En la sesión plenaria de la APEC 2022, John H. Scott, tecnólogo principal de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA, presentó un tema muy interesante: ' En la Luna para quedarse', abarcando los diversos aspectos de la electrónica de potencia que serían necesarios para hacer factible esa afirmación. La exploración del espacio no sólo ha sido un sueño y una fuente de imaginación, sino también un área de investigación asombrosa en la que romper límites "inquebrantables", y proporcionar beneficios a muchas aplicaciones que ahora utilizamos a diario en el planeta Tierra.

Llevar a los seres humanos a la Luna, más tarde a Marte y quién sabe dónde más, no es ni mucho menos una tarea fácil, ya que hacer posible la vida y la sostenibilidad en entornos tan hostiles es mucho más que "un reto". Un ejemplo es cómo alimentar a los exploradores espaciales cuando están tan alejados de la Madre Tierra. Si pensamos en Marte, un cohete de reabastecimiento tardaría 210 días en llegar, lo que claramente no es una solución óptima. La agricultura espacial ha formado parte de ese sueño y todos recordamos el Cilindro O'Neill, diseñado por el físico de Princeton Gerard K. O'Neill, que publicó en 1974 un artículo en Physic Today: "La colonización del espacio". El artículo y la investigación de O'Neill alimentaron una serie de películas de ciencia ficción que mostraban el enorme cilindro giratorio, albergando granjas e iluminado por un sol artificial (Figura 01). Todavía no hemos llegado a ese punto, pero, sobre esa base, los primeros seres humanos que habiten Marte podrían ser considerados agricultores y no astronautas. Entonces, ¿cómo contribuirá la electrónica de potencia a hacer realidad el sueño?

De la agricultura de interior en la Tierra al Espacio
Alimentar a 10.000 millones de personas en la Tierra
Empecemos por el principio y si tenemos en cuenta las últimas estimaciones, se espera que la población de la Tierra alcance los 10.000 millones de habitantes en 2050. Al mismo tiempo, nos enfrentamos a cambios en las condiciones climáticas que podrían afectar a todo el ecosistema alimentario y requerir una modificación significativa de las formas de producir y consumir alimentos.

Teniendo en cuenta todos los parámetros y la exigencia de producir alimentos con el máximo respeto al medio ambiente, en 1999, el Dr. Dickson Despommier desarrolló con sus estudiantes la idea de una moderna agricultura de interior, revitalizando los términos acuñados en 1915 por el geólogo estadounidense Gilbert Ellis Bailey: "Agricultura vertical". Todos hemos oído hablar de ello, hemos leído muchos artículos sobre edificios industriales convertidos en granjas verticales, pero desde los primeros tiempos en que se utilizaba iluminación fluorescente o halógena hasta la iluminación de estado sólido (SSL), hay un número asombroso de innovaciones tecnológicas que contribuyen a optimizar la energía suministrada a las plantas para un crecimiento óptimo y los beneficios de la agricultura de interior se multiplican. Si tenemos en cuenta la utilización del espacio, se podrían producir 100 veces más alimentos por metro cuadrado en comparación con la agricultura habitual, reduciendo el uso de agua en un 90% y los productos químicos peligrosos a ninguno. La agricultura de interior es muy atractiva, pero para ser realmente eficiente requiere un sistema de iluminación muy eficaz (Figura 02).

No todas las hortalizas pueden crecer con un suelo y una nutrición limitados por impregnación, pero para las que son aplicables con este método de cultivo, los resultados son impresionantes y se vuelven aún más impresionantes cuando se utilizan tecnologías de iluminación modernas controladas por ordenador, lo que para los diseñadores de energía es un área muy interesante para explorar, combinando la electrónica de potencia avanzada y la agricultura moderna, con el software en mente.

Desde su introducción, los ingenieros de cultivos de interior han llevado a cabo investigaciones para validar el espectro y la energía que necesitan las diferentes plantas para crecer de forma eficiente. Desde las lámparas fluorescentes o halógenas de amplio espectro hasta las de espectro más estrecho, la industria de la iluminación convencional ha innovado mucho, pero esa tecnología no es lo suficientemente flexible ni eficiente para responder a la demanda.

Tras los experimentos realizados en Japón entre 2005 y 2008, los investigadores agrónomos estudiaron los diferentes métodos de iluminación para ajustar el espectro y la energía a las plantas específicas. Los investigadores llegaron a la conclusión de que el espectro lumínico específico para cultivar plantas y hortalizas suele comenzar en los 450 nm (luz azul) y pasar por los 730 nm (rojo lejano) (Figura 03). La densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) necesaria oscila entre los 50 micromoles (µmol) de los hongos y los 2.000 micromoles de plantas como los tomates y algunas flores que prosperan a plena luz del verano (Figura 04).

Los expertos en agricultura nos dicen que, para obtener resultados óptimos, los distintos tipos de plantas pueden requerir diferentes espectros de luz, así como diferentes equilibrios e intensidades de luz entre la fase de plántula y la de cosecha. Por ello, a menudo es necesario que la luz artificial disponga de varios canales de espectro diferentes, cuya intensidad pueda ajustarse individualmente. Algunos procesos de cultivo combinan diferentes fuentes de iluminación, incluyendo el uso de flashes UV para prevenir el desarrollo de parásitos, lo que requiere una fuente de alimentación capaz de cambiar de tensión constante a corriente constante dentro de un rango que va desde casi cero hasta el máximo (Figura 05).

Esta especificación para una fuente de alimentación es muy parecida a la que se necesitará para la agricultura espacial, con una arquitectura electrónica de potencia capaz de combatir los efectos de la radiación espacial.

Llevar la agricultura terrestre al espacio
Mientras la NASA planea misiones de larga duración a la Luna y Marte, un factor clave es averiguar cómo alimentar a las tripulaciones durante sus semanas, meses e incluso años en el espacio. La comida para las tripulaciones de la Estación Espacial Internacional (ISS) se prepara principalmente en la Tierra y requiere entregas periódicas de reabastecimiento. Ahora bien, aunque la ISS puede ser reabastecida por naves espaciales de carga, es evidente que resulta mucho más complicado y costoso cuando se encuentra en Marte, que está a una distancia media de 220 millones de km y más de 200 días de viaje.

En 2015, la NASA, en asociación con el Fairchild Botanical Gardens de Miami, inició un proyecto llamado "Growing Beyond Earth" (Cultivar más allá de la Tierra) para definir qué plantas serían adecuadas para la agricultura espacial autónoma. Tras una serie de experimentos y teniendo en cuenta el ciclo completo de desarrollo, se decidió cultivar una variedad de plantas que incluía lechugas, variedades de mostaza y rábanos. Primero en un laboratorio controlado en la Tierra y luego en la ISS para estudiar cómo afectan a las plantas la microgravedad y otros factores (Figura 06).

El proyecto "Veggie" incluyó un gran número de factores experimentales, por ejemplo, "Pick-and-Eat Salad-Crop Productivity, Nutritional Value, and Acceptability to Supplement the ISS Food System (Veg-04A)", incluyendo la investigación sobre las condiciones óptimas de iluminación para el cultivo de plantas. En la ISS, se probaron dos tratamientos de luz con diferentes proporciones de rojo a azul para cada conjunto de cultivos con el fin de definir los colores de la luz, los niveles y las mejores prácticas hortícolas para lograr altos rendimientos de verduras de hoja verde y tomates seguros y nutritivos para complementar una dieta espacial de alimentos preenvasados, y más tarde para la agricultura en la Luna o Marte. Se han publicado varios informes, por ejemplo, "Large-Scale crop production for Moon and Mars: Current gaps and future perspectives", publicado en febrero en "Frontiers in Astronomy and Space Sciences", que resume siete años de experimentación en la Tierra y en la ISS (Figura 07).

Teniendo en cuenta las diferentes variedades de plantas que hay que cultivar, la distancia y el coste, las fuentes de alimentación para la agricultura espacial tendrán que adaptarse a diferentes perfiles de potencia que combinen corriente constante o tensión constante, potencia de pico, y ser eficientes energéticamente y de pequeño tamaño. A esto hay que añadir las limitaciones específicas relacionadas con el espacio en términos de inmunidad a la radiación, temperatura de funcionamiento, golpes y vibraciones.

La importancia de optimizar la carga útil, el peso y el tamaño de todo es una gran preocupación para las aplicaciones espaciales, y desde los satélites de órbita baja hasta la exploración fuera del espacio, se han desarrollado fuentes de alimentación con tecnologías muy avanzadas para hacerlas más pequeñas y eficientes energéticamente.

Los semiconductores de banda ancha en aplicaciones espaciales han formado parte de muchos proyectos de investigación, y cabe mencionar el informe presentado por la NASA, en 2018, en la conferencia (RADECS) de Gotemburgo: 'Radiation and its Effects on Components and Systems'. Esto identificó las fortalezas y debilidades de WBG cuando se expone a la radiación, y el reciente anuncio sobre la colaboración nacional recientemente financiada liderada por Penn State para predecir mejor y mitigar el daño inducido por la radiación de los semiconductores WBG El Departamento de Defensa de los Estados Unidos concedió al equipo un premio a la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinar de Defensa de cinco años y 7,5 millones de dólares. Esto demuestra claramente la gran importancia de los WBG en las aplicaciones espaciales y su contribución al siguiente paso.

Paralelamente, la industria de los semiconductores avanza y un ejemplo es la nueva división y los productos para aplicaciones espaciales lanzados por Efficient Power Conversion (EPC). Para los diseñadores de potencia, tener acceso a GaN reforzado COTS para aplicaciones espaciales reducirá el tiempo de desarrollo y el coste cuando se desarrollen fuentes de alimentación para aplicaciones espaciales (Figura 08).

Conclusiones:
Aunque uno de los mayores retos de la agricultura en la nave espacial es la obtención de suficiente agua y nutrientes y su posterior reciclaje de la forma más eficiente posible, hay muchos otros obstáculos que aún no se han superado en la Tierra y que también habrá que tener en cuenta, como la radiación cósmica, la falta de atmósfera y los bajos niveles de luz. Desde el proyecto "Growing Beyond Earth" de 2015 hasta 2022, se han hecho muchos progresos que han contribuido a una mejor comprensión de la agricultura espacial, así como de la electrónica de potencia. Estamos en las primeras fases de una nueva era en la que los semiconductores de banda ancha en la electrónica de potencia desempeñarán un papel importante.

Es un momento emocionante para los diseñadores de energía, ¿verdad?

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Referencias:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

La colonización del espacio - Gerard K. O'Neill, Physics Today, 1974
https://space.nss.org/the-colonization-of-space-gerard-k-o-neill-physics-today-1974/

Jardín Botánico Fairchild
https://fairchildgarden.org/gbe/

Crecer más allá de la Tierra
https://www.nasa.gov/feature/students-help-nasa-researchers-decide-what-plants-to-grow-in-space

NASA / RADEC 2018
Jean-Marie Lauenstein - NASA GSFC, Greenbelt, MD, USA
Semiconductores de banda ancha en el espacio: Apreciar los beneficios pero comprender los riesgos

Fronteras de la astronomía y las ciencias espaciales
Producción de cultivos a gran escala para la Luna y Marte: Lagunas actuales y perspectivas de futuro
Publicado el 04 de febrero de 2022 / doi: 10.3389/fspas.2021.733944

Conversión eficiente de la energía (EPC)
https://epc-co.com/epc

Conferencia sobre electrónica de potencia aplicada (APEC)
https://apec-conf.org/

AUTOR: PATRICK LE-FEVRE, POWERBOX