En caso de emergencia climática: despliegue de burbujas espaciales para bloquear el sol

Por MIT 16 de julio de 2022

Si el cambio climático ya ha ido demasiado lejos, ¿cuáles podrían ser nuestras soluciones de emergencia? Crédito: MIT

Un grupo interdisciplinario de científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts está explorando un escudo solar basado en el espacio para reducir la radiación entrante en la superficie de la Tierra y, por lo tanto, combatir el cambio climático.

A medida que aumenta la temperatura de la Tierra, la cuestión de la respuesta de la humanidad al cambio climático se vuelve más urgente: ¿nuestro impacto negativo ya ha ido demasiado lejos? ¿Es demasiado tarde para que podamos revertir el daño causado?

A proposal currently being developed by a transdisciplinary team at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> MIT) sugiere un enfoque que complementaría las soluciones actuales de mitigación y adaptación climática. 'Space Bubbles', inspirada en una idea propuesta originalmente por el astrónomo Robert Angel, se basa en el despliegue de una balsa en el espacio que consta de pequeñas burbujas inflables con el objetivo de proteger a la Tierra de una pequeña porción de la radiación solar.

La geoingeniería podría ser nuestra última y única opción. Sin embargo, la mayoría de las propuestas de geoingeniería están ligadas a la tierra, lo que plantea enormes riesgos para nuestro ecosistema vivo. Crédito: MIT

Este proyecto es parte de un enfoque de geoingeniería solar, un conjunto de tecnologías que tienen como objetivo reflejar una fracción de la luz solar que llega a la Tierra, para combatir el cambio climático. A diferencia de otros esfuerzos de geoingeniería basados ​​en la Tierra, como la disolución de gases en la estratosfera para aumentar su efecto albedo, este método no interferiría directamente con nuestra biosfera y, por lo tanto, plantearía menos riesgos de alterar nuestros ya frágiles ecosistemas. La balsa en sí (los investigadores plantean la hipótesis de una nave del tamaño aproximado de Brasil) compuesta de burbujas congeladas estaría suspendida en el espacio cerca del Punto Lagrangiano L1, un lugar entre la Tierra y el sol donde la influencia gravitacional del sol y la Tierra se cancelan. .

Esta propuesta aborda muchas preguntas: ¿Cómo diseñar el mejor material para que las burbujas resistan las condiciones del espacio exterior? ¿Cómo fabricar y desplegar estas burbujas en el espacio? ¿Cómo hacer que el escudo sea completamente reversible? ¿Cuáles son los efectos potenciales a largo plazo en el ecosistema de la Tierra?

Si bien abordar el cambio climático necesariamente requiere reducir las emisiones de CO2 en la Tierra, otros enfoques, como la geoingeniería, podrían complementar dichos esfuerzos si las medidas actuales de mitigación y adaptación resultaran inadecuadas para revertir las tendencias actuales del cambio climático.[1] En particular, se ha demostrado teóricamente que la geoingeniería solar, un conjunto de tecnologías que tienen como objetivo reflejar una fracción de la luz solar que llega a la Tierra, es una solución valiosa para complementar los esfuerzos actuales para reducir las emisiones de CO2.[2]

Basándonos en el trabajo de Roger Angel, quien fue el primero en proponer el uso de películas reflectantes delgadas en el espacio exterior, producimos una solución innovadora que es fácilmente desplegable y totalmente reversible. Crédito: MIT

La geoingeniería solar es uno de los temas menos investigados en las tecnologías de la ciencia del clima. La mayoría de los esfuerzos de investigación se han concentrado en disolver los componentes químicos reflectantes en la troposfera o la estratosfera que compensarían la radiación solar entrante, [3] enfrentando problemas de irreversibilidad y otros efectos invernadero. La geoingeniería basada en el espacio brinda la oportunidad de resolver el problema sin un efecto directo en la química estratosférica.

James Early[4] propuso la idea de desplegar una película deflectora multicapa en el Punto Lagrangiano (L1, véase la Figura 1a) entre el Sol y la Tierra, reduciendo la luz solar incidente en un 1,8 %. Roger Angel,[5] basándose en la investigación de Early, investigó la idea de un enjambre de pequeñas naves espaciales que desplegaban escudos más pequeños, proponiendo un plan de viabilidad inicial para la tecnología. Los principales desafíos asociados con las propuestas anteriores son la complejidad de prefabricar una película grande y transportarla y desplegarla en el espacio exterior. Otras ideas incluyen la creación de una nube de polvo de asteroides[6] en L1, lo que plantea el problema de mantener confinado el material. Entre los problemas con los enfoques existentes: la cantidad de material necesario, la dificultad de la fabricación en el espacio y la no reversibilidad de tales proyectos de geoingeniería.

Las burbujas podrían fabricarse directamente en el espacio exterior, formando una extensa balsa deflectora situada en el Punto Lagrangiano entre la Tierra y el Sol. Crédito: MIT

En general, la mayor parte de la investigación aún no ha pasado de una etapa aproximada de estudio de factibilidad. En esta propuesta, estamos reuniendo a un equipo interdisciplinario de científicos del MIT para hacer un siguiente nivel de viabilidad. Como hipótesis de trabajo, proponemos explorar la idea de proteger la radiación solar mediante el despliegue de un conjunto de balsas de burbujas compuestas por conjuntos de pequeñas burbujas inflables interconectadas (ver Figura 1b) cerca del Punto Lagrangiano L1 entre el Sol y la Tierra.

Creemos que inflar esferas de película delgada directamente en el espacio a partir de un material fundido homogéneo, como el silicio, puede proporcionar la variación de espesor que refracta un espectro de onda más amplio y nos permite evitar la necesidad de lanzar grandes elementos de película estructural. Las esferas se pueden fabricar directamente en el espacio, optimizando los costos de envío. Además, dado que las burbujas pueden destruirse intencionalmente rompiendo el equilibrio de su superficie, esto haría que la solución de geoingeniería solar fuera completamente reversible y reduciría significativamente la basura espacial. Tenga en cuenta, sin embargo, que la balsa de burbujas es solo una hipótesis de trabajo en este momento, y podría revisarse durante la preparación del libro blanco.

De naturaleza interdisciplinaria, el proyecto involucra una variedad de problemas de investigación en varias disciplinas, desde la óptica y la mecánica de las películas delgadas en el espacio hasta el impacto del sombreado en la Tierra y la implementación de políticas públicas. Las subsecciones a continuación presentan los principales desafíos y las estrategias preliminares para abordarlos [con las disciplinas involucradas]:

Una fase fundamental de este proyecto es seleccionar el material y la tecnología adecuados para fabricar y mantener esferas de película delgada en las condiciones del espacio exterior. En nuestros experimentos preliminares, logramos inflar una burbuja de película delgada a una presión de 0,0028 atm y mantenerla alrededor de -50 °C (para aproximar las condiciones espaciales de presión cero y temperatura cercana a cero, consulte la Figura 1c).

Further research will investigate the use of other types of low vapor-pressure materials to rapidly inflate and assemble bubble rafts (including silicon-based melts, and grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> líquidos iónicos reforzados con grafeno que tienen presiones de vapor ultrabajas y densidades relativamente bajas); Las métricas de diseño clave incluyen las propiedades térmicas interfaciales viscosas de los formadores de burbujas durante el inflado, así como las propiedades ópticas y estructurales de las balsas de burbujas cuando se exponen a la radiación solar. [ciencias materiales, ingeniería mecánica, dinámica de fluidos]

Figura 1 – (a) Ubicación del punto Lagrangiano L1 como se describe en [5] (b) Balsa de burbujas en una superficie de agua (cortesía de la Universidad de Wisconsin) (c) Burbuja de película delgada congelada de ~20 mm de diámetro a 0,0028 atm (experimento realizado en el MIT). Crédito: MIT

Estudiaremos si un escudo basado en burbujas es eficiente en masa en comparación con otras soluciones de sombreado propuestas. A medida que se inflan las finas esferas de fluido, el espesor mínimo de la película de líquido que forma la cubierta puede ser teóricamente tan bajo como 20 nm debido a la presión de separación de la superficie y al efecto Marangoni. Sin embargo, para desviar la luz solar, el grosor de las capas debe ser comparable a las longitudes de onda solares (es decir, del orden de 400-600 nm). Nuestros cálculos iniciales, considerando burbujas esféricas de base líquida, sugieren que la densidad de masa esperada de la balsa resultante sería <1,5 g/m2, a la par con el escudo más liviano propuesto por Angel.[3-5] [física, óptica]

Mientras que en el punto L1 Lagrangiano las fuerzas gravitatorias de la Tierra y el Sol se cancelan, una balsa de burbujas ancha y delgada estaría significativamente expuesta a la presión de la radiación solar, lo que sugiere que la ubicación óptima debe identificarse un poco más cerca del Sol, aproximadamente a 2,5 Gm de distancia. la tierra. Se necesita un mecanismo de estabilización activa y tendrá que diseñarse, preferiblemente a través de la modificación de la geometría [ingeniería aeroespacial, ciencias planetarias, robótica]

En los laboratorios del MIT, han probado burbujas en condiciones del espacio exterior que podrían ser una de las estructuras de película delgada más eficientes para desviar la radiación solar. Crédito: MIT

Investigaciones previas de geoingeniería[2,3] sugieren que para revertir los efectos del cambio climático, la radiación solar entrante debería reducirse en un 1,8 %, incluso si porcentajes más pequeños serían suficientes para complementar las iniciativas de mitigación del calentamiento global en la Tierra.[7] Se construirá y utilizará un modelo de reflexión de la radiación solar para determinar las propiedades ópticas de la balsa de burbujas, mientras que un análisis más profundo con modelos climáticos identificará la fracción de reducción de radiación solar deseada. [física, óptica, ciencias climáticas]

Posiblemente, una ventaja significativa de una balsa de burbujas es la posibilidad de ensamblaje in situ utilizando métodos de fabricación basados ​​en el espacio. Las burbujas se pueden inflar rápidamente dentro de la unidad de producción, luego congelarse rápidamente y liberarse en un espacio de baja temperatura y presión cero. Se estudiará la coordinación del proceso de entrega, transferencia de materia prima, inflado y la coordinación de las balsas de burbujas resultantes. Además, se investigarán nuevas formas de transportar el material desde la Tierra, incluidos los aceleradores magnéticos (cañón de riel), como ya se ha propuesto en la literatura. [ingeniería aeroespacial, ingeniería mecánica, robótica]

Si ya no se necesita una balsa de burbujas, las láminas de esferas delgadas son fáciles de destruir rompiendo el equilibrio de su superficie y colapsándolas desde su punto de equilibrio metaestable a una configuración de energía más baja. Esto minimiza los desechos en comparación con otros enfoques propuestos y lo hace más seguro y resistente en caso de impactos con otros objetos. El mantenimiento de un escudo tan frágil es un desafío, y se estudiará una tasa de reposición efectiva para garantizar que el escudo mantenga su tamaño, junto con estrategias para garantizar una transición suave al final de la vida. [ciencias climáticas, ingeniería aeroespacial]

A pesar de la ubicación remota de la atmósfera de la Tierra, algunos estudios sugieren que pueden surgir fenómenos complejos en el clima de la Tierra como consecuencia de la reducción de la radiación solar, como el debilitamiento de las trayectorias de las tormentas extratropicales.[8] Este aspecto se investigará más a fondo con diferentes fracciones de reducción de la radiación solar. Además, se diseñará un enfoque de eliminación progresiva para evitar un impacto en el ecosistema de la Tierra debido a una terminación repentina del programa de geoingeniería cuando ya no sea necesario (los estudios identifican la vida útil necesaria en un rango de 50 a 200 años).[7 ] [ingeniería ambiental, ciencias climáticas]

Cómo aprovechar al máximo las sinergias entre los recortes de emisiones y la geoingeniería solar es un problema de política pública que requiere una investigación cuidadosa. Además, se realizarán investigaciones sobre los siguientes temas: cómo superar la oposición política y el miedo político; cómo evitar lo que se ha denominado "riesgo moral";[9] cómo hacer que el proyecto sea económicamente sostenible; cómo abrir el diseño de la solución para un compromiso generalizado. [ciencias políticas, economía]

En la siguiente fase del proyecto, se realizarán análisis formales y simulaciones de los temas antes mencionados, junto con experimentación preliminar de producción en laboratorio. Si, de hecho, el concepto de balsa de burbujas resulta ser la solución más valiosa (por consideraciones de costo y densidad de masa), se necesitarán más investigaciones para mejorar el diseño, fabricar una balsa de burbujas de prueba en órbita inferior y, si tiene éxito, probar el despliegue. en el espacio exterior.

En su mayor medida, como comenta Roger Angel,[5] el sistema podría compensar el 100% del efecto de los gases de efecto invernadero en la atmósfera. Creemos que una vez que se identifique una solución técnica, la implementación podría ocurrir antes de fin de siglo, cuando actualmente se pronostican las consecuencias más severas del cambio climático. En términos de costo, Roger Angel sugirió una estimación inicial de aproximadamente el 0,5% del PIB mundial durante 50 años; promover la viabilidad como se propone aquí nos ayudará a llegar a estimaciones más precisas. En resumen, creemos que avanzar la viabilidad de un escudo solar al siguiente nivel podría constituir un plan complementario para una transición baja en carbono en la Tierra y, en cualquier caso, ayudarnos a tomar decisiones más informadas en los próximos años en caso de que los enfoques de geoingeniería se vuelvan urgentes.

Investigadores Principales

Asesores de ingeniería

Referencias: