Los Medios de Comunicación, no siempre son fieles “comunicadores” y, para realzar las noticias, las expresan con un grado extra de exaltación, o, licencia poética que, distorsiona la realidad de lo que realmente deberían comunicar, y, no pocas veces, tal hecho se debe a que (sobre todo en noticias relativas a cuestiones científicas) no se elige a la persona debidamente preparada y adecuada a la noticia que se quiere ofrecer al público.

                         La supueta aparición del Bosón de Higgs

Escribo esto a partir de un artículo leído en la prensa diaria que, tratando de hablar de exóticos objetos que existen en el Universo, llegan a hablarnos de estrellas masivas con 400 veces la masa del Sol, y, tal barbaridad, nos lleva a pensar que, para hacer un reportaje o comentario de estos temas, los diferentes medios, deberían acudir a personas versadas en los temas tratados, y, de esa manera, además de quedar mucho mejor, evitarían el ridículo de publicar las cosas alejadas de la realidad.

Buscando en mi documentación, un buen ejemplo de lo que digo, por suerte, me encuentro con un artículo escrito por Don Carlos Miguel Madrid Casado del Departamento de Lógica y Filosofía de la Ciencia en la Facultad de Filosofía de la Universidad Complutense de Madrid, dónde nos deja un claro ejemplo de lo que no debiera ser. Aquí os lo dejo.

                 Nubes moleculares en Orión que son los materiales primigenios para complejidades futuras

“Edward Lorenz (1917-2008): ¿Padre de la Teoría del Caos?

El miércoles de 16 de abril de 2008, a los 90 años de edad, moría Edward Norton Lorenz. Los periódicos de medio mundo pronto se hicieron eco de la noticia. Todos los obituarios recogieron que había muerto “el Padre de la Teoría del Caos”. Lorenz, escribían, fue el primero en reconocer el comportamiento caótico de ciertos sistemas dinámicos, como el atmosférico. El estudio de este comportamiento altamente inestable y errático le condujo, continuaban, a formular una de las principales características de lo que hoy se llama “caos determinista”: la dependencia sensible a las condiciones iniciales, popularmente conocida como “efecto mariposa”. Lorenz, concluían, fue el artífice de la tercera revolución científica del siglo XX, después de la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica.

James Yorke

Pero, alto ahí, ¿ha sido realmente Edward Lorenz el “creador” de la Teoría del Caos? ¿O acaso su papel de estrella protagonista se debe más bien a una inusitada alianza entre mérito y fortuna? El propósito de esta nota es ofrecer una panorámica de la Historia de la Teoría del Caos que complique su nacimiento y enriquezca su evolución, sacando a la luz la figura de ciertos científicos que el gran talento de Lorenz ha ensombrecido y ocultado. Comenzamos nuestra panorámica retrocediendo hasta los tiempos de la Revolución Científica. El intento por comprender las trayectorias planetarias observadas por Kepler condujo a Newton a modelarlas matemáticamente, siguiendo la estela de Galileo. Newton formuló sus leyes de una forma matemática que relacionaba entre sí las magnitudes físicas y sus ritmos de cambio. Las leyes físicas quedaron expresadas como ecuaciones diferenciales. Estudiar un fenómeno físico y hallar las ecuaciones diferenciales que las gobernaban eran las dos caras de la misma moneda.

Desde el siglo XVII, toda la naturaleza –sólidos, fluidos, sonido, calor, luz, electricidad- fue modelada mediante ecuaciones diferenciales. Ahora bien, una cosa era dar con las ecuaciones del fenómeno en cuestión y otra, bien distinta, resolverlas. La teoría de las ecuaciones diferenciales lineales fue desarrollada por completo en poco tiempo. No así la teoría gemela, la teoría de las ecuaciones diferenciales no lineales.

Uno de los problemas no lineales que trajo de cabeza a físicos y matemáticos fue el problema de los n cuerpos de la Mecánica Celeste: dados n cuerpos de distintas masas bajo atracción gravitacional mutua, se trataba de determinar el movimiento de cada uno de ellos en el espacio. Newton resolvió geométricamente el problema de los dos cuerpos en los Principia. Posteriormente, Bernoulli y Euler lo resolvieron analíticamente con todo detalle. Sin embargo, no ocurrió así con el problema de los tres cuerpos. Newton sabia que, cuando un tercer cuerpo entraba en escena, el problema no era fácilmente resoluble, y que esto traía serias consecuencias para la cuestión de la estabilidad del Sistema Solar (que, a fin de cuentas, en la época, pasaba por ser un sistema de siete cuerpos). Aunque débiles en comparación con la fuerza de atracción del Sol, las fuerzas gravitatorias entre los planetas no eran ni mucho menos despreciables, por cuanto a la larga podían desviar algún planeta de su órbita e incluso, en el límite, expulsarlo fuera del Sistema Solar.

El matemático suizo Leonhard Euler

Las fuerzas interplanetarias podían estropear las bellas elipses keplerianas, sin que fuera posible predecir el comportamiento del Sistema Solar en un futuro lejano. En Motu corporum in gyrum, Newton afirmaba que los planetas no se mueven exactamente en elipses ni recorren dos veces la misma órbita, y reconocía que definir estos movimientos para todo futuro excedía con mucho la fuerza entera del intelecto humano. Si el Sistema Solar se iba desajustando, era necesaria una solución drástica: la Mano de Dios tenía que reconducir cada planeta a su elipse, reestableciendo la armonía. Este Deus ex machina newtoniano provocó, como es bien sabido, la ira de Leibniz, para quien Dios no podía ser un relojero tan torpe.

Tiempo después, Laplace creyó explicar las anomalías orbitales que preocuparon a Newton como meras perturbaciones que sólo dependían de la Ley de Gravitación y tendían a compensarse en el transcurso del tiempo. Así, al presentar su Mecánica Celeste a Napoleón, exclamó que Dios no era una hipótesis necesaria en su sistema del mundo. Sin embargo, en sus ecuaciones del sistema Sol-Júpiter-Saturno (problema de los tres cuerpos), Laplace despreció un término matemático que creía muy pequeño pero que, en contra de lo por él supuesto, podía crecer rápidamente y sin límite, hasta desestabilizar el Sistema Solar.

Muchos físicos y matemáticos decimonónicos dedicaron sus esfuerzos a dar una respuesta completa al problema de los tres cuerpos y a la cuestión de la estabilidad del Sistema Solar. Entre ellos, uno de los personajes clave en la configuración de la Teoría del Caos: Henri Poincaré.

                                     Henri Poincaré

En 1855, los matemáticos europeos tuvieron noticia de que un importante concurso internacional iba a ser convocado bajo el auspicio de Oscar II, rey de Suecia y Noruega, para celebrar su sesenta aniversario en el trono. Se ofrecía un sustancioso premio al matemático capaz de resolver el problema de los tres cuerpos y, de este modo, avanzar en el estudio de la estabilidad del Sistema Solar. Alentado por la competencia, Poincaré procedió a sintetizar muchas de sus ideas acerca del estudio cualitativo o topológico de las ecuaciones diferenciales no lineales. El Jurado declaró ganador a Poincaré por una compleja resolución del problema restringido de los tres cuerpos, en que un planeta ligero se mueve bajo la atracción gravitatoria de dos estrellas iguales que giran una alrededor de la otra describiendo dos elipses confinadas en un mismo plano. Sin embargo, el artículo de Poincaré contenía un error y una tirada completa de la prestigiosa revista Acta Mathemática hubo de ser destruida.

A toda prisa, Poincaré revisó su trabajo y descubrió que, en verdad, no podía probarse la estabilidad del sistema, porque su dinámica no seguía pauta regular alguna. Su revisión del problema contiene una de las primeras descripciones del comportamiento caótico en un sistema dinámico. Poincaré fue, desde luego, el abuelo de la Teoría del Caos. Además, a partir de entonces, Poincaré contribuyó como pocos, a popularizar la idea de que existen sistemas deterministas cuya predicción a largo plazo resulta imposible. En Ciencia y Método, escribía: “Puede suceder que pequeñas diferencias en las condiciones iniciales produzcan algunas muy grandes en los estados finales. Un pequeño error al inicio engendrará un enorme error al final. La predicción se vuelve imposible”.

¡Caramba! Medio siglo antes que Lorenz, Poincaré se había topado con… ¡el efecto mariposa! Aún más: el genial matemático francés señaló que el tiempo meteorológico hacía gala de esta clase de inestabilidad y apuntó qué dificultades se derivarían para la predicción meteorológica. En su labor divulgadora no estuvo solo: su compatriota Pierre Duhem difundió las investigaciones de Poincaré y, también, de Jacques Hadamard, quien fue pionero en demostrar matemáticamente que, para cierto sistema dinámico hoy conocido como el Billar de Hadamard, un pequeño cambio en las condiciones iniciales provoca un notable cambio en la posterior evolución del sistema.

Durante el primer cuarto del siglo XX, la influencia de Poincaré no desapareció y se dejó notar en los trabajos de George David Birkhoff a propósito de las características cualitativas y topológicas de los sistemas dinámicos. Tampoco puede olvidarse el papel de Stephen Smale, que ganaría la Medalla Fields –el Premio Nobel de los matemáticos- en 1966 por sus contribuciones a la Teoría de los Sistemas Dinámicos. Mediado el siglo XX, este topólogo continuó la senda trazada por Poincaré t Birkhoff, y descubrió la Herradura de Smale, que pasa por ser el mecanismo topológico que da lugar al caos (efecto mezcla).

                 George David Birkhoff

Simultáneamente, cruzando el telón de acero, existía otra fértil tradición: la Escuela Rusa. En la U. R. S. S., los físicos y matemáticos habían heredado de Alexander Liapunov sus influyentes nociones acerca de la estabilidad del movimiento de los sistemas dinámicos. Si Poincaré se había ocupado de la teoría de la estabilidad desde una perspectiva cualitativa, Liapunov lo hizo cuantitativamente (exponentes de Liapunov). Recogiendo el testigo de ambos, Kolmogorov y Arnold se concentraron en el estudio de la estabilidad de los sistemas dinámicos de la Dinámica Celeste. Durante la guerra fría, los principales resultados de los matemáticos soviéticos fueron traducidos al inglés y dados a conocer al resto de matemáticos, europeos y norteamericanos, gracias al providencial trabajo de Solomon  Lefschetz.

Y en éstas, apareció Lorenz… En 1963, este matemático y meteorólogo, antiguo alumno de Birkhoff en Harvard, estaba trabajando en el pronóstico del tiempo en el MIT. Estudiando la convección en la atmósfera, Lorenz planteó un modelo matemático formado por tres ecuaciones diferenciales ordinarias para describir el movimiento de un fluido bajo la acción de un gradiente térmico. Mientras buscaba soluciones numéricas con la ayuda de una computadora, se encontró –al volver de tomar una taza de café- con que se producía un dramático comportamiento inestable, caótico. Lorenz se había topado por casualidad con el fenómeno de la sensibilidad a las condiciones iniciales, que hacía de su sistema algo en la práctica impredecible. En efecto, tras establecer las propiedades básicas del flujo, Lorenz reparó en que una pequeña variación en las condiciones iniciales ocasionaba estados finales completamente diferentes. Lorenz había descubierto, tomando prestada la indeleble metáfora que forjaría más tarde, el efecto mariposa: el aleteo de una mariposa en Brasil puede ocasionar un tornado en Texas. Ahora bien, sería el matemático norteamericano Guckenheimer el que, allá por los años 70, acuñara la expresión “dependencia sensible a las condiciones iniciales”.

Lorenz publicó su hallazgo en una revista de meteorología, en un artículo titulado Deterministic Nonperiodic Flow, en que citaba expresamente a Poincaré y Birkhoff (aunque desconocía las ideas del primero sobre predicciones meteorológicas), pero que pasó prácticamente desapercibido. Sólo Stephen Smale y James Jorke –el introductor del término caos en la literatura científica- reconocieron las repercusiones filosóficas de la investigación de Lorenz y la dieron a conocer. Si Edward Lorenz ofreció a la comunidad científica el paradigma de sistema dinámico caótico continuo, el zoólogo Robert May dio a conocer en su artículo Simple Mathematical Models with Complicated Dynamics el paradigma del sistema dinámico caótico discreto: la aplicación logística.

A finales de los 70 y principios de los 80, la exploración de aplicaciones de la Teoría del Caos comenzó a dar sus frutos más allá de las simulaciones en las pantallas de ordenador. Entre los fenómenos físicos estudiados destaca, sin duda, la transición a la turbulencia en los fluidos, cuyo estudio contaba con el precedente que suponía el artículo On the nature of turbulence de David Ruelle y Floris Takens, quiénes introdujeron la noción de atractor extraño. Paralelamente, el físico Mitchell Feigenbaum descubrió heurísticamente ciertas constantes universales que caracterizan la transición del movimiento periódico al movimiento caótico, dando inicio a una de las ramas más prometedoras de la Teoría del Caos a día de hoy: la Teoría de la Bifurcación.

En resumidas cuentas, a comienzos del siglo XXI, la Teoría del Caos se nos aparece como la ciencia fisicomatemática que estudia el comportamiento aperiódico e inestable en sistemas deterministas no lineales. Mientras que la revolución relativista fue, prácticamente, fruto de un único hombre (Albert Einstein), y la revolución cuántica lo fue de apenas un puñado (Planck, Bhor, Heisenberg, Schrödinger, Dirac), la revolución del caos determinista es, en cambio, obra de múltiples. La Teoría del Caos es hija tanto de matemáticos (Poincaré, Hadamard, Birkhoff, Smale, Yorke…) como de físicos, biólogos y otros tantos científicos de campos dispares (Lorenz, May, Feigenbaum…). Atribuir su paternidad únicamente a un hombre, aun cuando sea Lorenz, es una simplificación excesiva. Lorenz fue, por así decirlo uno de los muchos padres.”

Hasta aquí el artículo que el Señor Madrid Casado escribió y fue publicado en el número 3 del volumen 22 de la Revista Española de Física en 2008.

Mach                                                                                        Maxwell                                                    Lorentz

Riemann

El trabajo está bien y nos introduce en la historia de la Teoría del Caos desde sus raíces, y, lo único en lo que podemos disentir del autor es, en el hecho cierto de que, Einstein, autor de la relatividad, también se apoyó en muchos (Mach, Maxwell, Lorentz, -en la primera parte, y, sobre todo en Riemann, en la segunda), aunque eso no le quita ni una pizca del mérito que tiene como científico que supo aunar muchos conocimientos dispersos, unirlos en una sola entidad y hacer ver al mundo lo que allí había. Y, por otra parte, al hablar de la Mecánica Cuántica, excluye a Einstein que, en verdad (aunque la combatió) fue uno de sus padres en aquellos primeros momentos, su trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico (que le dio el Nobel de Física) así lo demuestra. Por otra parte, no habría estado de más y de pasada, comentar que Poincaré fue el autor de la “Conjetura” que lleva su nombre y que ha estado ahí 100 años sin que nadie la resolviera hasta que llegó, un matemático extraño, llamado Perelman (ruso) que sin tener el premio que ofrecían al ganador, puso en Internet la solución. Este personaje, no acudió a la cita en Madrid, donde se celebraba el Año Internacional de las Matemáticas y el rey le entregaría la Medalla Field. Todos se quedaron esperando y él, que vicía con su madre en un apartamento de 65 m², estaba con su cestita al brazo cogiendo setas en el campo.

De todo esto podemos obtener la consecuencia de que, todo tiene otra historia detrás, y, si profundizamos, la podemos descubrir para conocer de manera completa y precisa, el transcurso de los hechos y los personajes que en ellos tomaron parte.

emilio silvera

[?]

El modelo estándar es una poderosa herramienta pero no cumple todas las expectativas; no es un modelo perfecto. En primer lugar, podríamos empezar por criticar que el modelo tiene casi veinte constantes que no se pueden calcular. Desde luego, se han sugerido numerosas ideas para explicar el origen de todos estos parámetros o números inexplicables y sus valores, pero el problema de todas estas teorías es que los argumentos que dan nunca han sido enteramente convincentes. ¿Por qué se iba a preocupar la naturaleza de una fórmula mágica si en ausencia de tal fórmula no hubiera contradicciones? Lo que realmente necesitamos es algún principio fundamental nuevo, tal como el principio de la relatividad, pero no queremos abandonar todos los demás principios que ya conocemos. Ésos, después de todo, han sido enormemente útiles en el descubrimiento del modelo estándar. El mejor lugar para buscar un nuevo principio es precisamente donde se encuentran los puntos débiles de la presente teoría.

Una regla universal en la física de partículas es que para partículas con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructuras cada vez más pequeñas en el espacio y en el tiempo.

El modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero existen varias razones para sospechar que sus predicciones pueden, finalmente (cuando podamos emplear más energía en un nivel más alto), resultar equivocadas.

Vistas a través del microscopio, las constantes de la naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático no hay nada que objetar, pero la credibilidad del modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas, o lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas. ¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta aquí?

Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables. ¿Dónde está la partícula de Higgs? ¿Cómo se esconde de nosotros el gravitón?

Si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste de las constantes de la naturaleza, creamos un nuevo problema: ¿Cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste fino no sea necesario? Está claro que las modificaciones son necesarias, lo que implica que muy probablemente haya un límite más allá del cual el modelo tal como está deja de ser válido. El modelo estándar no será nada más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, de forma que todos los fenómenos que hemos observado hasta el presente están reflejados en él, pero cada vez que se pone en marcha un aparato más poderoso, tenemos que estar dispuestos a admitir que puedan ser necesarias algunas modificaciones del modelo para incluir nuevos datos que antes ignorábamos.

Más allá del modelo estándar habrá otras respuestas para preguntas que, en este momento, no sabemos ni plantear.

Quedó abandonado con miles de dolores enterrados

El gobierno de Estados Unidos, después de llevar gastados miles de millones de dólares, suspendió la construcción del supercolisionador superconductor de partículas asestando un duro golpe a la física de altas energías, y se esfumó la oportunidad para obtener nuevos datos de vital importancia para el avance de este modelo, que de momento es lo mejor que tenemos.

Se han estado inventando nuevas ideas, como la supersimetría y el technicolor. Los astrofísicos estarán interesados en tales ideas porque predicen una gran cantidad de nuevas partículas superpesadas, y también varios tipos de partículas que interaccionan ultradébilmente, los technipiones. Éstas podrían ser las WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles, o Partículas Masivas Débilmente Interactivas) que pueblan los huecos entre las galaxias, y serían así las responsables de la masa perdida que los astrofísicos siguen buscando y llaman materia oscura.

Paul Dirac se sintió muy incómodo cuando en 1931 dedujo, a partir de su ecuación del electrón, que debería existir una partícula con carga eléctrica opuesta. Esa partícula no había sido descubierta y le daba reparo perturbar la paz reinante en la comunidad científica con una idea tan revolucionaria, así que disfrazó un poco la noticia: “Quizá esta partícula cargada positivamente, tan extraña, sea simplemente el protón”, sugirió. Cuando poco después se identificó la auténtica antipartícula del electrón (el positrón) se sorprendió tanto que exclamó: “¡Mi ecuación es más inteligente que su inventor!”. Este último comentario es para poner un ejemplo de cómo los físicos trabajan y buscan caminos matemáticos mediante ecuaciones de las que, en cualquier momento (si están bien planteadas), surgen nuevas ideas y descubrimientos que ni se podían pensar. Así pasó también con las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, donde Schwarzschild dedujo la existencia de los agujeros negros.

Se piensa que al principio del comienzo del tiempo, cuando surgió el Big Bang, las energías eran tan altas que allí reinaba la simetría total; sólo había una sola fuerza que todo lo englobaba. Más tarde, a medida que el universo se fue expandiendo y enfriando, surgieron las cuatro fuerzas que ahora conocemos y que todo lo rigen.

Tenemos los medios, en los super-colisionadores de partículas, para viajar comenzando por 1.000 MeV, hasta finalizar en cerca de 10¹⁹ MeV, que corresponde a una escala de longitudes de aproximadamente 10^–30 cm. Howard Georgi, Helen Quinn y Steven Weinberg descubrieron que ésta es la región donde las tres constantes de acoplamiento gauge se hacen iguales (U(1), SU(2) y SU(3)); resultan ser lo mismo. ¿Es una coincidencia que las tres se hagan iguales simultáneamente? ¿Es también una coincidencia que esto suceda precisamente en esa escala de longitud? Faltan sólo tres ceros más para alcanzar un punto de retorno que ya comentaremos. Howard Georgi y Sheldon Glashow descubrieron un modelo genuinamente unificado en el dominio de energías de 10¹⁹ MeV tal que, cuando se regresa de allí, espontáneamente surgen las tres fuerzas gauge tal como las conocemos. De hecho, ellos encontraron el modelo; la fórmula sería SU(5), que significa que el multiplote más pequeño debe tener cinco miembros.

El boson X predicho por Georgi-Glashow daría lugar a transiciones a través de masa que deben estar en la región de 10¹⁹ MeV. Una peculiaridad de este bosón X es que puede transformar los quarks en leptones e incluso en anti-quarks.

Y, a todo esto, ¿dónde está esa energía oculta? ¿Y donde la materia? Podemos suponer que la primera materia que se creo en el Universo fue la que llamamos “Materia Oscura” (mejor sería llamarla invisible), ya que, de no ser así, difícil sería explicar cómo se pudieron formar las primeras estrellas y galaxias de nuestro Universo, ¿dónde está el origen de la fuerza de Gravedad lo hizo posible, sino en esa materia escondida?

¡Lo dicho! Necesitamos saber, y, deseo que de una vez por todas, se cumpla lo que dejó dicho Hilbert en su tumba de Gotinga (Alemania).

¡Que sea pronto!

emilio silvera

[?]

De Jesús Manuel Sobrado y José Ángel Martín-Gago

La Tierra está rodeada, esencialmente, de vacío. Por tanto, una de las formas de profundizar en el conocimiento del espacio es mediante la utilización de equipos de vacío. No sólo se trata de comprender el funcionamiento de los cuerpos celestes o de los procesos que ocurren en el espacio sino también en la superficie de muchos de los planetas, incluyendo las capas altas de la atmósfera terrestre. Un sistema de vacío puede ser un entorno adecuado donde recrear diferentes ambientes espaciales controlando algunos de los parámetros físicos del sistema (como presión total, composición de los gases, radiación, temperatura…). La simulación espacial utilizando equipos de vacío es una poderosa herramienta para preparar misiones espaciales, interpretar datos de las mismas o simplemente para investigar cómo se comporta la materia en esas condiciones.

1. Introducción

Con el lanzamiento del primer satélite Sputnik [1] comienza una nueva era tecnológica que ha permitido a la humanidad explorar el universo físicamente [2]. Este año se ha cumplido el 40 aniversario de la llegada del hombre a la Luna. Del fruto de este empeño y de otros de la misma naturaleza, como fue el primer la puesta en marcha del proyecto internacional común para la construcción de la estación espacial internacional, la sociedad ha obtenido un elevado beneficio tecnológico.

Podemos afirmar que la frase pronunciada por Neil Armstrong cuando pisó Luna se ha hecho realidad: “Este es un pequeño paso para el hombre, pero un gran paso para la humanidad”.

La ventana abierta hacia el espacio nos acerca al conocimiento que tenemos sobre nosotros mismos. No olvidemos que formamos parte del sistema solar en el planeta Tierra y que estamos, por tanto, rodeados de vacío, en medio de fuerzas gravitatorias y electromagnéticas, que convierten nuestro planeta en una maravillosa perla azul en un vasto territorio negro. (En 1990, en la misión “Voyager”, Carl Sagan, insistió antes de que la sonda abandonase el sistema solar, que tomase fotografías de la tierra vista desde el exterior.

Las imágenes tardaban 5 horas y media en ser recibidas en la Tierra) [3]. Fruto de esta necesidad de conocimiento surge el planteamiento de buscar nuevas formas de conocer el espacio que nos rodea. El espacio está esencialmente vacío.

Parece por tanto evidente, que los avanzados sistemas de vacío actuales puedan ayudarnos a comprender mejor los procesos y mecanismos que ocurren fuera de la atmósfera terrestre.

No sólo en el espacio interestelar, sino también sobre la superficie de muchos de los planetas y objetos celestes en los que su presión atmosférica sea menor que la terrestre. Así, un sistema de vacío puede ser un entorno adecuado donde recrear diferentes ambientes espaciales, controlando algunos de los parámetros físicos del sistema para poder aprender sin necesidad de desplazarnos materialmente.

15 años mostrando la belleza de Marte

“La sonda espacial ha contribuido significativamente en el estudio del planeta rojo; sus hallazgos sentaron las bases para las misiones de detección de signos de vida, como las dos misiones del programa ExoMars de la ESA.”

 

Las misiones espaciales presentan un número elevado de inconvenientes. Una de las principales críticas que han recibido siempre es su elevado coste. Por ejemplo, una misión “económica” a Marte, como pudo ser la Mars Express, tuvo un costo aproximado de unos 1000 millones de euros. Otro inconveniente es el largo tiempo necesario para realizarlas, ya que desde que una misión se concibe en los despachos hasta que se concluye pasa más de una década. Parece por tanto necesario asegurar todos los parámetros y, para ello, probar y calibrar lo mejor posible y en las mismas condiciones de operación, la instrumentación de la misión. Este es el marco en el que hay que entender la simulación en sistemas de vacío. Como una plataforma que nos permita reproducir condiciones planetarias e interestelares. Esta simulación tiene, por tanto, un doble objetivo. Por una parte preparar las misiones espaciales y, por otra, ayudar a entender los resultados obtenidos por las mismas.

La simulación de un problema complejo permite acotar y separar de forma controlada las variables relevantes de un sistema aislado. Es una manera de resolver pequeños problemas obteniendo valiosa información sobre el funcionamiento de sistemas en condiciones muy especificas. De este modo se van creando parámetros o esquemas de comportamiento que son fácilmente reproducibles, si se respetan todas las variables iníciales. Es importante conocer las limitaciones de la simulación. Al realizar la simulación en la Tierra, son dos normalmente los factores limitantes, las dimensiones de la cámara de vacío y la gravedad [4]. Este último es el menos relevante, ya que en la simulación de atmósferas o superficies planetarias, la gravedad es un factor existente que no determina las condiciones climatológicas de la atmósfera.

Sin embargo las dimensiones si son importantes, ya que limitan las diferentes gradientes de presión y temperatura, así como los niveles de radiación en función de la altura a la superficie. El volumen interno de una cámara así como la superficie interna limitan la transferencia de energía (calor), y por tanto la homogeneidad del sistema. En este trabajo vamos a describir como recrear distintos ambientes espaciales y planetarios mediante el uso de entornos de vacío. Daño del ADN por la radiación espacial, estabilidad de fases cristalinas de minerales en la superficie de Marte, comportamiento de sensores frente al polvo marciano o supervivencia de esporas en un viaje especial o superficie planetaria, son algunos ejemplos de una interminable lista de temas interdisciplinar que se pueden estudiar en equipos de simulación.

Veremos cuáles son los parámetros importantes para reproducir una atmósfera planetaria en un laboratorio, o para poder estudiar los hielos que se forman en el medio interestelar denso. Estas ideas se han materializado en la creación de una serie de máquinas de vacío que describiremos y que están operativas dentro de la unidad de simulación de ambientes planetarios y microscopía del Centro de Astrobiología [5]. 2. La simulación espacial y de atmósferas planetarias Planetas con atmósferas singulares, residuos de explosión de estrellas, espacio profundo o la entrada de meteoritos en una atmósfera planetaria, son algunos de los objetos y procesos que ocurren en el espacio. Un entorno espacial se puede caracterizar en función de muchos parámetros, que cruzados dan como resultado la recreación de un sistema concreto. Las principales variables que definen un sistema de simulación en un entorno espacial son la presión total, la composición de gases, la temperatura local o en la superficie de objetos planetarios, la temperatura ambiental, y la radiación recibida.

Estas variables son muy generales. Para poder implementar una instrumentación adecuada que responda a un determinado problema, es necesario conocer su rango de variación [6]. A partir de este dato se desarrolla la tecnología necesaria para poder controlar y monitorizar estas variables en un entorno de vacío. Vamos a hacer un repaso de los rangos de cada una de ellas y del tipo de instrumentación que deberíamos utilizar en cada caso.

Planetas con atmósferas singulares, residuos de explosión de estrellas, espacio profundo o la entrada de meteoritos en una atmósfera planetaria, son algunos de los objetos y procesos que ocurren en el espacio. Un entorno espacial se puede caracterizar en función de muchos parámetros, que cruzados dan como resultado la recreación de un sistema concreto. Las principales variables que definen un sistema de simulación en un entorno espacial son la presión total, la composición de gases, la temperatura local o en la superficie de objetos planetarios, la temperatura ambiental, y la radiación recibida.

Estas variables son muy generales. Para poder implementar una instrumentación adecuada que responda a un determinado problema, es necesario conocer su rango de variación [6]. A partir de este dato se desarrolla la tecnología necesaria para poder controlar y monitorizar estas variables en un entorno de vacío. Vamos a hacer un repaso de los rangos de cada una de ellas y del tipo de instrumentación que deberíamos utilizar en cada caso.

Puesto que vamos a utilizar para la simulación sistemas de vacío, la presión total debe de ser menor que la presión atmosférica. Esta es la primera limitación, que excluye automáticamente el estudio de planetas como Venus, cuya presión en la superficie es unas 90 veces mayor que la de la Tierra [7]. Estos planetas, así como el interior de océanos y mares de hielo que puedan existir en objetos planetarios como Europa (luna de Júpiter), deben de estudiarse mediante cámaras de alta presión, que incorporan una tecnología completamente distinta.

Es muy difícil dar valores precisos para la presión total en diferentes entornos planetarios o interestelares, y de hecho se encuentra frecuentemente bibliografía contradictoria. No obstante intentaremos dar algunas estimaciones y sobre todo, los rangos aproximados de estos parámetros para algunos entornos espaciales.

En el espacio interplanetario, por ejemplo, la presión viene determinada por el viento solar y por moléculas provenientes de las atmósferas de los distintos cuerpos celestes que lo pueblan, como cometas, o planetas. En física del espacio se suele utilizar la presión dinámica, que se define como:

Esta fórmula, aplicada para el viento solar en las inmediaciones de la Tierra, que tiene un número de partículas aproximadas de 4 por cm como del orden de vacío es el Pascal, 1 mbar se empleaba el Torr, como homenaje a Evangelista Torricelli. 1 mbar = 0,75 Torr [mm Hg]. Nosotros en este trabajo utilizaremos el mbar, que aunque no es la unidad en el sistema internacional, es la utilizada mayoritariamente por la comunidad científico-tecnológica en equipos de alto y ultra alto vacío).

El viento solar lo forman protones, partículas alfa, iones pesados y electrones, que fluyen desde la superficie del Sol con velocidades de hasta 800 Km/s. Como el viento solar es un plasma, este lleva consigo parte del campo magnético solar, por lo que las partículas de viento solar que son atrapadas en el campo magnético terrestre provocan entre otras cosas las auroras boreales y australes cuando chocan con la atmósfera terrestre cerca de los polos. Sabemos que el borde del sistema solar lo forma la burbuja del viento solar en el medio interestelar.

En el punto en el que el viento solar no ejerce presión para desplazar el medio interestelar, se considera que es el borde más exterior del sistema solar [8].

Si nos acercamos a algún cuerpo celeste, es la emisión de gases del mismo la que limita la presión total. Así, por ejemplo, cerca de la estación espacial internacional la presión viene determinada por los propios gases de la estación y otras partículas atrapadas por el campo gravitatorio de la misma, siendo esta del orden de Fuera del espacio interplanetario, en donde las temperaturas son muy bajas y la densidad molecular prácticamente inexistente, el concepto de presión deja de tener sentido. Sin embargo, encontramos zonas del espacio interestelar, las llamadas nubes de polvo, en las que se detecta acumulación de material.

Así, en el llamado medio interestelar difuso, (aquel cuya densidad es menor que el principal componente gaseoso es el hidrógeno atómico.

A causa de la gran cantidad de fotones y rayos cósmicos la temperatura típica del polvo en el medio interestelar difuso es de 100 K y sus principales componentes, según se deduce de las observaciones por absorción en el infrarrojo, son el hidrógeno, silicatos amorfos y carbono amorfo hidrogenado.

Su presión, puede ser estimada entonces  como del orden de medio denso (nubes moleculares con densidades entre 103 – 106 partículas $ cm-3), cuyo principal componente gaseoso es el hidrógeno molecular. Aunque la densidad molecular en este caso es mucho mayor, la temperatura es muy baja en su interior, hasta unos 10 K, debido al apantallamiento de la radiación UV en las capas externas de la nube.
Las partículas de polvo, como las presentes en el medio difuso, se cubren de mantos de hielo con espesores del orden de 0.01 micras. Por tanto la presión total puede ser del orden de 10 ^-12 – 10 ^-18 mbar.

Laboratorio de presión de alto vacío

Se ha dicho en algunas ocasiones que las presiones del medio interestelar no son alcanzables en un laboratorio. Esto no es del todo cierto. En realidad no son medibles. En algunas líneas criogénicas de He líquido, se estima que la presión residual puede ser de 10-30 mbar, y es debida exclusivamente a la desorción por rayos cósmicos de los gases de las paredes del recipiente. El problema reside en que no existe actualmente tecnología para medir el vacío por debajo de 10^-14 – 10^-15 mbar. En el CERN, con manómetros modificados del tipo Bayard-Alpert se han podido medir presiones de hasta 2 $ 10-¹⁴ mbar [9].

En el caso de la mayor parte de los planetas la presión si es una magnitud alcanzable y con sentido físico. Así la presión media en la superficie de Marte es de unos 7 mbar, o en Tritón de 10^-2 mbar. Las atmósferas planetarias de la mayoría de los cuerpos del sistema solar son conocidas por observaciones de IR. Sin embargo, no hay que olvidar que la presión total en un planeta depende de la altura. Por ejemplo, en la tierra a 86.000 m de altura la presión es de 10-2 mbar. (100.000 veces menor que la atmosférica). Por tanto debemos tener en cuenta esta dependencia cuando queramos simular la presión en la atmósfera marciana o la superficie marciana.

Existen gráficas en la que se resumen los distintos rangos del vacío junto con las bombas necesarias para alcanzarlos. En la figura vemos que las presiones interplanetarias y del medio interestelar son sólo reproducibles en sistemas trabajando en las llamadas de vacío extremo (XHV-del inglés, extreme high vacuum). Sin embargo, experimentos que se realicen en la estación espacial internacional, pueden simularse utilizando una bomba turbo molecular.

No sólo es necesario elegir el tipo de bombas adecuado para llegar a una u otra presión. También es necesario contar con distintos tipos de sensores, desde el Pirani y el piezoresistivo, para vacío bajo, capacitivo para vacíos medios y terminando en sensores tipo Penning o Bayard-Alpert para alto vacío y ultra alto vacío y vacío extremo.

La composición atmosférica

El siguiente parámetro relevante para controlar en una cámara de simulación es la composición de los gases de la atmósfera. De nuevo la primera división es entre composición de gases en medio interestelar denso y superficies planetarias. La principal fuente de información para la composición atmosférica son espectros de infrarrojo tomados por telescopios orbitales o por satélites. Por ejemplo en el caso de Marte la atmósfera es muy compleja. Se han detectado composiciones medias de 95% CO2, 2,7% N2, 1.6% Ar y 0.6% H2O.
En el caso de otros planetas como Europa, luna Galileana de Júpiter, la presión está formada en más de un 95% de O2 y en el caso del interior de una cámara de vacío a 10^-11– mbar en el laboratorio, casi el 100% es hidrógeno.

La composición atmosférica según el medio interestelar denso es esencialmente hidrógeno tanto en forma molecular como gaseosa. En estos medios existen también una densidad no despreciable de otras moléculas, de composición orgánica y mineral, que se recombinan entre ellas dando lugar a lo que se conoce como Astro-química. Por ejemplo, en el interior de la nube situada tras la nebulosa de Orión, el gas adquiere la densidad suficiente y la baja temperatura necesaria para que los átomos se enlacen y formen moléculas, en las que predomina el hidrógeno molecular y hay trazas de monóxido de carbono, cianógeno y amoniaco [10], entre otras moléculas.

El control de la composición de gases en el sistema de simulación se realiza mediante la inclusión de detectores de masa cuadrupolares. Estos detectores ionizan el gas separando cada molécula según su relación carga/masa.Sabiendo la masa molecular podemos, identificarla en muchos casos y cuantificar su número. Este instrumento, mediante bombeo diferencial, puede operarse desde presión atmosférica. Sin embargo, a presiones inferiores de 10^-5 mbar puede utilizarse con mayor resolución.

Para estar seguros de la composición de la atmósfera es preciso primero hacer el mejor vacío posible, y luego introducir la composición de gases deseada. Es por tanto importante controlar la composición de la presión residual en el sistema de simulación. En un sistema de alto-vacío con cierres KF, y bombeado con una bomba turbomolecular la presión residual parcial de cada uno de los gases está determinada por la velocidad efectiva de bombeo de la bomba turbomolecular (es distinta para cada composición gaseosa), y por la tasa de fugas en cierres de juntas de vitón (KF y LF), situándose en 10^-8 mbar. Por tanto, planetas como Europa no pueden simularse utilizando este tipo de cierres. En un sistema con cierres de UHV (ultra alto vacío), la presión mínima está determinada por la permeabilidad del hidrogeno en cámaras de vacío de acero inoxidable 316 L o aluminio, que está en el orden de 10^-13– mbar.

Para introducir atmósferas complejas, como por ejemplo la de Marte, en el interior de las cámaras de vacío o sistema de simulación, se han desarrollado mezcladores (y evaporadores para el caso del agua) en los que se controla la presión parcial de cada uno de ellos mediante un espectrómetro de masas cuadrupolar antes de introducirlos en el sistema. Estos mezcladores pueden incorporar caudalímetros para experimentos en los que se requiera un control más preciso sobre alguno de los componentes atmosféricos. La mezcla de los gases en los sistemas de simulación se realiza mediante válvulas de fugas o sistemas de capilar controlados por válvulas de aguja. Las válvulas de fuga permiten una entrada de gas controlada hasta 2 $ 10-10 mbar litro/s, mediante el ajuste cónico de dos piezas metálicas una de cobre (metal blando) y la otra de acero (metal duro), de este modo la pieza de cobre se garantiza la estanqueidad ya que recupera su forma original después de cada cierre. En cuanto a los capilares permiten, o bien introducir o extraer gas desde el punto exacto donde comienza el capilar, esto permite además generar flujos en el interior de la cámara de simulación.

La temperatura

Compatibilidad cromatográfica versátil

“El detector SQ 2, diseñado para una compatibilidad óptima con múltiples técnicas de separación cromatográfica, está indicado para ayudarle a obtener más conocimiento a partir de sus análisis.

El detector SQ 2 es compatible con UPLC, UPC2, HPLC, GC, HPLC preparativo y SFC preparativo, así como con análisis directos con la sonda ASAP.”

El concepto de temperatura es de difícil aplicación, ya que es un concepto termodinámico que se aplica a sistemas en equilibrio. En el espacio, el campo de temperaturas es quizá más amplio que el de las presiones. En planetas cercanos al Sol, puede superar varios cientos de grados y en los hielos de los cometas llega a pocos Kelvin.

La temperatura en la superficie de los objetos planetarios es fácilmente controlable con un criostato refrigerado con He líquido, en el que se pueden realizar ciclos de temperatura simulando por ejemplo, variaciones estacionales o diarias. Para ello, una vez enfriado el material que queremos estudiar en condiciones espaciales, un pequeño filamento nos permite aumentar la temperatura y ajustarla mediante un controlador PID a los valores deseados. Como ya hemos indicado, la temperatura en nubes densas de gas del medio interestelar viene determinada por la interacción de la materia con la radiación UV y rayos cósmicos. Esta temperatura es del orden de 10 K en el interior de la nube. Sin embargo en planetas con atmósfera muy ligera o prácticamente inexistente puede oscilar entre la noche y el día entre 400 K y 100 K,como puede ser el caso de la Luna, o entre 300 K y 135 K en los polos de Marte. La temperatura sobre un cristalito de hielo, por ejemplo de dióxido de carbono, que se pueda crear en el espacio interestelar, puede simularse depositando el gas.

Sobre una ventana transparente de un criostato, que a través de un dedo frío, permite enfriar a 4 K.

Para las medidas de bajas temperaturas se emplean diodos de germanio y silicio, y para el resto de temperaturas hay un espectro amplísimo, que va desde distintos tipos de termopares, pasando por hilos de platino y acabando en Pirómetros ópticos.

Controlar la temperatura ambiental es un proceso más difícil de controlar de manera estable, aunque es relativamente sencillo monitorizarla. La temperatura como manifestación de la energía se transfiere mediante conducción, convección y radiación.

En entornos interplanetarios como en ultra alto vacío y vacío extremo sólo se transfiere mediante radiación, y en atmósferas planetarias normalmente mediante convección y radiación. Solamente se le añade la conducción en la superficie de los planetas. En una cámara de simulación juega un papel muy importante las dimensiones, ya que estas condicionan el volumen interno y la superficie de radiación, con lo que se convierte en el factor determinante a la hora de poder cambiar la temperatura ambiental de la atmósfera en función de la temperatura del contenedor, en este caso las paredes de la cámara de vacío.

En los sistemas de simulación es realmente complejo establecer una temperatura homogénea para un volumen relativamente pequeño (50 l), como en una cámara destinada a la verificación de sensores, por lo que se suele emplear es un intercambiador de calor interno refrigerado por nitrógeno líquido, acompañando una resistencia externa que recubre todas la paredes de la cámara y utilizando un gas con una alta movilidad como es el helio. De este modo se consigue una cierta homogeneidad de la temperatura ambiental en detrimento de la composición gaseosa original de la atmósfera planetaria.

Simulando la atmósfera de Marte con la cámara  de la UMA

La NASA cuenta con la UMA para explorar Marte

Los sistemas desarrollados para medir la temperatura ambiental están basados en conjuntos de sensores repartidos por todo el volumen de la cámara, y a la vez aislados térmicamente, para poder crear un mapa tridimensional de temperaturas en el interior de la cámara de vacío. Así, por ejemplo, la figura 2 representa una simulación mediante ordenador mostrando un diagrama de temperaturas de la cámara MARTE, cuando se resuelve la ecuación del calor en dos dimensiones mediante elementos finitos. Este estudio previo es necesario para poder entender cómo se comporta la temperatura ambiental antes de realizar una prueba experimental. En el caso de la figura 2 todas las paredes externas así como los anillos interiores se encuentran a temperatura ambiental de 300 K, la parte inferior del porta muestras a 77 K (refrigerado por nitrógeno líquido), y la superior a 150 K (controlado térmicamente mediante un controlador PID, Proporcional Integral Diferencial), en un ambiente a 7 mbar en atmósfera de Marte. La figura 2 muestra el gradiente de temperatura ambiental en función de la distancia, en un plano medio de la cámara, que cuenta con simetría cilíndrica en el eje central vertical.

“El clima de Marte es bastante más extremo que el que encontramos en la Tierra. Al estar mucho más lejos del sol, el frío es mucho mayor, con una temperatura en Marte media de -63 grados. Sin embargo,  las mínimas nocturnas pueden alcanzar fácilmente los -80 °C. Por contra,  las máximas diurnas, en el ecuador y en verano pueden superar los 20 grados. Como vemos, lo más destacable es la variación de temperatura, que ronda desde los -140 grados hasta los 30ºC.

Un dato curioso y muy similar a la Tierra es la duración de los días, siendo en Marte de solo 37 minutos más. Sin embargo, las estaciones duran diferente, teniendo un año marciano 687 días.”

 

No la pude trasladar aquí

Fig.2.

Representación de la temperatura, en el interior de la cámara
MARTE, en el plano central de la misma. (La cámara MARTE presenta
simetría cilíndrica en el eje central vertical).

Las fuentes de irradiación

Para concluir esta revisión de parámetros relevantes para la simulación de entornos espaciales, nos falta añadir la radiación. En el sistema solar la mayor parte de la radiación recibida en la superficie de los planetas es UV (ultravioleta), que es generada en el laboratorio normalmente mediante una fuente de xenón. En el caso de vacío inter-planetario, tenemos además electrones, iones y rayos X, que son generados en el laboratorio por fuentes de radiación específicas. Aunque las fuentes más comunes de electrones e iones tienen energías muy inferiores a las producidas por el viento solar pueden ayudar a hacerse una idea del tipo de alteraciones químicas que ocasionan.

Como hemos dicho cruzando todas estas variables generamos un entorno espacial. Entorno sobre el que podemos realizar multitud de estudios científicos y tecnológicos, apoyados en instrumentación específica como es el caso de interferómetros de Fourier en el infrarrojo FTIR y espectroscopia Raman, que nos permitan seguir en tiempo real los cambios químico-físicos que se producen.

La unidad de simulación de ambientes planetarios del CAB

Un ejemplo de aplicación de las ideas expuestas anteriormente lo podemos encontrar en la Unidad de Simulación de Ambientes Planetarios y Microscopia, del Centro de Astrobiología (centro mixto INTA-CSIC). El principal objetivo de la unidad es el de prestar apoyo técnico y tecnológico a los científicos usuarios del CAB y cualquier otro investigador interesado en la realización de experimentos
relacionados con el vacío y la simulación espacial.

No la pude trasladar

Fig.3. Fotografía de la Unidad de Simulación de Ambientes Planetarios
y Microscopia en el centro de Astrobiología (INTA-CSIC).

La unidad cuenta actualmente con diversas máquinas de vacío dedicadas a la simulación de diferentes sistemas espaciales. Cada una de ellas está concebida para estudiar distintas facetas de diferentes entornos. En este sentido, las más importantes y representativas son: PASC (Planetary Atmospheres Simulation Chamber), ISAC (Interstellar Astrochemistry Chamber), MARTE (Mars Simulation Chamber) y TUNEL (Túnel de viento en vacío). Pasaremos a describir las más representativas tecnológicamente en la simulación de ambientes planetarios e interplanetarios [11].

ISAC (InterstellarAstrochemistry Chamber)

La primera aplicación de simulación espacial la encontramos en la simulación de ambientes interestelares y circunestelares.

Uno de los objetivos científicos principales es el estudio de la naturaleza (las propiedades físico-químicas), el origen y la evolución de las partículas de polvo, de composición carbonácea/orgánica y/o mineral, en su periplo desde las atmósferas estelares, pasando por el medio interestelar hasta la nebulosa solar, para dar lugar a la formación de cometas, asteroides y planetas. Además se estudian las implicaciones astrobiológicas de dicha materia. Para tal fin es necesario entender la relación entre la materia observada en el espacio (radioastronomía y astronomía en el infrarrojo), la materia orgánica producida por procesos primarios (procesamiento fotónico e iónico de hielos) y simulaciones experimentales del procesamiento de hielos (annealing térmico e irradiación). ISAC ha sido diseñada para tal efecto.

Describiremos la tecnología y las aplicaciones de ISAC [12], que cuenta con el diseño y la tecnología adecuados para trabajar en presiones por debajo de 10-10 mbar. Combinando bombas de absorción sin evaporación (NEG), y sublimadoras de Ti podemos alcanzar presiones de 2 $ 10-11 mbar. Esta máquina incorpora un criostato que permite bajar la temperatura hasta 7 K. A esta temperatura, una mezcla de gases que se introduce en el sistema, como los que se han detectado en las nubes de polvo interestelar, forman una capa de hielo en el criostato. El hielo de composición análoga a los mantos de hielo interestelares se puede irradiar con una fuente de ultravioleta de vacío y espectro parecido a la radiación presente en el medio difuso interestelar. Al mismo tiempo, tanto la composición química del hielo como su alteración debida a la irradiación pueden estudiarse in situ mediante espectroscopia infrarroja (FTIR) en transmisión y Raman. Las moléculas que desorden del hielo durante el calentamiento (desorción térmica) o la irradiación ultravioleta (foto-desorción) son detectadas por QMS. El avance en nuevas bombas de absorción no evaporables, bombas NEG (Non Evaporable Getter), combinado con una optimización del volumen y una correcta disposición de las bombas de vacío así como una desgasificación de la misma en un horno de vacío en el proceso de fabricación, hace posible pasar de UHV a XHV, permitiendo, alcanzar presiones en torno a 10-11 mbar, en tan sólo 48 horas desde su puesta en marcha. Otro punto muy destacable y tecnológicamente viable pero complejo, es el de la preparación de mezclas de gases con una resolución en ppm (partes por millón), gracias al innovador diseño de una línea de gases que funciona con electroválvulas en condiciones de flujo laminar, mezcladores en vacío, monitorizados por un espectrómetro de masas o cuadru-polo en RF (radio frecuencia), que permiten una vez obtenida la composición deseada del gas, depositarlo por medio de una válvula de aguja en la cámara principal para formar el hielo de interés astrofísico. De este modo, es posible controlar el número de mono-capas que se desea depositar. PASC (Planetary Atmosphere Simulation Chamber)

La máquina de simulación PASC, [13,14], es un entorno de simulación para las condiciones de objetos planetarios con atmósferas. La característica principal de esta máquina es la versatilidad, de manera que el investigador puede definir cada uno de los parámetros para simular el entorno que desee. Esta máquina reproduce la presión atmosférica, composición gaseosa, temperatura e irradiación de la mayor parte de los planetas sólidos del sistema solar o en un entorno ficticio. La presión puede regularse entre 5 y 5 $ 10-9 mbar y la temperatura desde 4 a 325 K. El porta muestras está concebido para permitir introducir diferentes tipos de muestras y de diferentes tamaños, que vayan desde regolitos marcianos o terrestres, esporas, hielos o materiales utilizados en aeronáutica. La irradiación (UV) se realiza mediante una lámpara de deuterio. Uno de los principales retos tecnológicos de este diseño es que permite el encendido de fuentes de irradiación de electrones e iones a presiones de 10-2 mbar. Para ello se ha diseñado una cámara interior en la que se realizan dosetapas de bombeo diferencial, como se indica en la figura 5. Así, se puede enviar electrones sobre la muestra en estudio, por ejemplo, mientras que en la presión total es 10-2 mbar. Las aplicaciones científicas de la misma tienen mucho que ver con el comportamiento de muestras de origen biológico y geológico, en condiciones similares a las de Marte, Triton o Europa, algunos ejemplos pueden ser el comportamiento de absorción y desorción de CO2 en muestras minerales bajo ciclos de temperatura y radiación estacionales, disorción de vapor de agua en jarositas, estabilidad de fases minerales en Marte, estudio de resistencia radiactiva UV de biosensores, son algunos de los proyectos de investigaciónes recientes realizados en esta máquina.

4. MARTE

Veinte años ha tardado la NASA en volver a mostrar interés por Marte, este es el periodo de tiempo que hay entre las sondas Viking y el Mars Pathfinder (MPf). Durante este tiempo los científicos han estudiado las 57.000 imágenes de la Viking, que han permitido conocer la geología del planeta rojo con bastante exactitud. Sin lugar a dudas no hay planeta del sistema solar con mejores condiciones para albergar vida, extinta o actual, que Marte. Se parece a la Tierra en muchos aspectos; El proceso de su formación, la historia climática de sus primeros tiempos, sus reservas de agua y fenómenos geológicos como los volcanes [15,16]. Las misiones desde la MPf tienen un carácter de exploración física y ambiental del entorno, para lo cual la exploración no sólo se realiza con satélites y sondas como la Viking, sino también con rovers(pequeños vehículos todoterreno) que son capaces de recorrer la superficie marciana, cada vez con mayor autonomía. En las futuras misiones a Marte, no sólo por la NASA sino también por la ESA, se desea caracterizar la climatología, así como la búsqueda de vida primigenia, en la que mediante una tecnologíabasada en biosensores, se puedan analizar muestras in situ y de enviar los resultados a la Tierra en tiempo real.

La cámara de simulación de MARTE, está especialmente diseñada para estudiar condiciones marcianas e introducir muestras electrónicas reales. Para ello, se puede modificar la temperatura en el porta muestras en un rango entre 80 K y 450 K, y además es capaz de modificar la temperatura ambiental entre 200 K y 400 K y de generar “tormentas de polvo” en su interior. El principal objetivo de esta cámara es la de probar nuevos dispositivos electromecánicos “sensores”, por lo que su ámbito de aplicación se destina principalmente a la calibración de sensores e instrumentación ambiental que serán enviados al espacio en futuras misiones espaciales. El principal reto, está en poder combinar rangos de temperatura en el porta muestras distintos a los de la atmósfera, y cruzar esto con cambios bruscos de presión, mientras se mantiene la composición gaseosa de Marte. El porta muestras de MARTE, está diseñado para poder soportar dispositivos electromecánicos de grandes dimensiones usando la misma geometría de las mesas ópticas, y pudiendo ser enfriado y calentado desde el interior. En cuanto a la atmósfera el interior, de MARTE cuenta con unos anillos refrigeradores de nitrógeno líquido
que en función de la presión y la composición de la atmósfera permite enfriar la misma no sólo por radiación sino también por conducción y convección.

Además la cámara, está diseñada y construida para poder generar tormentas de polvo en su interior mediante un ingenioso sistema de deposición, que mediante la combinación de un tamiz vibratorio, la gravedad y la diferencia de presiones es capaz de producir una niebla de polvo de partículas de hierro, similar a las de Marte. Sobre todo este conjunto de posibilidades también hay unos pasamuros, en los que se pueden adaptar fuentes de luz halógenas y de xenón, siguiendo el esquema del movimiento del Sol en el hemisferio norte de Marte, de este modo simulamos la incidencia de la luz solar en función de la dependencia angular. Todo este complejo sistema se ha desarrollado para testear los sensores de la estación meteorológica REMS (Rover Environmental Monitoring Station), de lamisión MSL (Mars Science Laboratory) de la NASA, así como otros proyectos para la ESA, como ExoMars. El proyecto REMS, lo compone una estación meteorológica formada por sensores de radiación ultravioleta, sensor de presión, sensor de temperatura del suelo, sensor de temperatura ambiental, y sensor de viento. En cuanto al vacío, la cámara MARTE puede trabajar en dinámico o en estático, en dinámico cuando las condiciones de temperatura tanto del porta muestras como del interior modifican las condiciones de presión, y en estático cuando lo que interesa es cambiar el volumen sin modificar las condiciones de temperatura, como ocurre cuando se desea verificar la resolución del sensor de presión (calibración y tiempo de respuesta) en incrementos de presión a partir de 0.05 mbar.

Conclusión

El avance en la tecnología del vacío, dado por la consecución de presiones cada vez menores, es debido no sólo a las mejoras de las bombas, sino también al avance en materiales contenedores de vacío, “cámaras”, con presiones de vapor y permeabilidades cada vez más bajas. Este desarrollo unido a sistemas de medida más precisos y fiables en rangos extremos, ha permitido que sea posible estudiar la
materia condicionada por fenómenos atmosféricos, que ocurren en objetos planetarios con un gran interés científico, y que están situados a cientos de miles de kilómetros de la Tierra, y de dar credibilidad a los resultados en los sistemas experimentales. La experiencia ha demostrado que la simulación no es sólo un recurso de innovación tecnológica, sino también una herramienta útil, que permite validar la responsabilidad de las misiones espaciales, que debido al alto coste de las mismascondicionan su propia viabilidad. Del fruto de la simulación de algo tan complejo y tan vasto como es un sistema climático, en el que una mínima variación de un parámetro condiciona el comportamiento global del sistema, estamos obteniendo un gran provecho tecnológico, que nos permitirá en un futuro cada vez más cercano verificar nuestros propios resultados, y realizarnos preguntas sobre fenómenos que ni siquiera podemos conocer.

6. Agradecimientos

Queremos agradecer a las empresas Tecnovac SL y Maques SL el gran esfuerzo técnico y tecnológico, así como su colaboración desinteresada, realizado durante la construcción de algunos de los sistemas de simulación que se describen en este artículo. También agradecemos a José Flores del ICMM-CSIC, por su tiempo, experiencia y dedicación en la construcción de cámaras y componentes de vacío, a Andrés Buendía de la UAM por sus consejos en criogenia y principalmente, a nuestros compañeros Eva Mateo Martí, Pablo Merino, Guillermo Muñóz Caro, Antonio Jimeneéz, Elena López, y Celia Rogero por su dedicación y responsabilidades la explotación de las máquinas de la unidad de simulación de ambientes planetarios y microscopia de CAB.

Referencias bibliográficas

[1] Física y Sociedad. nº18, Especial sobre Astronáutica: 50 años
después del Sputnik
[2] GILES SPARROW. Astronáutica, La historia desde el Sputnik
al transbordador y más allá, Editorial Akal.
ISBN: 9788446029472.
[3] CARL SAGAN. Un punto azul pálido: Una visión del futuro
humano en el espacio. Editorial Planeta. 2006.
ISBN: 9788408059073.
[4] LORI C. WALTERS. To Create Space on Earth: The Space
Environment Simulation Laboratory and Project Apollo.
NASA/CR-2003-208933.
[5] http://www.cab.inta.es
[6] JOHN F. O´HANLON. A user´s guide to vacuum technology.
Editorial Wiley, Third Edition. ISBN: 9780471270522.
[7] ROMAN SMOLUCHOWSKI. El sistema solar. Biblioteca Scientifi c
American, ISBN: 9788475930138.
[8] La NASA dispone de datos sobre el viento solar en tiempo
real a través del satélite ACE, lanzado en 1997. La variación
del viento solar en tiempo real puede encontrarse en la página
web del satélite.
[9] KARL JOUSTEN. Pressure Measurement with ionization
Gauges. Physikalisch-Technische Bundesanstalt. Berlin.
[10] NICK SCOVILLE Y JUDITH S. YOUNG, Nubes moleculares,
formación de estrellas y estructura galáctica. La vida
de las estrellas, TEMAS 7 de Investigación y Ciencia.
ISBN: 9778411355668-0007.
[11] http://www.electronvoltio.com
[12] G.M. MUÑOZ-CARO, J.A. MARTÍN-GAGO, C. ROGERO,
J.M. SOBRADO, C. ATIENZA, S. PUERTAS. The Interstellar
Astrochemistry Chamber (ISAC). WSPC – September 9, 2008
[13] E. MATEO-MARTÍ, O. PRIETO-BALLESTEROS, J.M. SOBRADO,
J. GÓMEZ-ELVIRA AND J.A. MARTÍN-GAGO. A chamber for
studying planetary environments and its applications to
astrobiology. Meas. Sci. Technol. 17 (2006) 2274–2280.
[14] MARTIN REES. Universo, La guía visual defi nitiva. Editorial
Pearson de Alhambra. ISBN: 8420551414.
[15] PHILIP R. CHRISTENSEN, Estratigrafía y relieve de Marte.
Planetas. TEMAS 53 de, Investigación y Ciencia, Tercer
trimestre del 2008. ISBN: 9778411355668-00053
[16] TIM BEARDSLEY, Paseo Planetario, Marte. Sistemas Solares.
TEMAS 15 de Investigación y Ciencia, Primer trimestre de
1999. ISBN: 9778411355668-00015.

Jesús Manuel Sobrado
Centro de Astrobiología. CSIC-INTA
Unidad de Simulación de Ambientes Planetarios y Microscopía
(sobradovj@inta.es)
José Ángel Martín-Gago
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. CSIC,
(gago@icmm.csic.es)

Nota: Si quieren leer el original y verlos gráficos, sólo tienen que poner en Google el Título de arriba y pulsar buscar. Enlace

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« Matemáticas que describen la Naturaleza

Muchas veces hemos hablado del electrón que rodea el núcleo, de su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; tiene una masa de  1/1.836 de la del núcleo más ligero (el del hidrógeno). La importancia del electrón es vital en el .

El núcleo atómico es la parte central de un átomo tiene carga positiva, y concentra más del 99.99% de la masa total del átomo.  fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) que coexisten en el núcleo atómico venciendo a la repulsión electromagnética  los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.

Hasta ahí, lo que es el núcleo. Sin embargo, la existencia de los átomos que  las moléculas y los cuerpos -grandes y pequeños- que conforman los objetos del universo, es posible gracias a los electrones que, rodean el núcleo atómico y, al tener carga negativa similar a la positiva de los protones, crean la estabilidad necesaria  que todo nuestro mundo sea como lo podemos observar.

      Los cuantos  cosas bellas y útiles como el ozono atmosférico

Pero busquemos los “cuantos”. La física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos  a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menor intensidad, por los objetos más fríos (radiación de cuerpo negro).

Según la física clásica, la energía radiada debería ser igual  todas las longitudes de onda, y al aumentar la temperatura, la radiación debería ser uniformemente más intensa. Para explicar esto, Planck supuso que cada una de las partículas que constituyen la materia, está oscilando y emitiendo energía en forma de radiación electromagnética; esta energía emitida no  tomar un valor cualquiera, sino que debe ser múltiplo entero de un valor mínimo llamado cuanto o paquete de energía.

La energía de un cuanto viene dada por la expresión:

donde:

v (ni) es la frecuencia de la radiación emitida; y h es una constante llamada constante de acción de Planck, cuyo valor es:

La hipótesis de Planck introduce el concepto de discontinuidad en la energía, igual que hay discontinuidad en la materia.

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si utilizamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de una radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para menores. Esta longitud de onda característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273º  cero). Cuando a 1.000º C un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación  podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de onda, y por tanto, proporcional a la frecuencia de radiación emitida. La fórmula es E = hν, donde E es la energía del paquete, ν es la frecuencia y h es una  constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo esta nueva , el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

 Sabemos que la corriente eléctrica es el movimiento de electrones, siendo éstos portadores de cargas eléctricas negativas. Cuando los electrones se mueven, se origina una corriente eléctrica. La corriente es igual al  de cargas en movimiento entre un intervalo de tiempo.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló  teoría de una manera mucho más tajante: él sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos del paquete de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia ν de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los  de luz deberían verse como una clase de partículas elementales: el fotón. Todas  demás clases de partículas llevan asociadas  diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza.

También en el movimiento de los átomos dentro del núcleo,  presente la simetría y la belleza de la Naturaleza.

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de de Broglie. Poco después, en 1926, Edwin Schrödinger  cómo escribir la teoría ondulatoria de de Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de ondas cuánticas”.

Está bien comprobado que la mecánica cuántica funciona de maravilla…, pero, sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿qué significan realmente estas ecuaciones?, ¿qué es lo que están describiendo? Cuando Isaac Newton, allá en 1867 formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro  todo el mundo qué significaban sus ecuaciones: que los planetas estaban siempre en una posición bien definida des espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades en el tiempo.

Pero  los electrones todo es diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en misterio. Es como si pudieran “existir” en diferentes lugares simultáneamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto pequeño. Si se realizan experimentos con suficiente precisión, se  determinar que el electrón parece capaz de moverse simultáneamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. ¿Qué puede significar todo esto?

Niels Bohr consiguió responder a esta pregunta de forma tal que con su explicación se pudo seguir , y muchos físicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica que, dicho sea de paso, con la que no todos están de acuerdo.

 

En mecánica cuántica, la relación de indeterminación de Heisenberg o principio de incertidumbre establece la imposibilidad de que determinados pares de magnitudes físicas observables y complementarias sean conocidas con precisión arbitraria

 leyes de la mecánica cuántica han sido establecidas con mucha precisión; permite cómo calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos “interpretar” el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las partículas pequeñas no pueden estar bien definidas de manera simultánea. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha precisión, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o a la inversa, podemos determinar la posición con precisión, pero entonces su velocidad queda mal definida. Si una partícula tiene espín (rotación alrededor de su eje), la dirección alrededor de la cual  rotando (la orientación del eje) no puede ser definida con gran precisión.

No es fácil explicar de forma sencilla de dónde viene esta incertidumbre, pero existen ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duración en el tiempo durante el cual oímos el tono tienen una incertidumbre mutua similar. Para afinar un instrumento musical se debe escuchar una nota durante un cierto intervalo de tiempo y , por ejemplo, con un diapasón que debe vibrar también durante un tiempo. Notas muy breves no tienen bien definido el tono.

Para que las reglas de la mecánica cuántica funcionen, es necesario que todos los fenómenos naturales en el mundo de las cosas pequeñas estén regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuando más grande y más pesado es un objeto, más difícil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento “clásicas” debidas a la mecánica cuántica. Me gustaría referirme a  exigencia tan importante y tan peculiar de la teoría con la palabra “holismo”. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos filósofos por holismo, y que podría definir como “el todo es más que la suma de sus partes”. Si la física nos ha enseñado algo es justo lo contrario. Un objeto compuesto de un gran  de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (partículas); basta que sepamos sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero sólo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes. Por ejemplo,  la constante de Planck, h, que es igual a 6’626075… × 10^-34 Julios segundo, debe ser exactamente la misma  cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal, no importa en qué galaxia la podamos medir.

Einstein y otros pioneros de la Mecánica Cuántica, tales como Edwin Schrödinger…, creían que hay más de lo que se ve…

 reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisemberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros como Erwin Schrödinger siempre presentaron serias objeciones a  interpretación. Quizá funcione bien, pero ¿Dónde está exactamente el electrón?, ¿en el punto x o en el punto y? En pocas palabras, ¿Dónde está en realidad?, y ¿Cuál es la realidad que hay detrás de nuestras fórmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las únicas realidades de las que podemos hablar.

La mecánica cuántica puede ser definida o resumida así: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos  se puede predecir el resultado de cualquier experimento, en el sentido que la predicción consiste en dos factores: el primer factor es un cálculo definido con exactitud del efecto de las fuerzas y estructuras, tan riguroso como las leyes de Isaac Newton para el movimiento de los planetas en el Sistema Solar; el segundo factor es una arbitrariedad estadística e incontrolable definida matemáticamente de forma estricta.

Las partículas seguirán una distribución de probabilidades dadas, primero de una forma y luego de otra. Las probabilidades se  calcular utilizando la ecuación de Schrödinger de función de onda (Ψ) que, con muchas probabilidades nos indicará el lugar probable donde se encuentra una partícula en un momento dado.

Muchos estiman que esta teoría de las probabilidades desaparecerá cuando se consiga la teoría que explique, de  completa, todas las fuerzas; la buscada teoría del todo, lo que implica que nuestra descripción actual incluye variables y fuerzas que (aún) no conocemos o no entendemos. Esta interpretación se conoce como hipótesis de las variables ocultas.

Albert Einstein, Nathan Rosen y Boris Podolski idearon un “Gedankenexperiment”, un experimento hipotético, realizado sobre el papel,  el cual la mecánica cuántica predecía como resultado algo que es imposible de reproducir en ninguna teoría razonable de variables ocultas. Más tarde, el físico irlandés John Stewar Bell consiguió convertir este resultado en un teorema matemático; el teorema de imposibilidad.

emilio silvera

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