Creación de una reserva de propulsores estratégicos de Estados Unidos Tory Bruno Erica Otto, Will Clifton, Austin Schmitt, Erin Lococo John Sanders, John Reed, Bernard Kutter
Resumen
Este estudio propone la creación de una Reserva Estratégica de Propulsores con propulsores derivados de la Luna que impulsará el crecimiento de una economía cislunar de 3 billones de dólares en los próximos 30 años. Una reserva estratégica respaldada por Estados Unidos garantizará la continuidad del liderazgo de Estados Unidos en el espacio en una época en la que el espacio se ha convertido en el más reciente dominio bélico. La capacidad de maniobrar libremente en el espacio sin las restricciones de las ventanas de lanzamiento y la disponibilidad de vehículos, una ventaja que ofrece dicha reserva, es muy valorada, especialmente en caso de amenaza o conflicto en el espacio cislunar.
Los estudios han confirmado la necesidad de propulsores en el espacio para las misiones tripuladas a gran escala previstas en las próximas décadas.¹ ² Este informe amplía el concepto recomendando al gobierno de EE.UU. que establezca reservas en cuatro lugares clave: la órbita terrestre baja (LEO), la órbita del halo casi rectilíneo (NRHO), la superficie lunar (LS) y la órbita de Marte (MO). Basada en la estructura de la Reserva Estratégica de Petróleo de Estados Unidos, la reserva de propulsor propuesta garantizaría la disponibilidad de una cantidad crítica de propulsor en el espacio cislunar en todo momento. Los clientes de este propulsor comenzarían con las misiones lunares tripuladas de la NASA y darían paso a actividades comerciales, como la construcción de satélites en órbita, asentamientos en LEO y Lagrange 5 (L5), y estaciones de transmisión de energía solar.
Con una inversión gubernamental de entre 15.000 y 26.000 millones de dólares a lo largo de 30 años, los esfuerzos espaciales significativos, como las misiones tripuladas de la NASA, las operaciones importantes de seguridad nacional y las actividades comerciales se benefician de la reducción de costes y riesgos tecnológicos, de la protección de los activos y de la infraestructura lunar existente, a la vez que permiten una economía cislunar próspera de un billón de dólares para 2050.
Antecedentes
Por término medio, la masa de un cohete lanzado desde la Tierra es de un 95% de propulsor.³ Esto restringe la cantidad de carga útil que puede llevarse a la órbita de forma rentable y limitará los esfuerzos de exploración hacia la Luna y Marte. El reabastecimiento de combustible en el espacio cislunar (similar al llenado de gasolina del coche en un viaje por carretera) permite lanzar más masa de carga útil a un coste menor.
La misión del Satélite de Observación y Detección de Cráteres Lunares (LCROSS) verificó en 2009 la presencia de agua en la Luna,⁴ y en 2018 un grupo de investigadores corroboró el hallazgo y confirmó la existencia de agua en la superficie de las regiones de sombra permanente (PSR).⁵ Este hielo de agua puede descomponerse en los componentes básicos del combustible para cohetes: hidrógeno líquido (LH2) y oxígeno líquido (LO2). Con millones de toneladas métricas de agua estimadas en los polos lunares,⁶ el propulsor basado en la Luna podría soportar millones de años de misiones.⁷
El reabastecimiento de combustible con propulsor lunar permite llevar cargas útiles más grandes más allá de la órbita terrestre, apoya las misiones con tripulación más grandes y reduce los costes de transporte. Una reserva de propulsante respaldada por el gobierno de Estados Unidos fomentará el desarrollo de nuevas industrias en el espacio cislunar y garantizará que estas actividades puedan continuar en caso de que se interrumpa el suministro en la Tierra.
A medida que la reserva de propulsores estimule la economía cislunar mediante la disponibilidad de propulsores, las industrias que actualmente se encuentran en su fase inicial experimentarán un rápido crecimiento. Al principio, la reserva proporcionará seguridad a las misiones lunares tripuladas, a la vez que establecerá la tecnología necesaria y ayudará al desarrollo de la infraestructura lunar que, con el tiempo, apoyará una variedad de actividades lunares.
A medida que la mina madure, se extraerán del regolito lunar otros materiales como el sílice y el aluminio. Estos materiales serán los componentes básicos de pequeños proyectos de infraestructura al principio (estructuras satelitales menores), pero con el tiempo permitirán la construcción de grandes asentamientos, creando cientos de puestos de trabajo y permitiendo que la ciencia tripulada a gran escala y el turismo tengan lugar en el espacio cislunar. En los próximos 30 años, se espera que más de 1.000 personas vivan y trabajen en el espacio cislunar mientras la economía cislunar crece hasta alcanzar los 2,7 billones de dólares en 2050. La línea de tiempo que figura a continuación ilustra las actividades previstas para las tres próximas décadas en una economía cislunar potenciada por una reserva de propulsores.
Métodos de financiación
La Reserva Estratégica de Propulsantes sigue el modelo de la Reserva Estratégica de Petróleo de Estados Unidos para proporcionar un recurso público innovador. Una asociación público-privada (PPP) podría crear un acuerdo de operación y gestión entre el gobierno y un socio privado. Debido al elevado coste inicial de la inversión en infraestructuras, este documento examina una inversión gubernamental dividida en un 90% o más, con propiedad pública de todas las instalaciones, equipos, etc. También se supone que un socio privado explota y mantiene la mina y la reserva y se queda con todos los beneficios de la explotación.
Precedente de la Reserva Estratégica de Petróleo
La Reserva Estratégica de Petróleo se creó en 1975 en respuesta al embargo y la crisis del petróleo de 1973 y 1974 y está gestionada por el Departamento de Energía (DOE).⁸ El objetivo de la reserva es mantener un suministro de emergencia de petróleo en caso de interrupción de la línea de suministro. La reserva de petróleo es autosuficiente; los recursos pueden intercambiarse o trocarse, y el almacenamiento dentro de la reserva puede arrendarse. Esto permite que la reserva se llene a través de intereses de primas en especie, generando fondos para la mejora de las infraestructuras y apoyando la seguridad nacional en casos de emergencia.⁹ Estos mismos principios podrían aplicarse a una Reserva Estratégica de Propulsores. Una fuente de propulsante fácilmente accesible y controlada por Estados Unidos y sus aliados apoyaría la expansión económica cislunar y ayudaría a la protección de los activos espaciales y las personas.
Estructura operativa Se examinaron dos estructuras operativas para la Reserva Estratégica de Propulsantes. La primera sigue el modelo de la Reserva Estratégica de Petróleo. Se realiza a través de una asociación contractual única (DOE) llamada contrato de gestión y operación (M&O): Un acuerdo entre el gobierno y la industria/empresas privadas para operar, mantener o apoyar una instalación de propiedad o controlada por el gobierno.⁹
Este contrato, adjudicado por concurso, sigue el Reglamento de Adquisiciones del Departamento de Energía (DEAR) y el Reglamento Federal de Adquisiciones (FAR).
La segunda opción es una ligera variación de la primera, en la que se formaliza y detalla una asociación a través de un contrato PPP que logra una estructura similar de M&O sin las estrictas regulaciones y requisitos. Una forma de hacerlo es una entrega de diseño-construcción-financiación-explotación-mantenimiento (DBFOM), en la que se agrupa todo un proyecto para que haya una participación y desarrollo cohesivos por parte del socio privado. En esta estructura, el gobierno proporcionaría la mayor parte, y potencialmente toda, la financiación. Esta asociación permitiría al gobierno poseer la mina de agua, el equipo de procesamiento y la reserva; la industria privada operaría y mantendría la mina y se quedaría con los beneficios de la explotación. Esta división de la inversión resulta atractiva para el sector privado, ya que reduce el riesgo y la inversión de capital, así como el potencial de obtener altos rendimientos, al tiempo que atrae al sector público con un crecimiento económico de alto valor.
Implicaciones para la seguridad nacional
Actualmente, la economía espacial está ligada en gran medida a la industria de los satélites,¹⁰ con más de 1.800 satélites activos que apoyan diariamente las actividades militares, civiles y comerciales de Estados Unidos.¹ En los próximos 30 años, la economía espacial se ampliará para incluir el turismo, la minería de recursos naturales, la fabricación y las actividades cislunares. Estas industrias harán que Estados Unidos dependa de los sistemas espaciales.
La Fuerza Espacial de los Estados Unidos fue creada en 2019 con la misión de proteger los intereses de Estados Unidos y sus aliados en el espacio. Su doctrina, publicada en agosto de 2020, destaca el espacio como un dominio de lucha bélica: "Ningún dominio en la historia ha estado libre del potencial de guerra"¹² Rusia y China también ven el espacio como un nuevo dominio de lucha bélica, y ambos poseen sus propias capacidades de lanzamiento independientes.¹³
Una reserva estratégica de propulsores establecida por Estados Unidos ayudará a la misión de la Fuerza Espacial a disuadir la agresión y a mitigar las pérdidas en caso de que estallen las hostilidades. Aunque se recomiendan cuatro ubicaciones de reserva, el sistema debería diseñarse en unión con la comunidad espacial de seguridad nacional (NSS) para entender los requisitos del sistema. Esto incluirá probablemente la flexibilidad para migrar los activos en respuesta a las amenazas contra la reserva (especialmente en la vulnerable ubicación LEO). La disponibilidad ininterrumpida de propulsores garantizará que EE.UU. y sus aliados puedan seguir llevando a cabo con éxito cualquier misión requerida. Esto contribuirá a la creación de una economía cislunar robusta y continuará apoyando el poder diplomático de EE.UU. que se ve reforzado por la percepción de dominio en el espacio.
Interés geopolítico
El objetivo de EE.UU. y de los países aliados en el ámbito espacial debería centrarse primero en establecer una presencia a largo plazo en el espacio. Ser el primero en desarrollar e instalar una mina de propulsión lunar pone a un país o grupo de naciones en ventaja para establecer normas, leyes y reglamentos espaciales oficiales. Si Estados Unidos liderara el desarrollo del marco legal en el espacio, el país podría cultivar la cooperación y la sana competencia que beneficiaría a todos los participantes en la economía espacial.
Importancia de la superioridad espacial
Es crucial para EE.UU. y las naciones aliadas mantener la superioridad espacial mediante el establecimiento de una presencia a largo plazo en el espacio antes que otros países. El Mando Espacial de las Fuerzas Aéreas señala que "el espacio es un importante motor de poder político, económico y militar nacional para la nación o naciones que mejor se organicen y operen para explotar su potencial".¹⁴ Aunque existen leyes y reglamentos en vigor, como el Tratado del Espacio Exterior de 1967, el Tratado de la Luna y la Ley de Competitividad del Espacio Comercial de EE.UU., siguen existiendo indiferencias geopolíticas actuales que limitan el desarrollo interno de la economía espacial.Nayef Al-Rodhan, un geoestratega, lo dijo mejor: "La tendencia es a militarizar el espacio para desarrollar contraataques o fomentar la exploración del espacio exterior como un aislado de la única estrategia nacional"¹⁵ Armar y militarizar el espacio para aumentar el poder sólo disminuirá la solidaridad política y la paz en la Tierra. Nuestro objetivo actual en el espacio no es una carrera militar para ganar terreno, construir fuerza y proteger la seguridad nacional, sino un esfuerzo geopolítico que resuelve aquellos a través de la cooperación, el respeto y el entendimiento.
El futuro del espacio lo marca Estados Unidos
El taller Space Futures 2060, organizado por el Mando Espacial de las Fuerzas Aéreas, examinó las implicaciones de una serie de futuros espaciales con Estados Unidos o con un país adversario. Sus conclusiones se resumen como sigue. UN ENTORNO ESPACIAL Un entorno espacial organizado y controlado por EE.UU. apoyaría un "dominio libre bajo un orden internacional basado en reglas con normas de comportamiento establecidas que promueven la filosofía del comercio abierto, el libre acceso y el espacio común para toda la humanidad".14 Un dominio libre aceptado y seguido por una gama diversa de naciones aliadas conducirá a una estructura política fortificada, dando lugar a un mercado espacial robusto y a la estabilidad política La visión de United Launch Alliance (ULA) CisLunar-1000 de miles de personas viviendo y trabajando en el espacio cislunar en tan sólo unas décadas es muy posible si EE.UU. implementa las reglas y el orden espacial.
Un país adversario con intereses contrapuestos podría devastar el orden y la expansión del espacio, especialmente para EE.UU. y los países aliados. Un adversario podría promover normas de comportamiento, reglas y leyes para el espacio que sirvan a sus propios intereses. El interés propio podría crear incentivos para evitar las alianzas y aprovecharse de las naciones/entidades menos establecidas para incidir en su posición de poder. Además, podrían utilizarse prácticas no competitivas para mantener posiciones de poder que beneficien al propio bienestar de los adversarios.
Cómo debe proceder Estados Unidos
Hay algunas acciones que Estados Unidos debe adoptar para establecer este orden espacial de dominio libre y una economía espacial saludable. Para mejorar el conocimiento, el acceso y la habitabilidad en el espacio, Estados Unidos debe seguir invirtiendo en ciencia y tecnología espacial.14 La inversión en una Reserva Estratégica de Propulsores ayudará a Estados Unidos a crear una presencia lunar sostenible y proporcionará un valioso recurso de transporte. Una mina de agua liderada por Estados Unidos permitirá una presencia a largo plazo e influyente en el espacio, permitiendo a Estados Unidos liderar el desarrollo de un orden espacial democrático y basado en reglas. Por último, es esencial desarrollar una fuerza militar que pueda defender este orden espacial internacional. El Departamento de Defensa (DoD) debe ser un socio integral para apoyar y proteger esta iniciativa espacial. La fuerza militar no debería ser la característica abrumadora para el orden espacial, pero debe implementarse para disuadir a los hostiles y las amenazas si se producen.
Marco legal Legislación existente
Las Naciones Unidas ratificaron en 1967 el Tratado sobre los Principios que Deben Regir las Actividades de los Estados en la Exploración y Utilización del Espacio Ultraterrestre, incluso la Luna y otros Cuerpos Celestes (Tratado del Espacio Ultraterrestre).¹⁶ Este tratado estableció un marco para la utilización pacífica de los recursos espaciales en el que "el espacio ultraterrestre, incluidos la Luna y otros cuerpos celestes, no es objeto de apropiación nacional por reivindicación de soberanía." El Tratado sobre el Espacio Exterior es ambiguo en varias cuestiones, y algunos interpretan que los recursos no pueden extraerse para usos comerciales. El Acuerdo por el que se rigen las actividades de los Estados en la Luna y otros cuerpos celestes (Tratado de la Luna), adoptado en 1984, da un paso más al declarar que los recursos espaciales son "competencia de toda la humanidad"¹⁷ Aunque el tratado no ha sido ratificado por Estados Unidos ni por ninguna otra nación espacial, podría ser un obstáculo para la extracción de recursos comerciales. En la actualidad, estos tratados son las mayores obras del derecho espacial internacional.
En 2015, la Ley de Competitividad de los Lanzamientos Espaciales Comerciales de Estados Unidos estableció la propiedad de los recursos espaciales extraídos sin afirmar la soberanía de Estados Unidos ni los derechos exclusivos de ningún cuerpo celeste.¹⁸ Luxemburgo también tiene una ley nacional que no solo reconoce la propiedad privada de los recursos espaciales, sino que también establece una vía legal para la autorización de su extracción.¹⁹ Sin embargo, ninguna de estas leyes nacionales se ha puesto a prueba desde que se establecieron. En septiembre de 2020, la NASA publicó una solicitud de ofertas (RFQ) para que una empresa comercial recogiera entre 50 y 100 gramos de regolito lunar. Según el ex administrador de la NASA, Jim Bridenstine, el objetivo de este ejercicio es demostrar que los recursos lunares se pueden comprar de una manera que cumpla con el Tratado del Espacio Exterior.²⁰
Bloques de construcción de La Haya
Para que una Reserva Estratégica de Propulsantes pueda establecerse con éxito, deben adoptarse leyes internacionales claras. Los bloques de construcción de La Haya son un conjunto de recomendaciones formuladas por el Grupo de Trabajo de La Haya sobre la Gobernanza de los Recursos Espaciales Internacionales como base para la legislación internacional sobre recursos espaciales.Los principios clave que se destacan en los bloques de construcción son
Responsabilidad internacional de las actividades de recursos espaciales
Jurisdicción y control sobre los productos fabricados en el espacio utilizados en los recursos espaciales
Derechos de prioridad
Derechos sobre los recursos
Consideración de los intereses correspondientes de todos los países y de la humanidad
Normas técnicas, revisión previa y zonas de seguridad en torno a las actividades de recursos espaciales
Supervisión y reparación de los impactos perjudiciales resultantes de las actividades de los recursos espaciales
Distribución de los beneficios derivados de la utilización de los recursos espaciales
Registro e intercambio de información
Prestación de asistencia en caso de peligro
Responsabilidad en caso de daños derivados de las actividades de los recursos espaciales
Visitas relacionadas con las actividades de los recursos espaciales
Acuerdos institucionales Resolución de conflictos
Seguimiento y revisión²¹
Estos conceptos deberían ser tenidos en cuenta por los organismos nacionales e internacionales que pretendan formular una nueva normativa sobre los recursos espaciales. En general, es necesaria una política internacional coherente para proteger los derechos de quienes desean utilizar los recursos lunares.
Requisitos técnicos
La técnica básica de extracción asumida en este estudio es la que se describe en el documento de 2019 "Ice Mining in the Lunar Permanently Shadowed Regions", en el que se extrae agua de las RPS de la Luna.²² En este método, la luz solar se refleja en el cráter para calentar la superficie y sublimar el hielo. A continuación, el vapor de agua se captura en trampas frías móviles. Se supone que este proceso se realizaría de forma autónoma o desde la Tierra. Aunque se trata de un concepto entre muchos otros, cambiar la técnica de extracción tendría un impacto limitado en el resultado de este estudio. Como parte del análisis, se calculó el número de carpas de sublimación necesarias, variando la demanda y suponiendo que cada carpa podría producir 1.600 toneladas de hielo al año.²³ Se determinó que se necesitarían entre 1 y 12 carpas para satisfacer la demanda durante los 30 años de estudio.
Una vez extraída, el agua se almacenaría en estado líquido hasta que se necesitara. El procesamiento del propulsor (mediante electrólisis) tendría lugar en cada ubicación de la reserva debido a la dificultad de almacenar fluidos criogénicos (superfríos). Los métodos actuales de electrólisis son lentos e ineficaces, por lo que podría ser necesario desarrollar una nueva tecnología para satisfacer la demanda. En esta arquitectura, habría almacenamiento y procesamiento de agua líquida en cada uno de los cuatro lugares de reserva: LEO, NRHO, LS y MO.
Tamaño y ubicación de la reserva requerida
Al igual que en la Reserva Estratégica de Petróleo actual, se mantendrá de forma continua un nivel mínimo de propulsor en cada ubicación en caso de interrupción del suministro. Para garantizar la rápida disponibilidad del propulsor, las reservas se ubicarán en cuatro zonas diferentes y servirán a diversos grupos de clientes. La primera, situada en la superficie lunar cerca de la mina de propulsante, servirá a los clientes de la superficie.
La segunda, situada en NRHO, pondrá el propulsante a disposición de los clientes de la superficie, incluidas las operaciones entre la Tierra y la Luna y el abastecimiento de combustible para misiones en el espacio profundo. La tercera reserva orbitará la Tierra en LEO, disponible para que las naves espaciales lanzadas desde la Tierra puedan repostar, así como para misiones orbitales como el mantenimiento de satélites. La última reserva orbitará alrededor de Marte y contendrá suficiente propulsor para un viaje de vuelta a la Tierra en caso de emergencia de la tripulación. Estas cuatro ubicaciones servirán como puntos de acceso a las operaciones nominales, y el sistema también debería diseñarse de forma flexible para permitir el uso de propulsor en otras órbitas si fuera necesario.
La variable principal para determinar el tamaño de estas reservas es el volumen de la reserva crítica. Este volumen representa el nivel mínimo de propelente que se mantiene constantemente para su uso en caso de interrupción del suministro. El objetivo de la reserva es preservar la seguridad humana y la actividad económica en caso de emergencia. Se han considerado varios modelos de esta reserva crítica basados en dos clasificaciones diferentes de la demanda: crítica y esencial.
Las misiones calificadas de críticas son vitales para la humanidad y la nación. En cada modelo de reserva crítica, a la demanda crítica se le asignan dos años de suministro en la reserva crítica, ya que el restablecimiento de las líneas de abastecimiento tras un fallo completo de la mina podría llevar hasta dos años. A continuación, se ha incluido la demanda esencial con intervalos de tiempo variables (que van de cero a cinco años). Los clientes se han clasificado como esenciales o críticos, como se muestra a continuación.
El modelo de reserva crítica recomendado es de dos años de demanda crítica y un año de demanda esencial. Esto proporciona una reserva de propulsante que se utilizará hasta que se puedan restablecer las líneas de suministro, ya sea desde las minas de hielo lunares o desde la Tierra, en caso de interrupción del suministro. El número de viajes de suministro de propulsante para mantener los niveles de combustible requeridos es razonable, oscilando entre 12 en la primera década y 176 en la tercera.
Tras seleccionar las reservas necesarias de dos años para la demanda crítica y de un año para la demanda esencial, se estimaron los tamaños de las reservas. Se analizó la demanda proyectada, los ratios de transporte y las necesidades de reservas para comprender el suministro necesario de agua líquida de la mina de hielo lunar. Estas cifras de suministro, junto con las de la demanda original, se tradujeron en eventos individuales de suministro y demanda y se programaron a lo largo del periodo examinado de treinta años. A continuación se indican el tamaño total del sistema, los viajes anuales de suministro y las necesidades de extracción. La demanda de propulsante proyectada se detalla en la sección "Mercados potenciales".
Desarrollo de la reserva estratégica de propulsante
Cronograma
Se prevé que el desarrollo de la mina lunar y de las reservas de propulsante tenga lugar a lo largo de ocho años. Esto incluye la prospección, el montaje, las pruebas y la entrega, todo lo cual debe ocurrir antes de que la mina pueda ser totalmente funcional. Para la entrega y el establecimiento de los equipos de minería, procesamiento y almacenamiento habrá una gran cantidad de requisitos de elevación y aterrizaje. Por lo tanto, se supone que la reserva de propulsores estará operativa en 2028. A continuación se presenta un calendario de alto nivel del desarrollo de la infraestructura minera.
2023 Prospección y muestreo (NASA VIPER)
2023-2024 Estudios de viabilidad detallados
2024-2026 Desarrollo de la robótica minera
2026-2027 Entrega y establecimiento de la robótica minera
2028 Inicio de la extracción, el procesamiento y el almacenamiento
Emplazamiento de la infraestructura
En los apartados anteriores se ha hablado de los equipos técnicos utilizados para la extracción de hielo, del tamaño de las reservas necesarias y del número de carpas térmicas necesarias en el futuro. Entre 2026 y 2028, será necesario realizar entregas periódicas de equipos para iniciar el desarrollo de la Reserva Estratégica de Propulsantes. La siguiente tabla muestra el peso estimado de los equipos necesarios según las estimaciones de Sowers y Dreyer, 2019.²⁴
Establecimiento de la mina (2026-2027)
La entrega del equipo minero a la superficie lunar requerirá entregas mediante vehículos de lanzamiento súper pesados (SHLLV). Las entregas finales de la infraestructura minera incluirán un robot de prospección final (500 kg), robótica utilitaria (53 kg x 40) y todo el equipo de minería de hielo anterior (29.000 kg) y requerirían un SHLLV para colocar una carga útil multiseccional en el espacio. Se necesitarán varios vehículos de lanzamiento medio (MLV) para entregar aterrizadores lunares de carga para transportar el equipo a la superficie lunar. Una vez que el equipo minero esté operativo en la superficie lunar, se necesitará también otra ronda de lanzamientos de SHLLV y MLV para reemplazar y colocar el equipo, incluidos los tanques de almacenamiento, las fuentes de energía, las tiendas térmicas y la robótica adicional.
Mantenimiento de la mina y presencia sostenida (2028 - más allá)
Después de 2028, la economía cislunar y la Reserva Estratégica de Propulsantes crecerán y se expandirán en paralelo. A medida que la demanda de propulsante aumente de 480 toneladas al año en 2030 a 3.600 toneladas al año en 2050, se necesitará equipo minero adicional. Se estima que en 2050 se necesitarán doce carpas de captura térmica, y que todas las necesidades de equipos de extracción crecerán siguiendo la misma tendencia. Se necesitarán más lanzamientos de SHLLV para apoyar la creciente infraestructura minera.
Mercados potenciales
Demanda proyectada
El propulsor barato que la Reserva Estratégica de Propulsantes pone a disposición de los usuarios atraerá a clientes de los sectores civil, militar y privado. La previsión de la demanda para los próximos 30 años se basa en una combinación de datos públicos y conversaciones con expertos del sector. Se supone que cada cliente adquiere el propulsor de una de las reservas de LEO, NRHO, LS o MO. La demanda se examinó en intervalos de 10 años y se clasificó en dos grandes categorías: gubernamental y comercial. La demanda gubernamental se desglosa a su vez en civil y militar.
La reserva de Marte es única, ya que sólo sirve como red de seguridad para eventos de emergencia de la tripulación y no incluye la capacidad activa para las ventas comerciales. Este estudio asume que la actividad comercial no se expande lo suficiente como para requerir un componente activo de la reserva de Marte dentro del horizonte temporal de 30 años. Sin embargo, la infraestructura creada por la Reserva Estratégica de Propulsantes en MO fomentaría las actividades comerciales, y la reserva podría ampliarse para incluir las ventas comerciales si fuera necesario.
Demanda del Gobierno de EE.UU.
Demanda civil
La demanda civil comprende las misiones de la NASA y otras misiones científicas, como los aterrizadores lunares tripulados, las actividades de movilidad en la superficie lunar, las misiones a Marte y la capacidad de reserva de Marte. La demanda de aterrizaje lunar se basa en las predicciones actuales del sistema de aterrizaje humano (HLS), que estiman 25 toneladas de combustible para un vuelo de ida y vuelta desde la superficie lunar hasta NRHO.
La movilidad en la superficie lunar se produce en forma de 2 tolvas de 2 MT en la primera década, 5 en la segunda y 10 en la tercera. En la primera década, las tolvas se utilizan con más frecuencia para apoyar los esfuerzos de exploración y, por tanto, requieren más propulsor anualmente. Se prevé que las misiones a Marte comiencen en 2035 y continúen aproximadamente cada dos años con una demanda de 280 MT cada una, alimentadas en NRHO.²⁶ La reserva de Marte mantiene la capacidad para viajes de emergencia de retorno de la tripulación en cualquier momento. La demanda resultante basada en estas misiones se resume en la siguiente tabla.
Demanda militar
La demanda militar abarca la movilidad del NSS, la fabricación de satélites y el servicio de satélites. La movilidad de los NSS se compone de naves, cada una de ellas con un depósito de combustible de 4 toneladas, que pueden desplazarse por la zona alta cislunar por diversas razones clasificadas. Se estima que habrá ocho de estas naves en la segunda década, y que aumentarán a 17 en la tercera. A partir de la segunda década, los militares desearán probablemente construir satélites en órbita en LEO, cada uno de los cuales puede ser construido con materiales parcialmente lunares, alrededor de 0,5 Tm por satélite. A partir de un satélite al año, se espera que la demanda crezca hasta 10 al año en la tercera década. El servicio de los satélites comienza en la segunda década a través de remolcadores de servicio. Estos pequeños barcos tendrán tanques de combustible de 8 Tm, uno de los cuales funcionará en la segunda década y dos en la tercera. La demanda basada en estas misiones se resume en la siguiente tabla.
La demanda total del gobierno de EE.UU. (USG) que se describe a continuación incluye la demanda militar y civil que se ha enumerado anteriormente para una demanda total de propulsores de 284 Tm al año en el tercer periodo.
Demanda comercial
La demanda comercial es la categoría más variada y amplia. Los alunizajes comerciales se calculan a razón de uno por año en la segunda década, aumentando a cuatro por año en la tercera. Los lanzamientos comerciales desde la Tierra podrían repostar en la LEO a un precio inferior al de traer el propulsor desde la Tierra. Se utilizarán vehículos Centauro con tanques de 21 toneladas, con 10 por año en la segunda y tercera décadas. Además, se pondrán en marcha cuatro grandes asentamientos espaciales para albergar a personas que vivan y trabajen en el espacio. A partir de la segunda década, se establecerá un asentamiento con capacidad para 250 personas aproximadamente cada 5 años, primero en la LEO, y luego en un punto terrestre elevado como L5, para un total de cuatro asentamientos al final del estudio de 30 años. Las personas que vivan en estos asentamientos necesitarán, por supuesto, aire y agua, que pueden ser de origen lunar. La masa prevista para este mantenimiento es de aproximadamente 270 toneladas anuales en la tercera década.
El mayor proyecto de infraestructura serán las estaciones de transmisión de energía solar que se desarrollen en la tercera década. Estas grandes estaciones recogerán la energía a través de enormes matrices solares y luego la transmitirán a la Tierra mediante una transferencia de energía avanzada. Se calcula que pesarán 10.000 toneladas.27 En la tercera década se pondrán en marcha dos, cada una de ellas desarrollada en un periodo de cinco años. Esto genera una necesidad de movimiento de 2.000 Tm de materiales derivados de la Luna por año en la tercera década.
Se prevé que las misiones de extracción de asteroides comiencen en la tercera década, con una demanda anual de 100 Tm repostadas en NRHO. La demanda resultante basada en estas misiones se resume en la siguiente tabla:
Análisis Financiero
Enfoque del análisis financiero y del caso de negocio Para proyectar los parámetros financieros y el rendimiento de la Reserva Estratégica de Propulsantes, se determinó que un modelo de flujo de caja descontado (DCF) era el método más apropiado. Un DCF permite estimar el valor actual neto de la empresa (NPV) a lo largo de un horizonte temporal de 30 años. Además del modelo DCF, se identificó un indicador de nivel de beneficios (PLI) adecuado para contextualizar la cantidad de rendimiento anual previsto que puede generar el proyecto.
Se determinó que el rendimiento del capital empleado (ROCE) era el PLI más apropiado. El ROCE representa una medida de rentabilidad antes de impuestos definida como los beneficios antes de intereses e impuestos (EBIT) divididos por la cantidad de capital utilizado en el proyecto. Para determinar la rentabilidad, el precio del propulsor se determinó utilizando un enfoque de acumulación de costes asignando un margen sobre los costes totales (MOTC). El enfoque de fijación de precios MOTC se identificó como el método más apropiado porque permite mostrar los precios a través de un rango de valores porcentuales, incluyendo márgenes negativos en el caso de ventas subvencionadas.
Supuestos de modelización
Para prever el rendimiento de la Reserva Estratégica de Propulsantes, se hicieron las siguientes hipótesis de modelización para realizar estimaciones razonables y conservadoras:
Precios de Mercado
Para evaluar el ahorro de costes derivado de la Reserva Estratégica de Propulsantes, se realizó una comparación entre los costes previstos del propulsante derivado de la Luna y los precios de mercado futuros previstos del propulsante por ubicación. Para prever los futuros precios de mercado del propulsor, se utilizaron los precios de mercado actuales y se descontaron en un intervalo uniforme de 10 años. Al final de cada intervalo de precios, los precios de mercado se descontaron al 75% de su valor anterior. Este valor de descuento estima de forma conservadora los ahorros de costes futuros previstos derivados de la innovación de la industria y la identificación de las mejores prácticas futuras.
Factor de aprendizaje incremental
En el modelo se utilizó un factor de aprendizaje incremental anual del 3% para representar los ahorros de costes iterativos derivados de la explotación de la Reserva Estratégica de Propulsantes. Este ahorro de costes podría manifestarse en forma de mejora de procesos, identificación de mejores prácticas, innovación o beneficios de las economías de escala.
Coste medio ponderado del capital (WACC)
Se determinó que un WACC del 12% era un factor de descuento adecuado dado el perfil de riesgo de la Reserva Estratégica de Propulsantes. Según la NYU Stern, la industria aeroespacial/de defensa tiene un coste medio de capital del 7,18%.²⁸ En consecuencia, se determinó que un WACC del 12% abarcaba de forma conservadora los riesgos adicionales de la Reserva Estratégica de Propulsantes, dada la naturaleza novedosa y los riesgos únicos asociados a este proyecto.
Vida útil estimada e hipótesis de depreciación
Para estimar los gastos de depreciación relacionados con la Reserva Estratégica de Propulsantes, se utilizó una vida útil estimada de 10 años para todos los activos fijos relacionados con el proyecto. Los bienes capitalizados relacionados con la captación de agua tienen una vida útil estimada de 25 años según el IRS.²⁹ Dadas las condiciones ambientales únicas, como el regolito lunar, a las que estarán expuestos los activos fijos, la vida útil se redujo a 10 años.
Además de estimar la vida útil de los activos fijos, también se asignó un valor residual a los activos capitalizados. El valor residual, o valor de salvamento, se estimó en aproximadamente un 12% del total de los gastos de capital (CAPEX). Esta cifra refleja la parte de la Reserva Estratégica de Propulsantes que puede ser reutilizada o adaptada a la siguiente iteración de activos de capital.
Supuesto de coste de producción de propulsante
El coste previsto de la producción de propulsante en la superficie lunar se basa en 500.000 dólares por tonelada producida. Un análisis del caso de negocio de la Escuela de Minas de Colorado determinó que el propulsor puede producirse a este nivel y es económicamente viable en el futuro. En este estudio se asume que es posible lograrlo mediante avances tecnológicos en los próximos 10 años.³⁰
Hipótesis de costes de transporte e integración
Los costes de transporte se determinaron en función del destino final del propulsor. Los costes de transporte se proyectaron de la siguiente manera:
LS: 0 MT consumidas;
NRHO / MO: 1 MT consumida/ 1 MT entregada; y,
LEO: 8 MT consumidas/ 1 MT entregadas.
Además del consumo de propulsante, los costes de integración también se tuvieron en cuenta al proyectar los costes de transporte a los destinos NRHO y LEO. Los costes de integración se fijaron en 200.000 dólares por tonelada y comprenden los costes de preparación de la carga útil para el transporte.
Período de desarrollo
El periodo de desarrollo no operativo del proyecto se define como los primeros ocho años del modelo. Ocho años representan el tiempo necesario para la prospección, el desarrollo y la construcción de la Reserva Estratégica de Propulsantes y se ajusta al calendario previsto de acontecimientos.³¹
Estructura de propiedad
La estructura de propiedad de la Reserva Estratégica de Propulsantes se asemeja a una APP con una participación privada de entre el 0 y el 10% y una participación del Gobierno de Estados Unidos de entre el 90 y el 100%. La participación privada sería responsable de su parte proporcional de los gastos de capital y de las pérdidas de explotación, y tendría derecho a cualquier ingreso de explotación derivado de la Reserva Estratégica de Propulsantes.
Factor de crecimiento final
El factor de crecimiento terminal (g) utilizado en el DCF fue del 3%. Dada la naturaleza dinámica de la economía espacial, un g conservador del 3% representa el crecimiento gradual de una economía espacial en proceso de maduración en los años posteriores al horizonte temporal del modelo. El VAN del valor final es <25% de todos los flujos de caja actuales.
Compromiso total requerido
El enfoque utilizado para determinar la cantidad de capital necesaria para desarrollar la Reserva Estratégica de Propulsantes fue el análisis de los flujos de caja libres acumulados de la empresa (CFCF). El CFCF se calcula sumando todos los flujos de caja desde el inicio de una empresa o proyecto. Durante el ciclo operativo de 30 años de la Reserva Estratégica de Propulsantes, el valor más bajo de CFCF representa el momento en el que se despliega la mayor cantidad de capital. Este valor se aproxima al compromiso total necesario para desarrollar un proyecto. A continuación se presenta un análisis paramétrico de la cantidad de capital del Gobierno de Estados Unidos necesaria en función de la estructura de propiedad privada y de los márgenes de precios:
La región sombreada en azul representa una gama de escenarios identificados por su probabilidad percibida de ocurrencia. Un rango aproximado de compromiso entre 13.100 millones de dólares y 22.900 millones de dólares para el despliegue lunar más otros 2.000-3.000 millones de dólares para el despliegue de la MO es el capital proyectado por el Gobierno de EE.UU. necesario durante un período de 30 años para financiar este proyecto. Además, la mayor cantidad prevista de capital desplegado en un año es de aproximadamente 5.000 millones de dólares.
Los escenarios negativos del MOTC se muestran para ilustrar los impactos del compromiso relacionados con la decisión de ofrecer propulsores subvencionados a los clientes comerciales por debajo del coste previsto. Los escenarios con un 0% de propiedad privada también ponen de manifiesto la diferencia de costes entre una estructura de propiedad PPP y una estructura de propiedad totalmente dirigida por el Gobierno de los Estados Unidos.
Análisis del ROCE
La siguiente tabla es un análisis paramétrico del ROCE medio anualizado de un accionista privado en la Reserva Estratégica de Propulsantes en función del precio y del porcentaje de propiedad, utilizando un WACC constante del 12%:
Se identificó un rango de ROCE entre el 4,1% y el 11,2% de rentabilidad media anual. Se llegó a la conclusión de que, en determinadas estructuras de propiedad y de precios, existe una rentabilidad potencialmente suficiente para un accionista privado con una tasa de descuento del 12%.
Análisis económico
Enfoque del análisis económico
Para proyectar el crecimiento económico y los ahorros derivados del uso de la Reserva Estratégica de Propulsantes, se identificaron dos fuentes principales de crecimiento económico:
El crecimiento derivado del CAPEX; y
El crecimiento derivado del ahorro de costes repercutido a los clientes.
Las dos secciones siguientes ilustran los métodos utilizados para estimar el crecimiento derivado de estas fuentes. La suma de la actividad económica identificada a partir de ambas fuentes representa el crecimiento económico estimado de la Reserva Estratégica de Propulsantes en este análisis.
Método para modelar el crecimiento derivado del CAPEX
El proceso de construcción de proyectos de capital genera crecimiento y actividad económica. Según la Space Foundation, más del 60% del crecimiento económico derivado del presupuesto de la NASA está relacionado con los bienes y servicios comerciales terciarios que se benefician de la industria espacial.32 En 2005, estas actividades generaron más de ocho veces el presupuesto anual de la NASA.33 En consecuencia, uno de los componentes del análisis económico consistió en captar el impacto económico multiplicador que el CAPEX de la Reserva Estratégica de Propulsantes tendrá en la economía cislunar en general. Se determinó que un multiplicador de 1,5 veces el CAPEX sería una cifra de referencia conservadora para aproximar el impacto económico del gasto CAPEX de la reserva de propulsantes.
Método para modelar el crecimiento derivado del ahorro de costes
La principal fuente de crecimiento económico identificada en este análisis es el crecimiento derivado del ahorro de costes del propulsor adquirido por los clientes. Para determinar la cantidad de ahorro de costes, se compararon las tarifas de mercado previstas para el propulsor por ubicación con los precios previstos de la Reserva Estratégica de Propulsantes. Los precios de la Reserva Estratégica de Propulsante se mostraron en un rango entre el -20% y el 20% de MOTC al compararlos con las tasas de mercado. La diferencia calculada entre la tarifa de mercado y el precio proyectado de la Reserva de Propulsante Estratégico se identifica como el ahorro de costes.
Este ahorro de costes repercutido al cliente representa un beneficio financiero directo que reciben los clientes de la Reserva Estratégica de Propulsantes. Para cuantificar la cantidad de ahorro reinvertido en la economía espacial, se utilizó un ratio de reinversión conservador del 95%. La cantidad de ahorro reinvertido se compone entonces anualmente sobre la base de un rendimiento de los activos (ROA) que oscila entre el 12% y el 16%. Según CSI Market, la industria aeroespacial y de defensa demostró un rango de ROA entre el 3% y el 17% en 2019, lo que sirve de referencia para el rango de ROA utilizado.34 El crecimiento compuesto acumulado de estos ahorros durante el horizonte temporal de 30 años representa la cantidad de crecimiento económico proyectado derivado de los ahorros de costes de la Reserva Estratégica de Propulsantes.
Resultados del análisis económico
Crecimiento económico en función del precio y del ROA La siguiente tabla ilustra el crecimiento económico proyectado (en millones de dólares) derivado de la Reserva Estratégica de Propulsantes en función de una serie de parámetros de precios y ROA:
La región sombreada en azul representa una gama de escenarios identificados por su probabilidad percibida de ocurrencia y según lo especificado anteriormente. Dentro de esta región, se estimó un rango entre 454.000 y 631.000 millones de dólares de crecimiento económico derivado de la Reserva Estratégica de Propulsantes en el horizonte temporal de 30 años del proyecto.
Crecimiento económico por cada dólar de USG comprometido
Las siguientes tablas ilustran el impacto económico previsto por cada dólar del Gobierno de Estados Unidos comprometido con la Reserva Estratégica de Propulsantes, manteniendo constante la estructura de propiedad del 100% del Gobierno de Estados Unidos:
La región sombreada en azul representa una gama de escenarios identificados por su probabilidad percibida de ocurrencia. Dentro de esta región, se identificó un rango entre 24,6 y 39,4 dólares de crecimiento por dólar del SGA comprometido para el componente lunar del proyecto. En el Apéndice A también se presentan las tablas de la estructura de propiedad del 97,5% y del 95% de los SGA y sus respectivos rangos para los despliegues lunares.
Conclusión
El establecimiento de una Reserva Estratégica de Propulsantes apoyará a los clientes de los sectores civil, militar y comercial que se convertirán en pilares de la economía espacial. Garantizar la disponibilidad constante de propulsante derivado de la Luna permitirá una exploración segura más allá de la LEO, proporcionará un transporte rentable en el espacio y fomentará una variedad de actividades espaciales comerciales. Al proporcionar el capital inicial para una mina lunar y descontar el coste del propulsor de base lunar, el Gobierno de EE.UU. aceleraría el crecimiento de la economía cislunar.
Este estudio recomienda que la reserva opere a través de una APP en la que la parte privada asuma pocos riesgos y la parte pública aporte los gastos de capital a cambio de un crecimiento económico espectacular y una nueva herramienta innovadora para las operaciones de seguridad nacional. La Reserva Estratégica de Propulsantes garantizará que Estados Unidos mantenga su posición de preeminencia permitiendo liderar el desarrollo de los marcos legales del espacio y guiar el crecimiento de la economía cislunar.
El concepto de minería térmica sugerido aquí es lo suficientemente escalable como para satisfacer la demanda a lo largo de la vida de la reserva, pero requiere un enfoque continuo para estar listo para una mina operativa en 2028. Se recomienda almacenar propulsante para dos años de demanda para todas las misiones críticas, a fin de proteger a los Estados Unidos contra las interrupciones de suministro. El propulsor se almacenará en reservas en la superficie lunar, NRHO, LEO y órbita de Marte.
Un análisis del caso de negocio de la mina y las reservas determinó que es posible que un inversor privado genere un ROCE del 4,1% al 11,2%. A lo largo del período de estudio de 30 años, se requiere una inversión del Gobierno de los Estados Unidos de 15.000 a 26.000 millones de dólares. Esta inversión garantizará la disponibilidad de propulsores a un coste reducido para diversas actividades en el espacio cislunar. El ahorro de costes proporcionado a los clientes de la reserva mediante el descuento del propulsor se reinvierte y supone entre 400.000 y 600.000 millones de dólares de crecimiento económico. Esto supone un retorno de 24,6 a 39 dólares por cada dólar gastado por el Gobierno de Estados Unidos en la reserva. La Reserva Estratégica de Propulsante representa una oportunidad para que el Gobierno de los Estados Unidos garantice su dominio continuo en el espacio, proporcione una red de seguridad para las actividades tripuladas cislunares y fomente el crecimiento de toda la economía cislunar.
Próximos Pasos
La Reserva Estratégica de Propulsantes propuesta en este estudio requerirá los esfuerzos de colaboración de la comunidad espacial en general y de otros sectores. Se necesitan más aportaciones de los expertos de la industria, los responsables políticos, los investigadores y la industria privada para perfeccionar el análisis presentado. Recomendamos que el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA), como sociedad técnica líder en el sector espacial, reúna a representantes de la industria, el mundo académico, la NASA y el NSS para crear un grupo de trabajo que haga avanzar los conceptos.
La creación de la Reserva Estratégica de Propulsores prevista requiere la colaboración y el compromiso de una amplia gama de partes interesadas que dan forma al futuro de las humanidades en el espacio. Ningún individuo, organización o agencia podrá recorrer con éxito este camino en solitario. Incluso la evolución gradual será mejor si se trabaja en equipo. Así, la ULA ha colaborado con Dynetics, et. al, en su visión de un depósito de propulsores cislunares.
Este marco transforma la misión Artemis, que pasa de la agregación de vuelos individuales a la Luna a una arquitectura sostenible que aprovecha la infraestructura reutilizable. Esta evolución podría ser el siguiente incremento en la infraestructura de propulsores que permita una futura Reserva Estratégica de Propulsores.
Para garantizar que las misiones Artemis proporcionen una arquitectura lunar sostenible para la infraestructura de propulsores, ULA y Dynetics proponen que la AIAA establezca foros y normas para la investigación, el desarrollo y la evolución de un depósito de propulsores cislunares. El primer paso debería ser la creación de un pequeño equipo multidisciplinar que represente a los comités pertinentes de tecnología, política, normas e integración. Este equipo se basará en las visiones de Dynetics y ULA para desarrollar un marco de compromiso con la comunidad en general. Este esfuerzo proporcionará un vehículo para reunir a las partes interesadas, centrar a la comunidad espacial en los desafíos únicos de investigación y desarrollo, hacer evolucionar las normas y las políticas, y acercar a la comunidad en su conjunto al futuro posibilitado por la Reserva Estratégica de Propulsantes.
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