Nuevos materiales en el espacio




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Retinas artificiales


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16. Un diagrama esquemático de la retina, la capa sensible a la luz que cubre el 65% de la superficie interior del ojo. Los científicos tienen la esperanza de reemplazar los bastones y conos defectuosos en la retina, con microdetectores de cerámica. Foto: NASA

n la parte posterior del interior de un ojo humano sano encontraremos millones de bastones y conos. Son las celdas solares biológicas de la retina (ver figura 16), capaces de convertir la luz en un impulso eléctrico que viajará a lo largo del nervio óptico hasta el cerebro, donde se forma la imagen. Sin ellos, estamos ciegos. Así es, mucha gente es ciega –o ha quedado ciega– debido a fallas en el funcionamiento de bastones y conos. La retinitis pigmentosa y la degeneración macular son dos ejemplos de esta clase de enfermedades. La retinitis pigmentosa tiende a ser hereditaria y puede hacerse presente a temprana edad, mientras que la degeneración macular afecta principalmente a los ancianos. Juntas, estas enfermedades afectan a millones de personas; los efectos de ambas enfermedades son graduales y pueden conducir a la ceguera total.

Algunos científicos experimentan con delgadas películas fotosensibles de cerámica, que reaccionan a la luz en forma parecida a como lo hacen los bastones y conos. Piensan que combinaciones de este tipo de películas podrían ser implantadas en ojos humanos, para recobrar la visión perdida.

La mayor parte de los intentos realizados hasta el momento se han basado en fotodetectores de silicio, Si. Pero el silicio es tóxico para el cuerpo humano y reacciona desfavorablemente con los fluidos del ojo. Sin embargo las investigaciones que se han realizado en el espacio han permitido fabricar detectores cerámicos. Estos detectores son películas delgadas, formadas átomo por átomo y capa por capa sobre un substrato que tienen mejores propiedades ópticas. Se sintetizan películas delgadas de óxido, utilizando el oxígeno atómico presente en la órbita baja de la Tierra como agente oxidante natural. Los detectores de cerámica son muy semejantes a las películas ultradelgadas que se utilizan en los chips de los computadores modernos. Los conjuntos son fijados en una estructura hexagonal, imitando la forma como se ordenan los bastones y conos que deberán remplazar.

La distribución natural de los detectores resuelve otro problema que afectaba la anterior investigación con silicio: la obstrucción del flujo de nutrientes en el ojo. Todos los nutrientes que alimentan el ojo fluyen de atrás hacia adelante. Si se implanta una estructura grande e impenetrable, como los detectores de silicio, en el ojo, los nutrientes no pueden circular y el ojo se atrofiará. Los detectores de cerámica son unidades individuales con un tamaño de cinco micrones (el tamaño exacto de los conos), que permiten que los nutrientes fluyan a su alrededor (ver figura 17).

Las retinas artificiales construidas en el espacio consisten en 100 000 minúsculos detectores de cerámica, cada uno con 1/20 del grueso de un cabello humano. Este conjunto es tan pequeño que los cirujanos no pueden manipularlos sin dañarlos. Por esta razón, los detectores son adheridos inicialmente a una película de polímero con un tamaño de un milímetro por un milímetro. Unas dos semanas después de la inserción en el ojo, la película de polímero se disuelve dejando libres los detectores.

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17. Esta delgada película de microdetectores de cerámica de primera generación, donde cada uno tiene unos 30 micrones, es adherida a un polímero portador, que ayuda a los cirujanos a manipularlos. La imagen de fondo muestra conos humanos con tamaños entre 5 a 10 micrones en una distribución hexagonal. Foto: NASA
os científicos aún no están seguros sobre cómo el cerebro interpretará los voltajes poco usuales de los bastones y conos artificiales. Creen que el cerebro eventualmente se adaptará. Sin embargo, puede que un lento proceso de aprendizaje sea necesario, semejante a la forma en que los niños pequeños aprenden a distinguir formas y colores por primera vez. En cualquier caso será un gran avance que permitirá a millones de personas ciegas recobrar parte de su capacidad visual en los próximos años.

Superconductores


Los superconductores son materiales que no presentan resistencia al paso de la corriente eléctrica. En teoría, un aro de alambre de superconductor podría transportar una corriente circulante para siempre, sin necesitar nunca una fuente de poder para mantenerla en movimiento. En los conductores normales, tales como el alambre de cobre, los átomos del cobre impiden el libre flujo de los electrones, absorbiendo la energía de la corriente y desperdiciándola como calor (efecto Joule).

Los primeros superconductores fueron descubiertos en 1911 y eran metales simples como el mercurio y el plomo. Eran conductores ordinarios a temperatura ambiente, pero se convertían en superconductores cuando la temperatura caía hasta unos pocos grados (3 K) sobre el cero absoluto. Estos superconductores eran demasiado fríos para muchas aplicaciones prácticas. Desde entonces los investigadores han estado intentando averiguar como hacer sustancias superconductoras a temperatura ambiente (aproximadamente 273 K). Los superconductores de alta temperatura operan alrededor de los 100 a 150 K. Eso es muy frío comparado con el aire que nos rodea, pero mucho más cálido que los superconductores originales de 1911. Por eso los llamamos superconductores de alta temperatura.

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18. Comparación de un alambre de cobre en el centro con los alambres de los nuevos superconductores cerámicos. Foto: MetOx
ocas tecnologías han disfrutado alguna vez de una celebridad similar a la de una estrella de rock, como la que los superconductores recibieron en la década de los años 1980. Los titulares a lo largo del mundo anunciaron con bombos y platillos el descubrimiento de superconductores de “alta temperatura” (HTS, por sus siglas en inglés), y tanto los medios como los científicos por igual hablaban con entusiasmo acerca de las maravillas que podríamos esperar en un futuro cercano gracias a esta nueva y prometedora tecnología. Trenes levitantes viajando a 500 km/h, computadores ultrarrápidos, y una electricidad más barata y más limpia serían apenas el comienzo de su larga e ilustre carrera. Pero hubo problemas.

El problema principal fue aprender a hacer alambres con este material. Los superconductores están hechos de cerámica, la misma clase de material de que están hechas las tazas de café. La cerámica es dura y quebradiza. Encontrar la forma de hacer alambres largos y flexibles con ella iba a ser muy difícil. El llamado alambre HTS de “primera generación” era relativamente costoso: de 5 a 10 veces el costo del alambre de cobre. Más aún, la cantidad de corriente que podía transportar estaba muy lejos de su potencial: apenas 2 o 3 veces la del cobre, contra un potencial más de 100 veces mayor.

Ahora, gracias a años de investigación que incluyen experimentos espaciales, esto está a punto de cambiar. Se está buscando un alambre HTS de “segunda generación” que obtenga un aumento de capacidad 100 veces mayor que la del cobre y cuya producción cueste igual a la de este metal. Básicamente, el alambre se forma haciendo crecer una fina película del superconductor, de solamente unos pocos micrones (milésimas de milímetro) de espesor, sobre una base flexible. Este bien conocido método de producción fue mejorado en parte gracias a los experimentos desarrollados en el Transbordador Espacial para aprender sobre el crecimiento de las películas delgadas en el vacío extremo del espacio. Se aprendió cómo hacer crecer películas delgadas de óxido de alta calidad en estos experimentos, y se ha utilizado en los laboratorios terrestres para mejorar la calidad de las películas superconductoras (ver figura 18).

Las aplicaciones son múltiples:

  • Hoy en día, alrededor del 6 al 7% de la electricidad generada se pierde a lo largo de su camino hacia los consumidores, debido en parte a la resistencia de las líneas de transmisión. Si se reemplazaran las líneas con alambre superconductor la eficiencia de las instalaciones aumentaría, y esto significaría un gran avance en el camino hacia la reducción de las emisiones de gases de invernadero.

  • La nueva industria del tren de levitación magnética daría también la bienvenida a la disponibilidad de un alambre HTS más barato y de mayor calidad.

  • El sistema de barrido (escáner) MRI, una poderosa herramienta para el diagnóstico médico, utiliza electroimanes superconductores para generar imágenes detalladas de los tejidos corporales. La mayoría de las máquinas MRI actuales requieren el costoso helio líquido para enfriar su alambre superconductor de baja temperatura.

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    19. Imagen de escáner MRI. Foto: NASA
    a NASA está investigando el uso de superconductores en el espacio. Por ejemplo, los giróscopos que mantienen orientados a los satélites podrían utilizar cojinetes sin fricción hechos con imanes superconductores, mejorando la precisión de los satélites. Los motores eléctricos a bordo de las naves espaciales podrían, de igual manera, tener apenas un cuarto o un sexto del tamaño de los motores no superconductores, ahorrando un volumen y peso considerable en el diseño de las mismas.

  • Si alguna vez establecemos una base en la luna, los superconductores serían una elección natural para la generación y transmisión eficiente de energía, ya que la temperatura ambiente llega a descender a los 100 K (–173 ºC) durante la noche lunar, justo la temperatura correcta para la operación del HTS. Y durante un viaje de meses con destino a Marte, una máquina MRI “de mesa” hecha posible gracias al alambre HTS sería una poderosa herramienta de diagnóstico para ayudar a asegurar la salud de la tripulación.

En los próximos años, la fabricación de estos nuevos superconductores se traducirá en mejoras en docenas de industrias, desde la generación de electricidad hasta el cuidado médico.

Bibliografía


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  11. Phillips, T. & Price, S. Piedras en su tanque de combustible. http://ciencia.nasa.gov/y2003/17apr_zeolite.htm



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