Apuntes científicos desde el MIT

¡Otro fichaje! Roberto Guzmán es físico e ingeniero de materiales, y cuando nos hicimos amigos en el MIT siempre me explicaba freakadas interesantísimas provenientes del mundo de la tecnología. Pero lo que más me gustaba es que no se quedaba en la anécdota. Sus conocimientos científicos le permitían dar un contexto y valorar en detalle si era algo símplemente curioso o un gran avance. Esperemos que se suelte, y periódicamente nos explique lo último de lo último de la tecnología, un espacio poco cubierto en el blog.

El principio de flexibilidad – uno de los pocos que tiene este blog – hace sin embargo que hoy Roberto inaugure con un post de menor carácter tecnológico, y aproveche su asistencia a un evento con los astronautas Aldrin y Armstrong del Apollo 11 para plantear un tema de preactualidad: la exploración espacial. Utilizo este término porque pronto empezaréis a escuchar noticias sobre el 40 aniversario de la llegada del hombre a la Luna que tendrá lugar el próximo 20 de julio.
Sin querer quitar protagonismo a Roberto, ¿de qué creéis que se hablará más? ¿de la teoría conspirativa según la cuál todo fue un montaje y Armstrong nunca pisó a la luna? ¿o de si vale la pena invertir una millonada de dólares en repetirlo e incluso ir a Marte?

¿CUÁLES SON LOS SIGUIENTES RETOS DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL?, por Roberto Guzmán de Villoria

Cuando se nos pregunta el porqué invertir dinero en investigación y se habla de medicina, informática o avances en ingeniería, todo el mundo suele estar de acuerdo en que está completamente justificado. Sin embargo cuando se habla de investigación espacial, la opinión general no es tan unánime, más aún cuando nos encontramos en una crisis como la actual. Tal cual están las cosas, no parece tener mucho sentido gastar parte de los impuestos en buscar vida en otros planetas y mucho menos mandar astronautas al espacio. Conscientes de la decreciente popularidad que tiene hoy en día la exploración espacial, un simposio como “Giant Leaps”, donde se podía encontrar a Buzz Aldrin o Neil Armstrong (aunque sólo acudió a un memorial previo), parecía una ocasión ideal para plantear el futuro de la investigación espacial, y conocer de primera mano hacia donde se dirige.
Maria Zuber responsable del Departamento de Tierra, Atmósfera y Ciencias Planetarias del MIT , y la posterior mesa redonda, se encargaron de mostrarnos próximos retos.

1. Estudio de la fisiología y el comportamiento humano en condiciones de baja gravedad.
Realmente importante desde el punto de vista de la exploración espacial con humanos, más cuando se piensa en estancias largas. En este sentido la Estación Espacial Internacional está siendo fundamental. Aunque se planea utilizar robots, todavía se está muy lejos de conseguir la versatilidad de un ser humano. Evidentemente es un campo científico con menos utilidad para los no astronautas.

2. Medida de la variabilidad solar.
Aparte de la importancia que tiene para nosotros, como ya se explicó en un interesante post , en el caso de la investigación espacial es necesario conocer la predicción del tiempo espacial evitando por ejemplo tormentas solares que pueden incomunicar la nave o el satélite.

3. Determinar la extensión y la composición del universo.
Se piensa que el 73% del universo está formado por una forma hipotética y misteriosa de energía llamada energía oscura que hace que el universo se expanda cada vez más deprisa, y el 22% por materia oscura, una materia indetectable con los medios actuales salvo por su efecto gravitacional en otras particulares (es decir, una materia con masa, pero "invisible"). Si esto es así, y además no se ha probado la existencia de ambas, significa que no conocemos muy bien de que está compuesto el universo. El observar el límite del universo daría muchísima información de su formación, pero dudo que se puede hacer en un tiempo.

4. Descubrir otras Tierras.
Bueno, escrito así suena un poco a ciencia ficción, pero es cierto que el periodo interglaciar que estamos viviendo y hace posible la vida (y que no nos congelemos) no va a durar siempre. La última edad de hielo fue hace 10 000 años. El último gran meteorito que impactó la tierra, se estima que fue hace 65 millones de años (probablemente el causante de la desaparición de los dinosaurios). En cualquier caso el sol consumirá la tierra en unos 5 mil millones de años, haciéndola inhabitable mucho antes. Aunque parece que hay bastante margen (bueno, eso sin tener en cuenta el factor humano) , de momento sólo se ha conseguido llevar astronautas por largos periodos de tiempo a la Estación Espacial Intenacional que está a unos 480 Km de distancia. Así que tarde o temprano hay que empezar a investigar si existen planetas habitables con el fin de encontrar propiedades similares a la tierra. De momento la tecnología que tenemos de naves espaciales no da para mucho, así que hay que conformarse con buscarlos mediante telescopios "coronograph " de luz visual y de interferometría infrarroja, y así realizar un “censo” de planetas de tamaños similares a la tierra, situados a distancias similares de su sol y con atmosferas de composición semejante. El programa de la NASA se llama "Terrestrial Planet Finder " y se espera lanzar el primer telescopio para el 2014.

5. Preservar nuestro planeta.
Como una vez me dijo un profesor de matemáticas, puedes observar la piel de un elefante con una lupa durante horas, pero sólo si te alejas te darás cuenta que es un elefante. Con la Tierra ocurre lo mismo. Si existen potentes telescopios que se dedican a buscar planetas similares a la tierra, ¿por qué no usar esa potente tecnología para saber qué ocurre con nuestro planeta?. Se está estudiando la estructura de las capas de hielo de la Antártida y como están evolucionando. Queda mucho por investigar sobre fenómenos geológicos, siendo muy útil lo que se denomina "Estudio comparativo de los planetas". El planeta más semejante y cercano es Marte, y la mayor ventaja en estudiarlo respecto a la Tierra, es un motivo tan ridículo como real. Al no existir países ni gobiernos, no hay problemas políticos ni de seguridad para poder estudiar el planeta a sus anchas…una lástima para la ciencia.

6. Búsqueda de vida extraterrestre.
En los últimos años siempre se habla de Marte, hay indicios de que existe agua en su superficie, por lo que es probable que pudiera existir algún ser vivo primitivo (microorganismos). Pero la búsqueda va algo más lejos, ¿es posible encontrar indicios de vida en otros lugares en nuestro sistema solar? De momento los candidatos son una luna de Saturno, Titán; y otra de Júpiter, Europa. En Titán se han encontrado lagos de metano e incluso lluvia de éste durante el verano . Desde luego no parece un paraíso para vivir un sitio lleno de metano, que en ese caso es líquido debido a las bajas temperaturas (alrededor de los -180 C). El interés radica en el origen de este metano , ya que puede ser de origen orgánico (liberado por los seres vivos durante la digestión de los nutrientes, especialmente los rumiantes, o mejor dicho las bacterias de sus intestinos) o de origen geológico. En cualquier caso parece una hipótesis poco probable, aunque posible . Parece más interesante Europa , la sexta luna de Júpiter, de tamaño similar a nuestra luna. En este se piensa que bajo una superficie de hielo la temperatura es de -160 C podría haber un océano de agua líquida...agua líquida a tan bajas temperaturas...una hipótesis es que Jupiter produjera mareas que calentarán el agua a modo de océanos subterráneos. Como curiosidad hoy se han publicado evidencias de un océano subterráneo en otra luna de Saturno, Encélado .

Así que cómo se puede ver, todavía queda bastante por hacer en el espacio, aunque el siguiente gran reto, del mismo nivel mediático que el Apollo 11 es …rumbo Marte.

A Roberto lo descubrimos en uno de los primeros posts del blog.
Ayer le volví a visitar en el laboratorio del departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT, donde este físico e ingeniero de materiales salmantino realiza su investigación post-doctoral en nanofibras de carbono.
Me habló de aerogeles, nanotubos, microfabricación, y de los nuevos materiales que están testando para incrementar la resistencia en los trajes de los jugadores de fútbol americano. Y acordamos que mensualmente nos iría presentando en este blog algunos de los avances tecnológicos que poco a poco se irán implantando en nuestras vidas.
Ah! dice que acepta peticiones…

Bio-inspiracion: Flor de loto y patas de salamanquesas, por Roberto Guzmán de Villoria

Quien se dedica a la ciencia sabe que una de las funciones indirectas del investigador es el dar presentaciones de los proyectos que uno realiza. Se suele ir en traje y dependiendo de la importancia de la ponencia, uno duerme mejor o peor. La mayoría de las veces son lejos de casa e incluso con diferente horario, por lo que lo único que ayuda a despejarse es un poco de café. El problema es cuando lo tomas justo antes de la ponencia y cae una gota en medio de la camisa… Resulta increíble que en pleno siglo XXI, después de la teoría de cuerdas , transmitir electricidad sin necesidad de cables o incluso vender sprays que sirven para enamorar a la gente (esto sigo sin creérmelo), uno tuviera que preocuparse todavía de las manchas de café (es curioso el efecto hipnótico que tiene ese punto en tu camisa blanca durante una presentación. Estad seguros que todos se han dado cuenta, por pequeño que sea).
Así que tanta alta tecnología, pero la mayoría de los problemas cotidianos siguen sin resolverse.

Bueno, no todos. En este caso la naturaleza nos lleva millones de años de ventaja, con el denominado efecto flor de loto.
Este efecto es la capacidad que tienen estas hojas de no mojarse, quedando el agua en forma de gotas en su superficie y resbalando hasta caer, lo que hace que arrastren el polvo o la suciedad, manteniéndose de esta forma siempre limpias. Puede que sea a causa de este efecto por el que en el budismo la flor de loto se asocia a la pureza. Sin embargo no fue hasta los años 70 cuando Wilhelm Barthlot , un botánico que caracterizaba plantas mediante microscopía electrónica, descubrió porqué en algunas el agua se extendía por su superficie y porqué en otras se formaban gotas casi perfectas. Observando la microestructura de las hojas descubrió que aquellas con superficie más rugosa eran las que peor se mojaban. Básicamente lo que ocurre es que las hojas que no se mojan están recubiertas por una estructura formada por micromontículos. Estos micromontículos serían semejantes a las agujas de un colchón de faquir, reduciendo la superficie de contacto con el agua. Si además estos micromontículos están recubiertos por miles de nanopelos, el agua no sólo no moja la superficie, sino que además se desliza por ella, tal y como se ha demostrado recientemente.
Lo interesante de esta estructura es reproducirlo artificialmente y así crear superficies repelentes del agua, bien en pinturas, ya desarrolladas por el propio Barthlot, hasta en tejidos ya comercializados, donde diminutas nanofibras son adheridas a la superfice de fibras tradicionales, como el algodón.

La presencia de millones de nanoestructuras en una superficie rugosa tiene muchas ventajas además de la hidrofobicidad observada entre la hoja rugosa y la gota de agua. Veamos qué ocurre en el caso de la salamanquesa.

Estos animales tienen la increíble capacidad de escalar por todo tipo de superficies, una propiedad muy atractiva para muchas aplicaciones robóticas. Quien haya sido suficientemente rápido de capturar una y observar sus patitas, habrá podido ver que su piel es muy rugosa, recorrida por unas bandas laterales de algo menos de un milímetro de anchura. Cada una de estas bandas está compuesta por unos pelillos, pudiendo llegar al medio millón por patita. A su vez cada uno de estos pelillos está formado por una especie de cucharillas diminutas, del orden de nanómetros. Toda esta estructura de nanocucharillas flexibles hace que la patita de una salamanquesa pueda tener un billón de puntos de contacto. Sin embargo el mecanismo de adhesión no es tan obvio. En un principio se pensó que podría ser por fuerzas capilares (las mismas que hacen que el agua sea “succionada” por una servilleta), pero se comprobó que estructuras similares en ausencia de humedad también se adhieren eficazmente. Otra opción también descartada sería un posible mecanismo de activación muscular (para quien tenga curiosidad, ya se ha probado que una salamanquesa muerta también se queda pegada al techo de un laboratorio). Hay que subrayar que la adhesión de estos animales es muy eficiente. Se ha comprobado que, si estuvieran en contacto todas las nanocucharillas a la vez, se podrían colgar hasta 120 kilos .

El mecanismo principal al que se atribuye la adhesión de sus extremidades son las fuerzas de Van der Vaals . Aunque son fuerzas muy débiles y sólo efectivas a distancias muy cortas (del orden de nanómetros, 10E-9 m), el tener billones de esas nanocucharillas en contacto con una superficie hace que este efecto se multiplique espectacularmente. La principal ventaja de la estructura de nanocucharillas de la salamanquesa es su adaptación a la microrugosidad de cualquier superficie (incluso el vidrio más liso está lleno de microvalles y micromontañas a escala microscópica), de forma análoga a las cerdas del cepillo de dientes que se adaptan a los recovecos de las muelas. A raíz de estas observaciones, el Instituto Max Planck decidió analizar la adhesión de distintos animales con capacidad de escalar, como moscas o arañas, concluyendo que a mayor masa del animal más nanoestructuras por unidad de área necesita.

Evidentemente el campo de aplicación de este descubrimiento es amplísimo, aunque para ello hay que reproducir primero este efecto en un laboratorio y posteriormente en un producto comercial. Se han llegado a hacer nanopilares de plástico (polipropileno) aunque sólo un área muy pequeña (varios centímetros cuadrados).

El problema de estos pilares es que enseguida se llenan de suciedad, por lo que es necesario que sean repelentes al agua y reusables. Se han hecho algunos experimentos con nanotubos de carbono y parece que se están consiguiendo prometedores avances.
Posibles aplicaciones podrían surgir en campos desde la automoción (como el coche de la imagen, aunque es una miniatura en este caso) hasta la medicina, en el caso de pilares plásticos para cerrar incisiones en cirugía sin utilizar ningún pegamento.

Las superficies autolimpiables o las adherentes son sólo ejemplos en los que la naturaleza ha inspirado dos nuevas tecnologías, aparentemente similares. Otras nuevas se han creado o están surgiendo adaptando soluciones que la naturaleza ha encontrado millones de años atrás, constituyendo una disciplina que se denomina bio-inspiración. Y a quien le interese este tema, y en particular las salamanquesas, un vídeo que muestra otra cualidad de estos animales también muy interesante para la robótica.