El Perro Pastor Eléctrico*

               Por  Patrick L. Barry y Dr. Tony Phillips

Utilizando campos magnéticos, los investigadores auspiciados por la NASA están aprendiendo a pastorear microbios para el beneficio de los astronautas y de la Seguridad Nacional.

Durante miles de años, los humanos han estado pastoreando. Ovejas. Cabras. Ganado. No siempre es sencillo y los pastores modernos por lo general tienen ayuda. Utilizan perros pastores para mantener sus bestias juntas. Estos perros son asombrosos; si pueden verlo, pueden pastorearlo.

No es tan tonto como parece. A bordo de una nave espacial, por ejemplo, unos pocos microbios flotando en el suministro de agua potable podrían ser un precursor de problemas por venir. Lo mismo pasa con los suministros de agua urbanos. ¿Qué sucede si los terroristas vaciasen elementos patógenos en la reserva de una ciudad? El pastorear microbios para hacer pruebas y erradicarlos podría ser todo un éxito.

En la foto se observa el microrganismo Giardia lamblia.
Este organismo unicelular enferma a las personas si es encontrado en el agua que beben.
Crédito de la foto: H. Lindquist, US EPA.

Su dispositivo canalizaría alrededor de 5 litros de agua reciclada por hora a través de cientos de tubos paralelos, cada uno de sólo un cuarto de milímetro de ancho. El pequeño tamaño de estos tubos asegura que cualquier microbio presente en el agua pasará por el electrodo positivo que recubre la pared del tubo y será atrapado en él. Ocasionalmente, el electrodo es desconectado y los microbios recolectados son vaciados en un segundo aparato similar que los concentra más aún. Después de un nuevo paso de reducción de volumen, la mayoría de los virus y de las bacterias de docenas de litros de agua son acorralados en un mililitro de agua - una pequeñez - que entonces puede ser automáticamente analizada para ver si contiene especies peligrosas..

Cuando ya se puede obtener un gran volumen de muestras en un pequeño volumen, entonces el detectar los organismos en tan pequeño volumen es ya muy sencillo", dice Pillai.

El dispositivo debería de ser capaz de capturar más del 90 por ciento de los microbios que pasan a través de él, dice Pillai. Actualmente él y Beskok están haciendo investigaciones para ayudar en el diseño final - comprobando para ver que tan fuerte debe de ser el electrodo y por ejemplo, cual es el ancho óptimo y el número de micro tubos. Esperan tener un prototipo listo para probarse en aproximadamente un año.

A la izquierda: Simulación de microbios (micro esferas sintéticas) con un tinte fluorescente son atraídos por electrodos cargados positivamente. Vea los signos de más (+) y menos (-) que denotan la carga de los electrodos.

"También obtuvimos becas del Estado de Texas para desarrollar un dispositivo similar
para probar las reservas de agua potable", dice Pillai. "Los servicios públicos de agua de la ciudad de El Paso (Texas) dijeron que nos permitirían probar nuestro dispositivo en el sistema de distribución y ver si realmente funciona".

"Otra versión de nuestro dispositivo que sería más pequeño que un encendedor será diseñada para utilizarse en el espacio".

Vendría muy bien a bordo de la Estación Espacial Internacional por ejemplo. Y ciertamente que tales dispositivos serían necesarios para viajes largos a la Luna y Marte. Lejos de la Tierra, la provisión de agua potable de una nave sería continuamente reciclada, obteniendo agua de cualquier fuente posible - aún de las propias exhalaciones respiratorias y de la orina de un astronauta. El pastoreo de microbios en semejante ambiente es obviamente una buena idea.

Con un pastor eléctrico a bordo, los astronautas pueden acorralar microbios y manejarlos, antes de que su abundancia se salga fuera de control.

LA NASA AMPLIÓ LA MISION DE LOS ROVERS SPIRIT Y OPPORTUNITY EN MARTE HASTA SEPTIEMBRE

La NASA ha dado el visto bueno para ampliar la misión de los Rovers en Marte, dándoles hasta el próximo Septiembre, en adicción a los tres iniciales que se planearon en un principio para la misión. El primero de los dos Rovers, Spirit, ya ha superado los objetivos fijados de su primera misión. Superados los 90 días de operaciones en Marte, ha recorrido más de 600 metros desde su amartizaje. Por su parte, el Rovergemelo de Spirit, el rover Opportunity que llegó a Marte tres semanas después de Spirit, cumplirá los objetivos de la primera etapa de su misión inicial de tres meses el próximo 26 de abril, cuando alcance la marca de 90 días sobre la superficie del Planeta Rojo. Cada día marciano, llamado "sol," dura cerca de 40 minutos más que un día de la Tierra. "Dado el enorme éxito de los Rovers, el proyecto fue sometido a una propuesta para ampliar la misión, y la hemos aprobado," dijo Orlando Figueroa, director del Programa de Exploración de Marte en la Sede Central de la NASA en Washington, D.C.

"Una vez que Opportunity supere su "sol" 90 en Marte, todo lo que después consigamos de los Rovers será un regalo," dijo el Dr. Firouz Naderi, encargado de la Exploración de Marte en el Laboratorio Jet Propulsionde la NASA en Pasadena, California, donde los Rovers fueron construidos y son controlados. "Aunque la misión se extienda apruebe hasta septiembre, los Roverspodrían durar incluso más de ese tiempo o también podrían dejar de funcionar la próxima semana o el mes próximo. Están funcionando bajo condiciones extremadamente duras. Sin embargo, mientras que Spiritestá funcionando más allá de lo previsto en su 'garantía,' nosotros esperamos con ilusión poder obtener más descubrimientos por parte de ambos Rovers en los próximos meses."
Jennifer Trosper, encargada de la misión en JPL de Spirit, ha dicho incluso que cuando tuvieron el problema con la memoria flash del Rover durante dos semanas, ella tenía la confianza de que el Rover y el equipo de operaciones podrían conseguir superar el problema y alcanzar la marca de 90 días. "Nunca sentimos que había terminado, pero ciertamente cuando no obteníamos absolutamente ningún dato del Rover e intentábamos comprender que había sucedido, estábamos preocupados," dijo ella. Trosper estaba menos segura de las posibilidades que Spirit tenía para alcanzar los 600 metros en sol 91, dado el desafío que supone el terreno de la zona de aterrizaje dentro del cráter Gusev. En sol 89 Spiritlogró esa meta, e incluso la superó, alcanzando la marca de 617 metros en su cuentakilómetros particular. Dos días después, Opportunityrompió esa marca con un recorrido de 100 metros.Más allá de los criterios cuantificables, tales como usar todas las herramientas de investigación en ambos lugares de aterrizaje e investigar por lo menos ocho puntos escogidos, los Rovers nos han recompensado con extraordinarios resultados científicos. El hallazgo más importante de Opportunityha sido el descubrimiento de pruebas que indican la pasada existencia de un mar de agua salada en Marte en la región de Meridiani Planum.

"Vamos a continuar explorando e intentando entender la historia del agua en Gusev," dijo el Dr. Mark Adler, encargado de la misión del RoverSpirit en JPL. El Rover Spirit está buscando pruebas geológicas de la pasada existencia de un antiguo lago que se cree que alguna vez pudo haber ocupado el Cráter Gusev. Alcanzar las "Colinas de Columbia," podría proporcionar pistas geológicas sobre esa historia del agua, y será uno de los siete objetivos para la misión ampliada de Spirit. Por su parte, el Rover Opportunity buscará un contexto geológico para el afloramiento rocoso en el cráter "Eagle" alcanzando otros afloramientos rocosos en el cráter "Endurance" y quizás en otra parte. Otros objetivos científicos son continuar con los estudios atmosféricos en ambos lugares para abarcar más del ciclo estacional de Marte y para calibrar y validar datos de las sondas que orbitan Marte y que son enviados a la Tierra.

¿Estaba Galileo Equivocado?

                          Por Dr. Tony Phillips y Patrick L. Barry

Usando lásers que rebotan en la Luna, un grupo de investigadores está poniendo a prueba, con el apoyo de la NASA, una de las ideas fundamentales de la física moderna.

Hace 400 años -- o al menos así lo cuenta la historia -- Galileo Galileiempezó a dejar caer objetos desde lo alto de la Torre inclinada de Pisa: balas de cañón, balas de mosquetón, oro, plata y madera. Posiblemente él esperaba en un principio que los objetos más pesados cayeran más rápido. Pero no fue así. Todos tocaban tierra al mismo tiempo, y de esta manera hizo un gran descubrimiento: la gravedad acelera a todos los objetos del mismo modo, independientemente de su masa o composición.

A la izquierda: Un esquema del legendario experimento de Galileo Galilei.

Hoy en día esto se conoce como la "Universalidad de la Caída Libre" o "Principio de Equivalencia", y es una de las bases de la física moderna. En particular, Einstein construyó su teoría de la gravedad, es decir, la teoría general de la relatividad, asumiendo que el Principio de Equivalencia es cierto.

Pero, ¿qué pasaría si no fuera cierto?

"Algunas teorías modernas sugieren de hecho que la aceleración de la gravedad sí depende de una forma muy sutil de la composición del objeto", afirma Jim Williams, un físico del Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet PropulsionLaboratory ó JPL) de la NASA. Si fuese así, la teoría de la Relatividad tendría que reevaluarse; habría una revolución en la física.

Un grupo de investigadores financiados por la NASA van a probar el Principio de Equivalencia disparando rayos láser a la Luna.

"El cálculo de la distancia Tierra-Luna (en inglés "lunar ranging") es una de las herramientas más importantes que tenemos para buscar imperfecciones en la Teoría General de la Relatividad", dice Slava Turyshev, un científico del JPL que trabaja con Jim Williams y con otros investigadores en el proyecto

Este experimento es posible porque, hace más de 30 años, los astronautas de las misiones Apolo pusieron espejos sobre la Luna -- pequeños arreglos de retroreflectores que pueden interceptar rayos láser provenientes de la Tierra y rebotarlos en la misma dirección. Usando rayos láser y espejos, los investigadores pueden enviar una señal a la Luna y monitorear con precisión su movimiento alrededor de la Tierra.

Es una versión moderna del experimento de la Torre inclinada de Pisa. Solo que en lugar de dejar caer balas al suelo, los investigadores observarán cómo caen la Tierra y la Luna hacia el Sol. Como si fuesen balas de cañon y mosquete, que son arrojadas desde lo alto de la Torre, la Tierra y la Luna están hechas de una mezcla diferente de elementos, y tienen diferentes masas. ¿Son acaso los dos astros acelerados hacia el Sol a la misma velocidad? Si es así, el Principio de Equivalencia sigue siendo válido, pero si no, entonces empieza la revolución.

Una violación del Principio de Equivalencia se daría a notar como una pequeña desviación en la órbita de la Luna, ya sea en dirección al Sol o alejándose de él. "Usando masas tan grandes como la Tierra y la Luna, podríamos ser capaces de mostrar este efecto sutil, si es que existe", hace notar Williams.

Los científicos han estado enviando señales a la Luna desde los días del Apolo. Hasta ahora, la teoría de la gravedad -- y el principio de equivalencia -- se han mantenido incólumes hasta una precisión de unas cuantas partes en 1013. Pero esto aún no es lo suficientemente exacto como para comprobar todas las teorías que intentan derrocar a la de Einstein.

Las actuales mediciones de la distancia a la Luna -- unos 385.000 km -- tienen un error de alrededor de 1,7 cm en promedio. Pero a partir del próximo otoño, una nueva instalación patrocinada por la NASA y la Fundación Nacional para la Ciencia (National Science Foundation ó NSF) ayudará a mejorar la precisión casi 10 veces, dejando una incertidumbre de solamente 1 ó 2 mm.Este salto en la exactitud del experimento significará para los científicos el poder detectar desviaciones de la teoría de Einstein 10 veces más pequeñas de lo que actualmente es posible, las cuales podrían ser suficientes para encontrar evidencia de errores.

Para probar esta nueva magnitud de precisión, la instalación, cuyo nombre es Operación de Cálculo de Distancias Tierra-Luna del Observatorio de Apache Point (en inglés Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation ó simplemente APOLLO), deberá ser capaz de cronometrar el tiempo que los pulsos láser tardan en ir y regresar de la Luna con una exactitud de unos cuantos picosegundos, es decir una billonésima de segundo (10-12). La velocidad de la luz es conocida -- aproximadamente 300.000 km por segundo -- de manera que al medir el tiempo de ida y vuelta del pulso de láser les dirá a los científicos cuál es la distancia entre el telescopio APOLLO y el espejo que se encuentra en la superficie lunar.

A la izquierda: El cálculo láser de distancias Tierra-Luna funciona por medio del envío de pulsos de luz láser a los reflectores situados en la Luna y atrapando los fotones que regresan. Se muestra aquí el experimento, instalado en el Observatorio McDonald de la Universidad de Texas.

¿Cómo es que el APOLLO logra esta mejoría de 10 veces en la precisión del experimento? Primero que nada, utilizando un telescopio más grande que el que se tenía en las antiguas instalaciones del Observatorio McDonalden Texas -- 3,5 metros contra 0,72 metros. El espejo de diámetro más grande permite al APOLLO atrapar más de los fotones que regresan de la Luna, explica Tom Murphy, un profesor de la Universidad de California en San Diego, y quien es la mente maestra detrás del diseño del APOLLO. El telescopio más pequeño atrapa, en promedio, solamente un fotón de retorno por cada 100 pulsos de láser enviados a la Luna (¡a pesar de que cada pulso contiene más de 1017 fotones!); el nuevo telescopio APOLLO atrapará cerca de 5 fotones de cada pulso, lo que mejora notablemente la calidad estadística de los resultados.

Varias perturbaciones potenciales han de ser, sin embargo, consideradas. La atmósfera terrestre es una de ellas, ya que puede distorsionar el camino que sigue el pulso de luz láser, del mismo modo en que hace que la luz de las estrellas titile y tiemble. Otra es debida a los minúsculos movimientos tectónicos del suelo debajo del observatorio APOLLO, que son típicamente de unos cuantos centímetros por año, lo cual puede afectar los resultados a largo plazo. Por esta razón, los directivos del proyecto escogieron el pico de una montaña cerca de White Sands, Nuevo Mexico, que tiene una atmósfera local particularmente tranquila y un suelo relativamente más estable. Además, están instalando un gravitómetrosuperconductor y un sensor GPS de precisión junto al observatorio para detectar movimientos lentos en el suelo, y un arreglo de barómetros de precisión que medirán continuamente el estado de la atmósfera.

Williams y Turyshev recibieron recientemente fondos de la Oficina de Investigacions Físicas y Biológicas de la NASA para mejorar los programas de computador que se usan para analizar las mediciones en casi un orden de magnitud para adecuarse a las capacidades del experimento de Nuevo México. "Ahora será necesario enfrentarnos con muchos más efectos pequeños a nivel milimétrico", anota Turyshev.

Por medio de una meticulosa contabilidad de estos pequeños efectos, la Universalidad de la Caída Libre... podría ser derrumbada.

Muchos físicos considerarían esto buenas noticias. Ellos han estado intrigados desde hace años por una curiosa incompatibilidad entre la relatividad general y la mecánica cuántica. Las dos teorías, tan exitosas cada una en su propio reino, son como dos diferentes lenguajes que describen al Universo de dos modos fundamentalmente distintos. (Lea el artículo de Ciencia@NASA Suplantando a Einstein para aprender más acerca de este tema). Encontrar un error en los soportes de la relatividad podría ser el inicio del camino hacia la creación de una "Teoría del Todo", que finalmente combine a la física cuántica y a la gravitación en un solo marco armonioso.

Desde Pisa, en Italia, hasta la Luna y hasta White Sands, Nuevo Mexico: este es un experimento que abarca cientos de años y cientos de miles de kilómetros. Pronto, tal vez, tengamos las respuestas.

Próximos experimentos planeados para la Estación Espacial Internacional ayudarán a los ingenieros de la Tierra a aprender como manejar fluidos supercongelados.
Palos de golf de alto rendimiento. Cuchillos ultra afilados. Fibra óptica mejorada para telecomunicaciones. Materiales livianos para futuras astronaves.
¿Qué tienen en común todas estas cosas? Pueden ser fabricadas usando líquidos "supercongelados": materiales líquidos que son enfriados por debajo del punto de congelación normal y que, mediante métodos especiales, son mantenidos en estado líquido.

Evitando la congelación normal, se puede conseguir que el líquido se transforme en distintas clases de sólidos. En la congelación normal, las moléculas del líquido se colocan ordenadamente en una red cristalina, como soldados en formación. Es así como se forman el hielo, los metales normales, y de hecho la mayoría de los sólidos. Los líquidos supercongelados se solidifican de forma diferente. Con el enfriamiento, se espesan y eventualmente dejan de fluir como un líquido "en suspenso". El resultado es un sólido cuyas moléculas se mantienen dispersas en una red amorfa semialeatoria. Esta estructura molecular, encontrada más comúnmente en cristales de ventanas pero posiblemente también en metales, tiene propiedades especiales. La aleación de metales amorfos, por ejemplo, puede ser dos veces más fuerte y tres veces más elástica que el acero.

A la izquierda: La estructura molecular de sólidos normales vs. amorfos. Imagen cortesía
Liquidmetal Technologies.
Existe un gran potencial para los productos desarrollados a partir de estos líquidos,
pero son muy difíciles de fabricar.

Un líquido supercongelado es un delicado e inestable estado de la materia. El líquido tiende desesperadamente a cristalizarse como un sólido normal. Todo lo que necesita es un lugar donde comenzar la cristalización -- tal como la superficie cristalina de la pared de un contenedor o hasta una mota de polvo -- y el líquido de pronto se congelará en un sólido.

En otras palabras, trabajar con líquidos supercongelados es como jugar con bombas llenas de agua: son propensas a "romperse" inesperadamente y arruinar el espectáculo.
A pesar de las dificultades, fabricantes de la Tierra han conseguido hacer algunos productos a partir de estos líquidos: componentes de computadores, palos de golf, raquetas de tenis. Hay incluso un colector de viento solar a bordo de la astronave Génesis de NASA fabricado con metales amorfos supercongelados.

Estos productos son solo el principio. Cuando los ingenieros aprendan más acerca de la física básica y propiedades de los fluidos supercongelados, podrían mejorarlos aun más. Es aquí donde la Estación Espacial Internacional puede ayudar. En la ingravidez de la órbita terrestre, es posible estudiar los fluidos sin mantenerlos en contenedores que podrían catalizar cristalizaciones prematuras.

Edwin Ethridge, un científico de materiales del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de NASA, y el Prof. William Kauklerde la Universidad de Alabama en Huntsville están trabajando en un modo de medir la viscosidad de los fluidos cuando estos no se encuentran dentro de algún recipiente, a bordo de la EEI. Su idea es simple: Si dos gotas flotantes de un líquido se tocan entre sí, se fundirán para formar una única gota mayor. La velocidad de esta unión está parcialmente controlada por la viscosidad -- el agua se unirá mucho más rápido que la miel, por ejemplo. Por esta razón, observando la velocidad permitirá a los científicos medir la viscosidad del líquido.

La exactitud de las medidas de viscosidad es crítica para trabajar con fluidos supercongelados, los cuales se espesan rápidamente cuando se enfrían. La fricción entre moléculas en uno de estos fluidos enfriados puede dispararse más de mil trillones de veces (1015) al solidificarse. Sin un gráfico establecido de cómo ocurre este espesamiento con relación a las temperaturas de enfriamiento, es difícil para los ingenieros moldear estos líquidos para convertirlos en productos útiles.

A la derecha: La velocidad a la cual las gotas se unen depende de su viscosidad.

Para comprender el por qué, imagine qué ocurriría si se diseña un molde con cantidad de promontorios y grietas para asegurarse que trabaje bien con líquidos supercongeladosdel espesor del aceite vegetal. Cuando se vierte el líquido supercongeladoen el molde, este se enfría ligeramente causando un espesamiento inesperado, de una magnitud mil veces mayor -- haciendo que el líquido se torne espeso como la miel. El objeto producido es a la vista más similar al arte moderno que a un producto aprovechable.

Obtener los datos para hacer las curvas de viscosidad vs. temperatura es la última etapa de la investigación de Ethridge y Kaukler. Su próximo experimento, llamado Medidas de Viscosidad de Fluidos Fusionados (en inglés Fluid MergingViscosity MeasurementsFMVM), es una prueba del concepto. Esto mostrará cómo las medidas de viscosidad de fluidos no contenidos en recipientes pueden ser realizadas en el entorno de microgravedad de la EEI.
La física es bastante complicada, pero los científicos tienen que superar también otro problema: debido a que el espacio disponible para envío de equipo de investigación hacia la estación es muy limitado mientras la flota de Transportadores continúe en tierra, los investigadores deben encontrar la manera de hacer sus experimentos usando elementos que puedan ser transportados por el cohete ruso de suministros Progress, o que ya se encuentren a bordo de la estación.

"He seleccionado 8 líquidos para las pruebas", dice Ethridge. "Han sido cargados en jeringuillas que serán lanzadas en un cohete Progress hacia la Estación Espacial". Uno de ellos es miel normal. Aunque ésta solo se cristaliza muy lentamente, la miel es en realidad un líquido supercongelado. Funciona perfectamente para probar que este método de "gotas flotantes" puede medir con precisión la viscosidad de un líquido.

El experimento se llevará a cabo de la siguiente forma: Miel (o alguno de los otros líquidos) será extraída de su jeringuilla y colocada sobre hilos muy finos. "En la estación espacial están disponibles hilos de Nomex que pueden ser usados para confinar y controlar las gotas de líquido en órbita. El hilo delgado de soldar puede también ser usado para manipular las gotas"comenta Ethridge. Con una gota colgando de cada uno de dos hilos, un miembro de la tripulación podría acercarlas lentamente permitiendo a las gotas tocarse suavemente y fundirse. Una video cámara a bordo de la estación grabará qué sucede cuando las gotas lentamente forman una figura de cacahuete y finalmente una sola esfera.

De regreso en la tierra, los investigadores examinarán la secuencia fotografía por fotografía para determinar exactamente qué tan rápido se funden las gotas. Puesto que la viscosidad de las muestras de prueba es ya conocida, los investigadores pueden comparar el valor medido con el valor real para determinar si están en la pista correcta.

Actualmente los investigadores se preparan para llevar a cabo el experimento FMVM en algún momento durante la Expedición 8, la cual está programada para iniciarse a finales de Octubre. Su trabajo podría llevarlos a una nueva forma de medir la viscosidad de líquidos supercongelados. Y después de esto... nadie lo sabe, pero los palos de golf y los artículos de cocina son solo el comienzo.