = true;
} else {
digitalWrite(PIN_RELE_HEATER, LOW);
digitalWrite(PIN_LED_HEAT, LOW);
calefactorEncendido = false;
}
// 3. Estimación de Agua Extraída (Modelado de Vapor)
// Rendimiento estimado según nivel de humedad y temperatura (> 40 °C)
float aguaEstimadaML = 0.0;
if (tempHorno > 40.0) {
aguaEstimadaML = (humedadCamara / 100.0) * (tempHorno / 100.0) * (masaRegolitoKg * 50.0);
}
// 4. Telemetría Serie para Centro de Control Web
Serial.print(F("[ISRU] TempHorno:"));
Serial.print(tempHorno, 1);
Serial.print(F(" C | Presion:"));
Serial.print(presionCamara, 1);
Serial.print(F(" hPa | HumVapor:"));
Serial.print(humedadCamara, 1);
Serial.print(F(" % | aguaML:"));
Serial.print(aguaEstimadaML, 1);
Serial.print(F(" Heater:"));
Serial.println(calefactorEncendido ? F("ON") : F("OFF"));
delay(2000);
}
🤖 Prompt para Claude: Simulador Interactivo de Minería ISRU
Dado que la fase actual se realiza desde casa, este prompt le pide a Claude generar una interfaz web autocontenida (Artifact) que simula la cinética de sublimación, la curva de rendimiento hídrico y la conexión Web Serial directa.
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Actúa como un Ingeniero de Sistemas de Procesado Planetario de la ESA. Crea un Dashboard web interactivo en un ÚNICO ARCHIVO HTML (listo para previsualizar como Claude Artifact) para simular la Extracción de Agua de Regolito Lunar (ISRU) en BermejaHab.
Estética e Interfaz:
- Estilo "Espacial Operativo" (modo oscuro slate-950, acentos en cyan, amber y blue neón, fuente monospace para datos).
- Usa Tailwind CSS y FontAwesome vía CDN.
- Muestra el esquema de la cámara de sublimación con estado visual animado: [FROZEN] -> [HEATING] -> [SUBLIMATING] -> [EXTRACTED].
Panel de Control del Simulador (Modo desde Casa):
1. Sliders de Entrada:
- Masa de Regolito Procesada (0.1 a 5.0 kg).
- Porcentaje de Hielo en la muestra (1% a 12% en peso).
- Potencia del Horno Térmico (50W a 500W).
2. Botones de Acción: "Iniciar Secuencia Térmica ISRU", "Pausar" y "Purgar Cámara".
3. Lógica Física Integrada (JavaScript Loop a 1 Hz):
- Modela el incremento de temperatura según Q = m * c * dT.
- Calcula la tasa de sublimación diferencial dM/dt al superar los -50 °C simulados.
- Genera una curva en tiempo real con Chart.js que grafique: [Temperatura del Horno (°C)] vs [Agua Recuperada (mL)].
- Muestra indicadores digitales: Litros acumulados, Eficiencia energética (kWh/L H2O) y Estado del Relé.
Compatibilidad con Hardware Real (Modo Aula Web Serial):
- Incluye un botón "🔌 Conectar Horno Real (Web Serial API)".
- Implementa parser regex para leer la trama serie enviada por Arduino:
"[ISRU] TempHorno:XX.X C | Presion:XXXX.X hPa | HumVapor:XX.X % | aguaML:XX.X mL | Heater:ON/OFF"
- Al recibir datos reales, desactiva el motor simulado y representa los valores físicos reales en el gráfico.
Genera el código HTML/JS/CSS autocontenido, completamente funcional y sin omitir secciones.
FontAwesome: no lo he cargado por CDN — el entorno donde se ejecutan los Artifacts solo permite hojas de estilo externas de Google Fonts, así que una hoja de FontAwesome no cargaría (fallaría en silencio). He usado emojis/símbolos en su lugar para los iconos; Chart.js sí se carga bien vía CDN porque es un script, no una hoja de estilos. Física del modelo: la temperatura sube según Q = m·c·ΔT con calor específico del regolito (~700 J/kg·K). Al cruzar los -50 °C, el 70% de la energía se destina al cambio de fase (sublimación, usando el calor latente ~2.834 MJ/kg) y el 30% sigue calentando, lo que hace que la curva de temperatura se “aplane” mientras hay hielo — comportamiento físicamente razonable para la demo. Web Serial: el botón usa la API nativa navigator.serial; si el hielo se agota antes de purgar, el simulador respeta el estado EXTRACTED y detiene la generación de agua aunque sigas calentando. Regex de la trama real: parsea exactamente [ISRU] TempHorno:XX.X C | Presion:XXXX.X hPa | HumVapor:XX.X % | aguaML:XX.X mL | Heater:ON/OFF y, al conectar, desactiva el motor simulado y pinta los datos reales en el mismo gráfico.
🔄 Secuencia Didáctica del Experimento
- 💻 Simulación Digital Térmica (Desde Casa): El alumnado utiliza el Simulador Artifact para investigar cuánta energía (en Watts-hora) se requiere para extraer 1 Litro de agua limpia según el porcentaje de hielo del regolito depositado.
- 🔌 Montaje de la Planta Piloto (En el Aula): Ensamblado del tubo/recipiente de prueba con la resistencia calefactora, la sonda DS18B20 y el módulo de presión BME280.
- 🧪 Prueba de Extracción: Introducción de una muestra simulada de regolito (arena de cuarzo fina humedecida y congelada a -18 °C). Activación del ciclo térmico automatizado para registrar la curva real de sublimación/evaporación.
- 📊 Análisis de Rendimiento: Comparación de la curva teórica calculada por la simulación frente a la respuesta del sensor en vivo a través de la Web Serial API.
🎓 Vinculación Curricular
- Asignaturas: Física y Química (4º ESO) / Tecnología e Ingeniería (1º Bachillerato).
- Saberes Básicos:
- Cambios de Estado y Termodinámica: Diagramas de fase Presión-Temperatura (P-T), sublimación en condiciones de baja presión y calor latente.
- Sistemas de Control Realimentado: Lógica de control ON/OFF con histéresis mediante relé e integración de sensores digitales de temperatura.
- Sostenibilidad Espacial: Principios del uso de recursos in-situ (ISRU) para la producción de agua potable, oxígeno por electrólisis y propelente de cohetes (LH₂ / LOX).
