El lugar más frío del universo conocido

5 02 2014

30 de enero de 2014: Todo el mundo sabe que el espacio exterior es frío. En la gran distancia que hay entre las estrellas y las galaxias, la temperatura de la materia gaseosa cae rutinariamente a 3 Kelvin o 454 grados Fahrenheit bajo cero (270 °C bajo cero).

Pero está a punto de tornarse aún más frío.

Investigadores de la NASA planean crear el lugar más frío del universo en el interior de la Estación Espacial Internacional (EEI, por su acrónimo en idioma español).

“Vamos a estudiar la materia a temperaturas mucho más frías que las que se encuentran de manera natural”, dice Rob Thompson, del Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet Propulsion Laboratory o JPL, por su sigla en idioma inglés). Él es el científico del proyecto denominado Laboratorio de Átomos Fríos (Cold Atom Lab, en idioma inglés), de la NASA, un “refrigerador” atómico cuyo lanzamiento hacia la EEI está programado para el año 2016. “Nuestro objetivo es bajar las temperaturas efectivas hasta 100 pico-Kelvin”.

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En un nuevo video de ScienceCast se explora el extraño reino cuántico del Laboratorio de Átomos Fríos, de la NASA. Reproducir el video (en idioma inglés)

Cien pico-Kelvin es sólo una diez mil millonésima de grado sobre el cero absoluto, cifra a la cual, en teoría, se detiene toda la actividad térmica de los átomos. A temperaturas tan bajas, los conceptos comunes de sólido, líquido y gaseoso ya no son relevantes. Los átomos que interaccionan justo por encima del umbral de energía cero crean nuevas formas de materia que son esencialmente… cuánticas.

La mecánica cuántica es una rama de la física que describe las reglas extrañas de la luz y de la materia a escalas atómicas. En ese ámbito, la materia puede estar en dos lugares a la vez, los objetos se comportan como partículas y ondas, y nada es seguro: el mundo cuántico funciona sobre la base de la probabilidad.

Y los investigadores que utilizan el Laboratorio de Átomos Fríos se adentrarán en este extraño mundo.

“Vamos a comenzar”, dice Thompson, “con el estudio de los condensados de Bose-Einstein”.

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En 1995, los investigadores descubrieron que si tomamos un par de millones de átomos de rubidio y los enfriamos cerca del cero absoluto, se fusionarán en una sola ola de materia. El truco funcionó con el sodio también. En 2001, Eric Cornell, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standards & Technology, en idioma inglés), y Carl Wieman, de la Universidad de Colorado, compartieron el Premio Nobel con Wolfgang Ketterle, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (Massachusetts Institute of Tecnology o MIT, por su acrónimo en idioma inglés) por su descubrimiento independiente de estos condensados, que Albert Einstein y Satyendra Bose predijeron a principios del siglo XX.

Si creamos dos BEC (condensados de Bose-Einstein) y los juntamos, no se mezclan como un gas común. En cambio, pueden “interferir” como las ondas: las delgadas capas paralelas de materia están separadas por finas capas de espacio vacío. Un átomo en un BEC puede sumarse a un átomo en otro BEC y producir… ningún átomo, en absoluto.

“El Laboratorio de Átomos Fríos nos permitirá estudiar estos objetos posiblemente a las temperaturas más bajas de la historia”, dice Thompson.

El laboratorio es también un lugar donde los investigadores pueden mezclar gases atómicos súper fríos y ver qué sucede. “Las mezclas de diferentes tipos de átomos pueden flotar juntas casi completamente libres de perturbaciones”, explica Thompson, “lo que nos permite realizar mediciones sensibles de interacciones muy débiles. Esto podría llevar al descubrimiento de interesantes y novedosos fenómenos cuánticos”.

Y la estación espacial es el mejor lugar para realizar esta investigación. La microgravedad permite a los investigadores enfriar materiales a temperaturas mucho más frías que las que son posibles en el suelo.

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Haga clic aquí para descargar el póster de la misión del Laboratorio de Átomos Fríos. (en idioma inglés)

Thompson explica por qué:

“Es un principio básico de la termodinámica que cuando un gas se expande, se enfría. La mayoría de nosotros tenemos experiencia de primera mano con esto. Si rociamos una lata de aerosol, la lata se enfría”.

Los gases cuánticos se enfrían en gran parte de la misma manera. En lugar de una lata de aerosol, sin embargo, tenemos una ‘trampa magnética’.

“En la EEI, estas trampas se pueden volver muy débiles debido a que no tienen que soportar los átomos en contra de la fuerza de la gravedad. Las trampas débiles permiten que los gases se expandan aun más y se enfríen a temperaturas más bajas que las que son posibles en el suelo”.

Nadie sabe a dónde conducirá esta investigación fundamental. Incluso las aplicaciones “prácticas” enumeradas por Thompson (sensores cuánticos, interferómetros de ondas de materia y láseres atómicos, sólo para nombrar unas pocas) suenan a ciencia ficción. “Estamos entrando a lo desconocido”, dice.

Los investigadores como Thompson ven al Laboratorio de Átomos Fríos como una puerta hacia el mundo cuántico. ¿Pero podría la puerta abrir en ambas direcciones? Si la temperatura desciende lo suficiente, “vamos a poder ensamblar paquetes de ondas atómicas del grosor de un cabello humano; es decir, lo suficientemente grandes como para que el ojo humano los pueda ver”. Una criatura de la física cuántica habrá ingresado en el mundo macroscópico.

Y entonces comienza la verdadera diversión.

Para obtener más información sobre el Laboratorio de Átomos Fríos, visite: coldatomlab.jpl.nasa.gov

Créditos y Contactos

Funcionaria Responsable de NASA: Ruth Netting
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips
Traducción al Español: Angela Atadía de Borghetti
Editora en Español: Angela Atadía de Borghetti
Formato: Angela Atadía de Borghetti

National Aeronautics and Space AdministrationFuncionaria responsable de la NASA: Ruth Netting
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips
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Última actualización: 4 de febrero de 2014

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Un incendio que se inicia con agua

5 02 2014

10 de enero 2014: Cuando los bomberos quieren extinguir un incendio, a menudo lo apagan con agua. Los astronautas que se encuentran a bordo de la Estación Espacial Internacional (EEI, por su sigla en idioma español), sin embargo, están experimentando con una forma de agua que hace lo contrario. En lugar de detener el fuego, ayuda a iniciarlo.

"La llamamos ‘agua supercrítica’", dice Mike Hicks, del Centro de Investigaciones Glenn, en Ohio. "Y tiene algunas propiedades interesantes".

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En un nuevo video ScienceCast se exploran las propiedades desconocidas del agua supercrítica.Reproducir el video (en idioma inglés)

El agua se convierte en supercrítica cuando se comprime a una presión de 217 atmósferas y se calienta a más de 373° C. Por encima del llamado punto crítico, el H2O común se transforma en algo que no es ni sólido, ni líquido, ni gas. Se parece más bien a un "gas-líquido".

"Cuando se mezcla agua supercrítica con materia orgánica, se produce una reacción química: la oxidación", dice Hicks. "Es una forma de quemar pero sin llamas".

Esto es realmente útil cuando uno quiere deshacerse de algunos materiales desagradables como las aguas residuales. Las ciudades, las granjas empresariales, los barcos en el mar y las naves espaciales tripuladas, que acumulan los materiales de desecho, podrían beneficiarse con este tipo de tratamiento.

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"Cuando llevamos una corriente residual húmeda por arriba del punto crítico, el agua supercrítica rompe los enlaces de los hidrocarburos. Entonces, estos pueden reaccionar con el oxígeno". En otras palabras, el lodo se incendia. En ciertas ocasiones, los puntos calientes en el lodo producen una llama visible, pero por lo general esto no sucede. "Esta es una forma de quemado relativamente limpia, que produce agua pura y dióxido de carbono, pero ninguno de los productos tóxicos del fuego común".

Pero, ¿qué tiene que ver todo esto con la EEI? "La Estación Espacial Internacional ofrece un laboratorio de microgravedad único para el estudio de las propiedades del agua supercrítica", explica Hicks.

Uno de los problemas con el agua supercrítica tiene que ver con la sal. Por encima del punto crítico, cualquier sal disuelta en agua se precipita rápidamente. Si esto sucede en el recipiente de un reactor, los componentes metálicos del recipiente se recubren con sal y comienzan a corroerse.

"En cualquier corriente de residuos realista, tenemos que aprender a lidiar con la sal. Es el principal obstáculo tecnológico".

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Este es el dispositivo ubicado a bordo de la EEI donde se lleva a cabo el experimento de la Mezcla de Agua Supercrítica. Más información (en idioma inglés)

Arriba: Este es el dispositivo ubicado a bordo de la EEI donde se lleva a cabo el experimento de la Mezcla de Agua Supercrítica. Más información (en idioma inglés)(insert link)

Ocuparse de la sal es el objetivo final del experimento de la Mezcla de Agua Supercrítica en la EEI, un esfuerzo conjunto entre la NASA y el CNES (Centro Nacional de Estudios Espaciales, en idioma francés), que es la agencia espacial francesa.

"Mediante el estudio del agua supercrítica sin los complicados efectos de la gravedad, podemos aprender, a un nivel muy fundamental, cómo se comportan las sales que precipitan", dice Hicks, quien es el investigador principal del experimento. "Podríamos incluso ser capaces de encontrar la manera de extraer la sal de los componentes sensibles a la corrosión".

El experimento, que utiliza un hardware de fabricación francesa (DECLIC), situado en el Módulo de Experimentos Japonés (JEM, por su acrónimo en idioma inglés) de la estación, se inició durante la primera semana de julio de 2013. Dicho experimento continuará durante todo un año en una serie de seis ensayos, cada uno con una duración de aproximadamente 15 días.

Los resultados podrían tener aplicaciones aquí en la Tierra. La Marina de Estados Unidos ya ha comenzado a utilizar las tecnologías del agua supercrítica para purificar corrientes de residuos a bordo de algunos de sus barcos, mientras que la ciudad de Orlando ha abierto una planta de tratamiento supercrítico para el procesamiento de las aguas residuales municipales.

Hicks dice: “Recién estamos comenzando”.

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Traducción al Español: Aurora Hernández Gómez
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Formato: Aurora Hernández Gómez

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Última actualización: 15 de enero de 2014

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