China demuestra la fotosíntesis artificial en órbita y produce oxígeno y combustible para cohetes

Una sencilla prueba en órbita apunta a vuelos espaciales autosuficientes

China afirma haber logrado un hito en la producción de recursos en el espacio. A bordo de la estación espacial Tiangong, la tripulación de la Shenzhou-19 utilizó una unidad compacta de fotosíntesis artificial para transformar dióxido de carbono y agua en dos productos esenciales: oxígeno respirable y etileno, un hidrocarburo que puede utilizarse para producir propelente para cohetes. La demostración, realizada mediante 12 pruebas controladas dentro de un dispositivo con forma de cajón, muestra que es posible diseñar para funcionar en órbita los procesos químicos fundamentales que las plantas llevan a cabo en la Tierra.

Lo que hace destacar este resultado no es solo lo que se produjo, sino también las condiciones en que ocurrió. El sistema funcionó a temperatura ambiente y presión estándar, en lugar de las condiciones extremas que requieren muchas plantas químicas. En microgravedad, los astronautas también lograron controlar con precisión el movimiento de gases y líquidos, algo que plantea dificultades conocidas cuando las burbujas no ascienden y los líquidos no se depositan. El equipo registró los productos en tiempo real y confirmó tanto la generación de oxígeno como la formación de hidrocarburos.

China desarrolla esta tecnología desde 2015. Que haya funcionado en el espacio es un hito para cualquier plan que busque abastecer a las tripulaciones sin depender de suministros constantes. Si las naves espaciales pueden producir aire y combustible allí donde vuelan, las misiones necesitarán menos carga, serán más seguras y tendrán mayor flexibilidad. El mismo conjunto de herramientas podría utilizarse en puestos avanzados en la Luna o Marte, donde hay agua y dióxido de carbono en forma congelada o en la atmósfera.

Las autoridades han señalado que es posible ajustar el sistema cambiando los catalizadores para producir otras sustancias, como metano y ácido fórmico. El metano ya es un combustible muy utilizado en cohetes, mientras que el ácido fórmico puede servir como componente básico de reacciones químicas más complejas, incluidos los procesos encaminados a sintetizar azúcares para la investigación sobre producción de alimentos. Esta flexibilidad apunta a un futuro en el que un solo dispositivo cumpla varias funciones, desde el soporte vital hasta el suministro de propelente.

Cómo funciona el sistema

La fotosíntesis artificial imita la lógica de las plantas, pero utiliza materiales diseñados para ese fin en lugar de hojas. En términos sencillos, el proceso tiene dos partes. Una divide el agua en oxígeno y envía O2 a la cabina. La otra toma dióxido de carbono y añade electrones e hidrógeno para formar moléculas como etileno, metano o formiato. La energía procede de la luz solar transformada por un panel solar o de una luz que activa directamente un catalizador semiconductor dentro del dispositivo.

La química, en términos sencillos

Dentro de la unidad de Tiangong, un catalizador semiconductor proporciona una superficie en la que interactúan el dióxido de carbono y el agua. Cuando recibe energía, el catalizador ayuda a reorganizar los átomos. El agua libera oxígeno e hidrógeno. El dióxido de carbono aporta el carbono. Según el catalizador, los átomos de carbono se combinan de distintas formas. Los catalizadores basados en cobre tienden a unir átomos de carbono para formar etileno. Otros materiales favorecen la producción de metano o monóxido de carbono. Los ingenieros eligen el catalizador para obtener la mezcla que necesitan.

La unidad que viajó a Tiangong parece utilizar procesos que funcionan a temperatura ambiente y no requieren tanques de alta presión ni temperaturas elevadas. Esto reduce el consumo de energía, algo esencial en una nave espacial donde cada vatio cuenta. También facilita la integración del dispositivo con los sistemas de gestión del aire, ya que el oxígeno puede circular a la presión de la cabina y los hidrocarburos pueden almacenarse o enviarse a otras etapas de procesamiento sin compresores de gran potencia.

Qué hizo realmente la tripulación de Tiangong

La tripulación de la Shenzhou-19, que inició su misión a finales de octubre de 2024, realizó 12 experimentos dentro de un módulo con forma de cajón. El dispositivo contenía los catalizadores, los canales de fluidos y los sensores necesarios para gestionar una reacción trifásica con componentes gaseosos, líquidos y sólidos. El equipo confirmó la producción de oxígeno y midió la aparición de etileno, un producto clave para la investigación sobre propulsión.

Uno de los principales retos fue controlar los fluidos en microgravedad. En la Tierra, los gases y los líquidos se separan de forma natural. En órbita, predomina la tensión superficial. El equipo de Tiangong incluía canales, membranas y controles de flujo que mantenían los reactivos en contacto con el catalizador y, al mismo tiempo, alejaban los productos para que la reacción pudiera continuar. El experimento registró el movimiento de los gases y su comportamiento durante la separación para orientar futuros diseños.

Por qué es importante controlar los fluidos en microgravedad

Si las burbujas se adhieren al catalizador, disminuye la producción. Si los líquidos no llegan de manera uniforme a la superficie de reacción, se forman puntos calientes o zonas secas. El control preciso del flujo es lo que permite pasar de una prueba de laboratorio a obtener un flujo de producto que pueda abastecer un tanque de almacenamiento. Los datos recopilados en Tiangong proporcionan a los ingenieros la información necesaria para ampliar el proceso.

La prueba se suma a una lista cada vez mayor de experimentos en estaciones espaciales que investigan cómo se comportan los procesos cotidianos sin gravedad. En Tiangong ya se han cultivado lechugas y tomates, e incluso se ha encendido un fósforo para estudiar el comportamiento de las llamas. Estos estudios aportan los conocimientos prácticos necesarios para operar fábricas y granjas fuera de la Tierra.

Por qué es importante para el soporte vital y la propulsión

Cada kilogramo que no se lanza desde la Tierra en un cohete reduce los costos y los riesgos. El oxígeno es un ejemplo clave. La Estación Espacial Internacional produce oxígeno al separar el agua en una unidad de electrólisis alimentada por paneles solares. Según algunas estimaciones, la generación de oxígeno consume alrededor de un tercio de la energía destinada al soporte vital de la estación. El método funciona, pero requiere mucha energía y el sistema sigue dependiendo del suministro periódico de agua y consumibles.

La fotosíntesis artificial ofrece una segunda opción. Puede convertir en oxígeno el dióxido de carbono que exhalan los astronautas y, en el mismo dispositivo, producir moléculas de hidrocarburos para combustible. Las reacciones pueden llevarse a cabo a temperatura ambiente y a la presión de la cabina, lo que reduce la demanda eléctrica. Una estación o una base que produzca su propio oxígeno y propelente puede espaciar los envíos de suministros y reservar más energía para la ciencia y las operaciones.

También es valiosa la variedad de productos posibles. El metano se combina con oxígeno líquido en muchos motores modernos, incluidos los diseñados para ser reutilizados. El ácido fórmico puede almacenar hidrógeno en forma química para utilizarlo más adelante. El etileno puede quemarse directamente o procesarse para obtener otros combustibles y materiales. Un sistema que convierta carbono residual en moléculas útiles aumenta el aprovechamiento de cada litro de agua y cada vatio de luz solar disponibles en una estación.

¿Puede el etileno propulsar naves espaciales?

El etileno es un hidrocarburo sencillo con dos átomos de carbono. Arde con facilidad al combinarse con oxígeno líquido y puede utilizarse como combustible en motores o propulsores. Se ha empleado en motores de investigación y vuelos de prueba. Su rendimiento depende del diseño del motor, pero pertenece a la misma familia que el metano y el propano. La ventaja en órbita es que el etileno puede obtenerse directamente mediante la reducción del dióxido de carbono cuando se utiliza un catalizador basado en cobre.

También hay desventajas. El etileno es gaseoso a temperatura ambiente, por lo que es necesario comprimirlo o enfriarlo para almacenarlo. Muchas misiones prefieren el metano porque es más fácil de manejar a temperaturas criogénicas junto con el oxígeno líquido. El etileno también puede servir como materia prima. Con un procesamiento adicional, puede transformarse en líquidos o en plásticos útiles para la fabricación. El experimento de Tiangong demostró que el equipo puede producir etileno, pero en futuras misiones quizá se ajuste el catalizador para obtener metano o formiato, según la aplicación.

La elección del propelente es solo una parte de la cuestión. En casi todos los cohetes químicos, el oxígeno constituye la parte más pesada de la carga de propelente. Cualquier dispositivo que produzca oxígeno a bajo costo en el espacio reduce la masa que hay que lanzar. Aunque al principio el hidrocarburo se envíe desde la Tierra, una estación que suministre oxígeno localmente cambiará de forma favorable los cálculos de las misiones.

De la estación espacial a la Luna

China ha anunciado como objetivos un alunizaje tripulado antes de 2030 y la creación de una Estación Internacional de Investigación Lunar a principios o mediados de la década de 2030. Informes publicados en 2024 describieron planes para utilizar robots que monten un reactor nuclear compacto para abastecer de energía a esa base. La energía es una parte del desafío. La siguiente es garantizar el suministro de aire y combustible sin depender de vuelos de carga. China presenta la prueba de Tiangong como una base para alcanzar ese objetivo.

Una futura cadena de suministro en órbita

Otro elemento es la capacidad de trasladar y compartir propelente en órbita. En enero de 2025, China lanzó el satélite Shijian 25 para probar tecnologías de reabastecimiento de combustible. Combinadas con la producción a bordo de una estación, estas pruebas apuntan a una cadena de suministro en la que una plataforma produce componentes de combustible y otra los distribuye a satélites o vehículos de transferencia. Un sistema práctico podría funcionar así: una plataforma tripulada o robótica utiliza la fotosíntesis artificial para transformar CO2 y agua en oxígeno y metano. Satélites cisterna se encuentran con ella para recoger el propelente y entregarlo a naves espaciales que necesiten un impulso. En la superficie lunar, una unidad similar suministra oxígeno a los hábitats y almacena metano para el viaje de regreso a la órbita. Cada lugar utiliza luz solar local o energía nuclear para llevar a cabo las reacciones químicas.

Qué debe ocurrir ahora

El dispositivo de Tiangong es una prueba de concepto, no una fábrica. Para abastecer a una tripulación o reabastecer vehículos, la producción debe aumentar varios órdenes de magnitud. Para ello se necesitan superficies de reacción más amplias, una mejor gestión del calor y catalizadores que duren meses sin perder eficacia. La radiación espacial y los cambios de temperatura pueden degradar los materiales. Los ingenieros tendrán que comprobar cuánto duran y cómo reemplazar las piezas sin enviar equipos voluminosos.

La separación y el almacenamiento plantean dificultades similares. El oxígeno debe suministrarse con un alto grado de pureza, tanto para respirar como para los motores. Los hidrocarburos deben separarse de los subproductos y comprimirse o licuarse de manera segura. El manejo de oxígeno y combustibles dentro de una nave espacial aumenta el riesgo de incendio, que los diseñadores deben reducir mediante válvulas, sensores y un aislamiento estricto. Ninguno de estos retos es insuperable, pero exige un diseño cuidadoso y pruebas repetidas.

La integración con los circuitos de soporte vital determinará los beneficios reales. En la Estación Espacial Internacional, la electrólisis se combina con un reactor que une CO2 e hidrógeno para formar agua y metano, lo que permite cerrar parte del ciclo. Una futura estación podría elegir entre distintos procesos o combinarlos. El mejor diseño quizá capture el CO2 del aire, produzca oxígeno de manera continua y envíe los combustibles a un sistema de almacenamiento cuando haya un excedente de energía. La operación robótica será esencial para el uso rutinario.

Cómo se integra en los esfuerzos internacionales

La producción de recursos fuera de la Tierra es una prioridad compartida por las agencias espaciales. La NASA llevó el experimento MOXIE en el róver Perseverance para extraer oxígeno de la atmósfera marciana y demostrar que una unidad pequeña podía producirlo en Marte. La Agencia Espacial Europea y numerosos laboratorios estudian fotocatalizadores capaces de convertir CO2 mediante luz solar o electricidad. Empresas privadas diseñan motores de metano para utilizarlos con oxígeno producido en el lugar. Estos proyectos comparten una misma idea: utilizar recursos locales para reducir la masa que hay que lanzar.

Hasta ahora, la mayoría de las pruebas de soporte vital en órbita se han centrado en el cultivo de plantas, la biología y la electrólisis. La prueba de Tiangong es el primer informe sobre un sistema de reducción de dióxido de carbono que produce un hidrocarburo y oxígeno en órbita a temperatura ambiente y presión estándar. Este avance combina el soporte vital con el suministro de propelente en un solo dispositivo. Eleva las expectativas sobre lo que intentarán las futuras plataformas, ya sea en la órbita terrestre baja, el espacio cislunar o la superficie lunar.

La competencia puede acelerar los avances. China buscará ampliar esta tecnología, en el marco de sus planes para construir una base lunar y realizar misiones al espacio profundo. Estados Unidos, Europa, Japón y otros países cuentan con programas activos de utilización de recursos in situ y quizá pronto realicen sus propias demostraciones. Para los ingenieros, el objetivo es disponer de equipos prácticos que funcionen durante meses sin problemas.

Puntos clave

• Los astronautas de la Shenzhou-19 realizaron 12 experimentos de fotosíntesis artificial en Tiangong.
• El dispositivo transformó CO2 y agua en oxígeno y etileno a temperatura ambiente y presión estándar.
• Durante las pruebas se validaron el control de fluidos en microgravedad y la detección en tiempo real.
• Al cambiar los catalizadores, el sistema puede producir metano o ácido fórmico para distintas aplicaciones.
• El método busca reducir el consumo de energía frente a la electrólisis del agua en la Estación Espacial Internacional.
• El etileno puede utilizarse como propelente o como materia prima para producir otros combustibles y materiales.
• China combina la producción en órbita con pruebas de reabastecimiento de combustible y planes para un alunizaje tripulado antes de 2030.
• Entre los principales retos están aumentar la producción, garantizar la estabilidad a largo plazo y almacenar y manejar los productos de forma segura.