Curiosity: llamando a las futuras ingenieras

Mucho se está hablando estos días de una campaña de la Unión Europea para atraer mujeres a la ciencia y, fundamentalmente, a la ingeniería. Aquí no vamos a hacer más propaganda de una campaña manifiestamente sexista y mal concebida. Quien quiera más información puede leer esto.

Lo peor de la campaña es que parece emitir el mensaje, en palabras de mi hija [17], de que “las pavas también pueden estudiar” (no abundaremos en el comentario de mi otra hija [12] “¿es un anuncio de gafas?”). Y este mensaje simplemente, no sirve. O, si llega a atraer a alguna chica, lo hará por los motivos equivocados.

Estudiar una carrera de ingeniería no es fácil, nada fácil. Sólo una voluntad férrea puede llevar a obtener el título en el número de cursos establecidos más uno. Y esa determinación granítica sólo puede salir de la combinación de dos factores: auténtica vocación y sana ambición. Efectivamente, sólo una persona que viva con pasión lo que estudia podrá dedicarle las horas que necesita sin que le pesen. Sólo alguien con la ambición de conocer, de superar las dificultades, que son muchas y variadas, y de convertirse en un profesional competente podrá sacrificar muchos placeres menores en aras de un bien mayor.

La cuestión entonces es cómo conseguir que un adolescente, ya sea varón o mujer, sepa que le apasiona la ingeniería. Que no lo van a conseguir los vídeos de la Unión Europea, es evidente. Porque, básicamente, para ello es necesario mostrar la ingeniería en acción, porque la ingeniería es práctica. Así, programas como Mega Construcciones, son capaces de que mi sobrino de 6 años se los trague con la boca abierta y después se pase el día comentándolos a quien le quiera escuchar.

Despertar vocaciones para lo que sea lo hace el propio ejercicio, no las aficiones de quienes lo practican (como se ve en el conjunto de vídeos de la campaña de la UE). Las vocaciones se despiertan cuando ves al profesional hablar con pasión de su trabajo. Los adolescentes se ven atraídos por la posibilidad de conseguir resultados y superar retos. Los vídeo-clips de la UE son pañuelos de papel, se usan y se tiran. Si además sólo hablan de que “estudio ingeniería” pero “soy normal, canto en un grupo”, pues como que no.

Seamos positivos, e ilustremos lo que decimos. Señores burócratas de la Unión Europea, si este vídeo que aparece a continuación no despierta la vocación por la ingeniería (mecánica, química, materiales, aeroespacial, electrónica, telecomunicaciones, informática), ninguna campaña que puedan hacer lo logrará. Fíjense además en el papel de la mujer en él: una más, al igual que los demás disfrutando del reto, de la dificultad, de la complejidad, compartiendo la pasión, la aventura, y la ilusión. Sin privilegios, sin distinciones. Sólo una ingeniera de entrada, descenso y aterrizaje (EDL engineer) del Curiosity.

[El vídeo está en inglés y subtitulado en este idioma. Aunque no lo entiendas es tan gráfico que se sigue muy bien.]

Cómo usar uranio para saber si un neandertal pintó en una cueva.

En estos días ha habido mucho revuelo mediático con la posibilidad de que los neandertales hubiesen tenido la oportunidad de ser los pintores de Altamira y otras 10 cuevas del norte de España (véase este enlace como ejemploy más datos) . A lo que no se ha prestado atención alguna es al método empleado, que en el artículo publicado en Science, Pike et al. llaman “datación por serie U”. Vamos a explorar la base teórica (incluidas las matemáticas) del mismo, que es muchísimo más sencilla que la experimental, porque si bien no hay nada más práctico que una buena teoría, también es cierto que aún no debiendo haber teóricamente diferencia entre teoría y práctica, en la práctica, la hay.

Los investigadores usaron los ratios entre los isótopos uranio-234 y torio-230 para datar los depósitos de calcita sobrepuestos a las pinturas para calcular la edad mínima de las mismas. Los resultados, con edades mínimas en el entorno de los 40.000 años de antigüedad, abren distintas posibilidades. Como se supone que Homo sapiens sapiens no migró a Europa hasta hace poco más de 40.000 años es probable que trajese sus habilidades artísticas africanas con él y decorase las cuevas poco después de llegar o, quizás, las pinturas más sencillas y antiguas fuesen de hecho la obra de neandertales.

La datación uranio-torio es especialmente interesante en el análisis de carbonatos cálcicos, como la calcita, ya que ninguno de los elementos puede escapar del mineral, ni otros átomos de ellos pueden entrar, una vez se ha formado. En las condiciones de formación de las calcitas el uranio es soluble mientras que el torio no lo es, por lo que cuando se forma el depósito mineral contendrá uranio pero no torio. La cantidad del isótopo U-234, que es el isótopo que por desintegración alfa se convierte en torio 230, que podemos esperar tener en una calcita recién formada es del orden de partes por millón o inferiores. Suponiendo que sepamos la cantidad original de uranio presente en la muestra, necesitamos poder calcular cuánto Th-230 tendremos pasado un tiempo a partir de una determinada cantidad de U-234 para tener un método para determinar el tiempo transcurrido.

Imaginemos que el isótopo A se desintegra para dar B, por el proceso que sea: A → B. La desintegración de un núcleo inestable es algo completamente aleatorio y es imposible predecir cuándo un átomo en concreto se va a desintegrar. Sin embargo, la probabilidad es igual en cualquier tiempo t. Si tenemos un número N de núcleos de un isótopo concreto, transcurrido un tiempo infinitesimal, que llamaremos dt, se habrán desintegrado un número infinitesimal de núcleos, dN, quedando N-dN. Por otra parte, el número de desintegraciones que se produce en la unidad de tiempo, -dN/dt, debe ser proporcional al número de nucleones presente, igual que en una sala en silencio el número de toses es proporcional al número de personas presentes, como bien saben los músicos de clásica. Así, si llamamos a la constante de proporcionalidad característica de ese isótopo λ, podemos escribir:

-dN/dt = λN

Esto es una ecuación diferencial muy sencillita que el lector puede comprobar que tiene como solución

N = N₀ e^-λt , donde N₀ es el número de átomos pata t = 0. [1]

Sin embargo, el sistema U-234 - Th-230 no es tan sencillo, puesto que el Th-230 también se desintegra. Estamos entonces ante esta situación: A → B → C. El razonamiento es análogo: si tengo N núcleos, pasado un tiempo infinitesimal dt, tendré N+dN núcleos. En este caso escribo +dN, porque dN puede ser positivo o negativo, dependiendo de si se forman más núcleos de los que se desintegran o al revés. En cualquier caso, la variación en el número de núcleos será los que se forman menos lo que se desintegran, por tanto, usando [1]:

dN_B/dt = λ_AN_A – λ_BN_B = λ_A N_0A e ^-λAt – λ_BN_B

Esto sigue siendo una ecuación diferencial nada complicada, que se puede comprobar que tiene como solución:

N_B = (N_A0 λ_A) / (λ_B - λ_A) · (e ^-λAt - e ^-λBt) [2]

En pura teoría ya tenemos la ecuación que buscábamos. Si conocemos las constantes de los isótopos U-234 (que ocupa el lugar de A) y del Th-230 (B), que las conocemos, tendríamos un método para medir la antigüedad de los depósitos de calcita.

El inteligente lector que haya llegado hasta aquí se habrá dado cuenta de que venimos arrastrando un problema no menor desde el principio: ¿cómo sabemos qué cantidad había al comienzo del isótopo A, lo que hemos llamado N_A0? Simplemente, no lo sabemos, ni lo podemos saber con suficiente precisión. Por eso un método de datación que se base en una serie radioactiva sólo es válido si uno de los núcleos es estable (λ_B = 0) o, como el caso de U-234 y Th-230, que se cumpla que

0 < λ_A << λ_B

Entonces [2] queda reducida a

N_B / N_A ≈ λ_A / λ_B (1 - e ^-λBt) [3]

Ya que también en este caso, N_A ≈ N_A0.

Vemos pues que si medimos por espectrometría de masas el ratio Th-230/U-234 tenemos una forma directa de medir el tiempo desde que se formó la calcita con un error más que razonable. Sólo nos quedará corregir por la cantidad de U-238 que se convierta en U-234, pero eso es más de lo mismo (se deja al lector como ejercicio).

Observando la ecuación [3] vemos una de las limitaciones del método: para tiempos suficientemente grandes N_B / N_A tiende a un valor constante λ_A / λ_B, es lo que se denomina equilibrio secular (se forma tanto Th-230 como se destruye). Por tanto el método uranio-torio no puede datar más allá de 500.000 años, aproximadamente.

Esta entrada se publica conjuntamente en Amazings.es y es una participación en la Edición 3,14159  del Carnaval de Matemáticas que organiza Scientia y en la XVI Edición del Carnaval de Química  que alberga ¡Jindetrés, sal! 

Referencia:

Pike AW, Hoffmann DL, García-Diez M, Pettitt PB, Alcolea J, De Balbín R, González-Sainz C, de las Heras C, Lasheras JA, Montes R, & Zilhão J (2012). U-series dating of Paleolithic art in 11 caves in Spain. Science (New York, N.Y.), 336 (6087), 1409-13 PMID: 22700921

Concurso ED: Invasión alienígena

El Comando Central de Inteligencia Intergaláctica ha dado instrucciones de invadir la Tierra. Como consecuencia se ha iniciado una misión ultrasecreta para obtener información detallada de lo que pueden esperar hallar en la atmósfera exterior del planeta. El CCII colocará nueve microsatélites en órbita geostacionaria que crearán una red de radiación tridimensional de muy baja intensidad formando una esfera perfecta con el centro en el centro de la Tierra. El radio de la esfera se irá reduciendo de forma progresiva tomado datos sistemáticos hasta que encuentre la primera masa de tierra. A partir de ahí, la investigación se realizará por una cantidad suficiente de sondas-espía en superficie.

Asumiendo que lo anterior es correcto,

¿Cuál será la primera masa de tierra con la que tropiece la esfera?¿Por qué?

Podéis responder en los comentarios, que están moderados. Los que respondan correctamente a ambas preguntas se llevarán la Gran Copa de Oro. El concurso durará mínimo una semana y permanecerá abierto si no hay respuestas correctas. Los ganadores y la respuesta se incluirán como edición de esta entrada.

Edición:

La respuesta se encuentra contenida en este vídeo (con el que me identifico bastante, por cierto) [Si no entiendes el inglés da igual, la respuesta es la última palabra del vídeo y se entiende perfectamente]:

De cómo el consumo regular de productos con edulcorantes artificiales produce obesidad

Digámoslo claro desde el principio: los edulcorantes artificiales como la sacarina confunden al encéfalo y pueden provocar que se coma en exceso. Es la conclusión a la que se llega después de una serie de estudios realizados en los últimos años. Ahora un trabajo realizado [1] por Erin Green (Universidad de California en San Diego) y Claire Murphy (Universidad del Estado en San Diego) pone de manifiesto el mecanismo subyacente. Los resultados se publican en Physiology & Behavior.

La clave del hallazgo de Green y Murphy está en el hecho de que el encéfalo procesa los sabores dulces de forma diferente dependiendo de si una persona consume regularmente bebidas refrescantes en las que se usen edulcorantes artificiales, habitualmente conocidas como “light”, “lite”, “diet” o términos similares. Dicho de otra forma: los encéfalos de los bebedores de bebidas light no diferencian adecuadamente entre sacarosa (azúcar) y sacarina (edulcorante).

Green y Murphy reclutaron a 24 voluntarios sanos, 12 de ellos consumidores regulares (al menos una vez al día) de bebidas light, los otros 12 no las consumían nunca o muy rara vez, y los sometieron a resonancia magnética funcional (fMRI) tras 12 horas de ayuno. Mientras estaban siendo sometidos a los escáneres los investigadores bombeaban pequeñas cantidades de agua edulcorada, bien con sacarosa (edulcorante vegetal) bien con sacarina (edulcorante artificial), en orden aleatorio, a las bocas de los sujetos, y se les pedía que evaluasen lo agradable de su sabor.

Tanto los consumidores de productos light, como los que no, evaluaron los dos edulcorantes como igualmente agradables e intensos. Pero las regiones que se iluminaban en los fMRI variaban de forma muy significativa entre un grupo y otro.

Veamos esas variaciones técnicamente primero y después analizaremos qué significa la jerga. A diferencia de los que no, los bebedores de productos light mostraban una mayor activación provocada por el sabor dulce en el mesencéfalo dopaminérgico (incluida el área tegmental ventral) y en la amígdala derecha. La sacarina provocaba una respuesta mayor que la de la sacarosa en el córtex orbitofrontal derecho (área de Brodmann 47) en los no consumidores de bebidas light, pero, y esto es lo más interesante, no había diferencias en las respuestas registradas por fMRI a ambos edulcorantes en los consumidores de productos light.

Por si lo anterior no fuese suficientemente llamativo, dentro de los consumidores de productos light los autores encuentran una correlación negativa entre la activación de la cabeza del núcleo caudado derecho en respuesta a la sacarina y la cantidad de bebidas light consumidas a la semana: cuantas más se consumían menor la activación de esta parte del núcleo caudado derecho.

Para entendernos, las regiones cerebrales afectadas están asociadas con darnos una sensación agradable o de recompensa como respuesta a sensaciones deseables. En el caso de los consumidores habituales encontramos que hay una activación más generalizada, pero independiente de si es light o normal, en las áreas de recompensa.

La disminución de la activación en la cabeza del núcleo caudado derecho con el consumo regular de bebidas light es muy marcada. Y muy importante, ya que este área está asociada con la motivación y el sistema de recompensa de la comida. Es fácil comprender que si este área se activa menos con un determinado consumo de alimento, tenderemos a ingerir más para obtener una respuesta satisfactoria. Se asocia así con el riesgo de obesidad.

Es decir, el consumo regular de bebidas light confunde al encéfalo de tal manera que los sensores de dulzor ya no pueden calibrar de forma fiable cuánta energía estamos consumiendo. Esta sería la explicación de la paradoja de por qué el consumo regular de productos light está asociado con la obesidad. La persona que no es obesa se vuelve obesa, y quien lo es empeora (o no mejora) su condición. Y ello se podría deber a que en la dieta se alternan productos light con otros que no lo son (un ejemplo extremo sería trozo de tarta más café siempre con sacarina).

El año pasado Davidson et al. [2] probaron esto mismo en ratas. Los animales que siempre recibían un yogur light (con sacarina) aprendieron a modular su ingesta de comida para tener en cuenta la falta de aporte calórico del yogur. Pero los animales a los que se les daba alternativamente un yogur light y otro normal, ganaron sustancialmente mucha más grasa corporal. 

El encéfalo usa normalmente una relación aprendida entre el sabor dulce y el suministro de calorías para ayudar a regular el aporte de comida. Pero cuando la comida dulce aporta inesperadamente calorías extra, el encéfalo se encuentra con que no sabe qué esperar. Así, este regulador de la ingesta de comida pasa a ignorar los sabores dulces en sus predicciones del contenido energético de la comida, con nefastas consecuencias.

Tres consideraciones finales importantes:

1. El estudio es lo que es y dice lo que dice. Habrá de ser repetido y aumentar así el número de sujetos analizados y corregir por distintos factores que pueden influir.

   
   
2. No obstante lo anterior, cada vez hay mayor cantidad de indicios que indicarían claramente que hay una relación causa-efecto entre ingesta regular de productos light y obesidad.

   
   
3. Consumir refrescos no light, no es la solución. Véase ¡Ojito con la fructosa!. La mejor bebida para el hombre es el agua, seguida de los zumos de frutas a partir de las propias frutas, sin añadidos.

Referencias:

[1] Green E, & Murphy C (2012). Altered processing of sweet taste in the brain of diet soda drinkers. Physiology & behavior PMID: 22583859

[2] Davidson TL, Martin AA, Clark K, & Swithers SE (2011). Intake of high-intensity sweeteners alters the ability of sweet taste to signal caloric consequences: implications for the learned control of energy and body weight regulation. Quarterly journal of experimental psychology (2006), 64 (7), 1430-41 PMID: 21424985

Sócrates y el efecto Dunning-Kruger (con referencia a algunos comentaristas de blogs y demás)

“Sólo sé que no sé nada”. ¿Cuántas veces habremos oído esta frase atribuida a Sócrates como justificación de la ignorancia? Sin embargo, esta sentencia no aparece en ninguno de los escritos en los que se cita al que era más sabio que ningún otro humano, parafraseando a la Pitia. De hecho, la comprobación de lo que en realidad quería decir nos desvelará que Sócrates estaba en realidad probablemente sujeto a un prejuicio cognitivo, el efecto Dunning-Kruger.

El dicho se suele atribuir al Sócrates de Platón. Sócrates no dejó nada escrito, por lo que lo que conocemos de él es lo que escribieron sus contemporáneos, especialmente Platón. En ninguna de las referencias de Platón a Sócrates aparece la expresión “Sólo sé que no sé nada”.

Sin embargo, en la Apología, la versión idealizada de la defensa que hizo Platón de Sócrates en el juicio a éste, encontramos: “Este hombre, por una parte, cree que sabe algo a pesar de no saber nada. Por otra, yo, igualmente ignorante, no creo saber algo”. Esta es la frase a partir de la cual se produce el salto, lógicamente falaz, del “no creo saber algo” al “no sé nada”. El autor no dice que no sepa algo sino que no puede, que nadie puede, saber con absoluta certeza, pero que puede tener confianza acerca del conocimiento de ciertas cosas (por ejemplo, de que el otro no sabe nada). Como es obvio, esta conclusión no la extraemos de esta frase aislada sino sobre el análisis del conjunto de la obra sobre Sócrates que han realizado varios autores.

Vemos pues que la ignorancia o, mejor, su admisión, no es una resultante sino un punto de partida para el conocimiento. Es la base del método socrático que se ilustra mejor en los primeros diálogos de Platón. El método consiste en simular ignorancia, la llamada ironía socrática, o admitirla como base sobre la que construir el conocimiento y establecer un diálogo con un supuesto experto, cuya confiada afirmación de conocer terminará siendo destruida. A partir de aquí ya se pueden desarrollar ideas más adecuadas.

Así, en Menón, un diálogo de Platón, aparece Sócrates diciendo: “Por eso ahora no sé lo que es la virtud; quizás tu lo supieses antes de que me contactases, pero ahora eres ciertamente como uno que no sabe”. En este punto el objetivo de Sócrates está claro, cambiar la posición de Menón, que era un firme creyente en su propia opinión y cuya afirmación de conocimiento Sócrates acaba de probar que es infundada.

Estamos ante el origen de la filosofía occidental que terminará resultando en lo que hoy conocemos como ciencia: Sócrates comienza toda sabiduría con el autocuestionamiento, con la propia admisión de ignorancia.

Pero veamos la misma cuestión desde un punto de vista diferente. En los diálogos socráticos de Platón el sabio es el que duda, el que se cuestiona, mientras que el verdadero ignorante es el que tiene muy clara cuál es la verdad, a la que ha llegado en muchos casos por sí mismo sin preocuparse demasiado de donde surge el conocimiento. Por otra parte, estos “sabios” no siempre reconocen su error, están pagados de sí mismos y se creen superiores a los demás. Estamos ante una ilustración del efecto Dunning-Kruger.

El efecto Dunning-Kruger se puede expresar de la siguiente manera: los peores trabajadores/estudiantes/participantes son los que menos conscientes son de su propia incompetencia. Toma su nombre de un estudio de 2003 que realizaron Dunning, Kruger y otros con estudiantes universitarios con respecto a los resultados de sus exámenes. Después los resultados han sido reproducidos en varias ocasiones, por ejemplo con estudiantes de medicina a la hora de evaluar su capacidad para realizar entrevistas de diagnóstico, con administrativos evaluando su rendimiento o con técnicos de laboratorios médicos calibrando su nivel de dominio del trabajo.

La razón de fondo parece estar en que los que peor lo hacen son incapaces de aprender de sus errores.

Una solución aparentemente simple es decirle directamente al incompetente que lo es y por qué. Pero no funcionará. Desafortunadamente, el incompetente habrá estado recibiendo ese tipo de respuesta durante años y no habrá sido capaz de enterarse. A pesar de los exámenes suspensos, los trabajos mal hechos, las risas, burlas y sesudas contraargumentaciones a sus comentarios en foros y blogs y la irritación que provocan sistemáticamente en los demás, el incompetente sigue sin creerse que lo sea.

Como Sócrates, las personas con verdadero talento tienden a subestimar lo buenos que son. Es la parte simétrica de este prejuicio: las personas inteligentes tienden a asumir que para los demás las cosas son tan fáciles y evidentes como para ellos, cuando lo que están haciendo es proyectar su propia luz y creer que ven un reflejo de la misma en los demás.

Estas ideas se conocen desde mucho antes que Dunning-Kruger y los demás investigadores las cuantificasen. Se pueden encontrar muchas citas al respecto, como esta de Bertrand Russell en la que se refiere a su tiempo, pero que como sabemos que es otro prejuicio cognitivo, podemos extrapolar a cualquiera: “Una de las cosas dolorosas de nuestra época es que aquellos que se sienten ciertos son estúpidos, y aquellos con algo de imaginación y comprensión están llenos de dudas e indecisión”.

En el mundo de Internet lo anterior tiene una consecuencia práctica inmediata: No alimentes al comentarista manifiestamente incompetente, es sólo una versión de troll que busca llamar la atención. Su problema es que no sabe, ni puede llegar a saber, que lo es.

Juan Enríquez: ¿Serán nuestros hijos de una especie diferente?

Esta TEDTalk de Juan Enríquez no te dejará indiferente. Desde el Big Bang un rápido recorrido hasta el presente y una excursión a lo que puede traernos el futuro más inmediato: ¿te imaginas poder descargar tus recuerdos personales y transferirlos a otro cuerpo?¿Y si este cuerpo lo hubieses construido a partir de células de tu piel?¿Está evolucionando nuestro cerebro delante de nuestros ojos? Lo que la investigación en biología sintética, genética y neurociencia nos puede ofrecer a la vuelta de unos pocos años implica también multitud de preguntas con grandes implicaciones éticas, morales, psicológicas y políticas. Y una de ellas es: ¿Serán tus nietos de una especie diferente a la tuya?

Lamentablemente no está en español aún, pero sí está subtitulada en inglés y Enríquez lleva un ritmo fácil en una charla que te recomiendo hagas un esfuerzo por seguir.

Buscando vida extraterrestre con un telescopio de Fresnel.

En ocasiones cuando vemos lo extremadamente compleja y cara en términos relativos que es la investigación espacial, nos preguntamos si no habría formas más fáciles y económicas de hacer las cosas. Es lo que nosotros llamamos desasosiego del lápiz ruso. Pensemos ahora en planetas extrasolares y en la complejidad de los sistemas que se usan para detectarlos, no digamos ya para analizar sus atmósferas: ¿habría una forma más económica y más eficiente de hacerlo? A lo mejor sí.

La mayor parte de los telescopios astronómicos emplean la reflexión para enfocar la luz que entra en ellos. Un espejo cóncavo crea una imagen a partir de esta luz siguiendo un diseño original del siglo XVII, obra de Isaac Newton. Los telescopios que no usan la reflexión usan la refracción, es decir, en vez de un espejo usan un sistema de lentes, idea que popularizó Galileo Galilei.

Pero existe una tercera forma de enfocar la luz. Siglo y medio después de Newton y más de dos después de Galileo, Augustin-Jean Fresnel descubrió que también podía usarse la difracción. Un conjunto de discos concéntricos, alternativamente trasparentes y opacos, dispersarían y difundirían las ondas de luz de manera que se reforzasen a una determinada distancia, formando así una imagen. Ese conjunto de discos se denomina placa zonal de Fresnel. Un equipo encabezado por Laurent Koechlin, de la Universidad de Tolosa (Francia), piensa que esta técnica podría ser útil para descubrir vida en otros planetas. Los resultados de sus primeras pruebas aparecen en Experimental Astronomy.

A-J Fresnel

El ver oxígeno es la atmósfera de otro planeta sería un buen indicio de actividad biológica porque este elemento es tan reactivo que se consume rápidamente; si se detecta quiere decir que hay un mecanismo que es capaz de estar creándolo a un ritmo superior o igual al que se consume. Esto podría indicar que en el planeta debe existir algo que se parezca a la fotosíntesis ya que no se conocen procesos no biológicos que puedan producir oxígeno en cantidades suficientes a partir de materiales comunes. Pero observar los planetas extrasolares no es tan fácil, no digamos ya sus atmósferas. Las estrellas son mucho más brillantes que los planetas que las orbitan por lo que su luz ahoga la pequeña parte de ella que refleja el planeta. Y aquí es donde entra Fresnel.

Los telescopios fresnelianos no se han desarrollado porque una imagen formada por uno que fuese capaz de rivalizar con la de un telescopio reflector de un tamaño manejable estaría a kilómetros de la placa zonal. Pero si el telescopio está en el espacio esto no es tan problemático (en términos relativos, como veremos en seguida). El telescopio fresneliano, libre de los efectos perniciosos de la atmósfera terrestre, sería capaz de aislar imágenes de planetas extrasolares y hacer espectros de sus atmósferas, en los que determinadas líneas oscuras nos revelarían la presencia de determinados gases, el oxígeno entre ellos.

Los telescopios espaciales no son nada nuevo, todos conocemos el nombre de varios (Hubble, Kepler, Newton, etc.), y hay unos cuantos más preparándose para ser lanzados. Pero los planes existentes para fotografiar los planetas extrasolares con ellos implican tener varios telescopios reflectores orbitando la Tierra todos apuntando exactamente en la misma dirección. Se necesitan varios porque un sólo espejo lo suficientemente grande como para distinguir a un planeta de la estrella a la que orbita sería demasiado voluminoso como para poder ser lanzado al espacio. El problema surge con la palabra “exactamente”, que quiere decir precisamente eso. El conjunto, para ser efectivo, tendría que moverse coreográficamente con un error permitido de unas pocas micras (millonésimas de metro).

¿Cómo solucionaría estos problemas un telescopio fresneliano? Para empezar la placa zonal es plana, esto significa que la podemos hacer de plástico y plegarla, con lo que el tamaño deja de ser un problema. Haría falta un segundo satélite que llevase la parte receptora (el ocular, una lente especial que también usa óptica de Fresnel, y una cámara para grabar las imágenes) al foco pero, en este caso, es suficiente una precisión de tan solo centímetros, no micras. Esta es la gran ventaja de los frenelianos frente a los newtonianos, cada orden de precisión dispara presupuestos y complejidad técnica.

Para comprobar la idea experimentalmente, el equipo de investigadores construyó un prototipo: una pieza de cobre de 20cmx20cm que tiene 696 anillos; los anillos realmente no son anillos completos, si lo fuesen la pieza se desharía, sino rendijas curvas (véase parte superior de la imagen de arriba). Esto no afecta a las propiedades ópticas del sistema. Como la pieza es tan pequeña su distancia focal es de sólo 18 metros.

En la fotografía que abre esta entrada podemos ver el montaje experimental. El telescopio es el “Grand equatorial” del observatorio de Niza, que se usó tan sólo como soporte de los dispositivos. En el extremo podemos ver la placa de Fresnel cuadrada sujeta con una varilla y un  marco circular, el módulo secundario está justo por encima de la cabeza del operario, a un metro de la base del tubo del telescopio. La luz se propaga por el exterior del Grand equatorial, “al aire”.

Cuando apuntaron el telescopio a Marte los investigadores pudieron distinguir las dos pequeñas lunas del planeta, lo que requeriría un telescopio newtoniano con un espejo de, al menos, 30 cm de diámetro. Y cuando observaron Sirio pudieron ver la débil luz de la enana blanca que orbita la que es la estrella más brillante del cielo nocturno. (Imágenes y detalles técnicos pueden obtenerse en el artículo que está aquí en PDF gratuito; vídeos se pueden descargar de la web de Koechlin)

Extrapolando estos resultados los autores piensan que una placa zonal de un tamaño de entre 15 y 40 metros de diámetro sería suficiente para distinguir el espectro de un planeta parecido a la Tierra a una distancia de 30 años luz. No estaría mal como reivindicación del señor Fresnel.

Referencia:

Koechlin, L., Rivet, J., Deba, P., Serre, D., Raksasataya, T., Gili, R., & David, J. (2012). First high dynamic range and high resolution images of the sky obtained with a diffractive Fresnel array telescope Experimental Astronomy, 33 (1), 129-140 DOI: 10.1007/s10686-011-9277-7

El mecanismo de crecimiento de fullerenos en el espacio es el mismo que en las velas.

¿Qué tienen en común la llama de una vela y las estrellas moribundas desde el punto de vista químico? Se podrán encontrar otras similitudes pero, sin duda, la más espectacular es la presencia de buckybolas, un alótropo del carbono constituido por 60 átomos que forman un balón de fútbol. Esta estructura se descubrió hace 25 años y se la llamó buckminsterfullereno (C60); desde entonces su proceso de creación ha sido un enigma. ¿Cómo se pasa de átomos individuales de carbono a una estructura tridimensional cerrada? Ahora, un equipo de investigadores encabezado por Paul Dunk, de la Universidad del Estado de Florida, publica un mecanismo en Nature Communications que, si bien no es la respuesta completa, se le perece mucho.

El investigador principal del grupo es Harold Kroto, coreceptor del premio Nobel por su trabajo con los fullerenos en general y con el buckminsterfullereno en particular. El buckminsterfullereno fue sintetizado por primera vez por Kroto cuando vaporizaba grafito en helio para recrear las moléculas de carbono que se detectan de las estrellas gigantes rojas.

Podemos imaginar distintas posibilidades para la creación de una buckybola: que se forme primero una lámina tipo grafeno que después se cierre y recombine, hexágonos y pentágonos que se terminan fusionando y seleccionando, etc, etc. Sin embargo los autores tienen pruebas experimentales de que el proceso consiste en la incorporación de átomos de carbono individuales.

La clave experimental del estudio estriba en la utilización de un espectrómetro de masas de resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier, que tiene un límite superior de masas muy elevado y una sensibilidad y resolución muy altas. Los investigadores emplearon este equipo para analizar los compuestos que se producían cuando fullerenos del tamaño de buckybolas reaccionaban con carbono vaporizado. Cuando había carbono vaporizado presente aparecía fullerenos grandes que contenían cientos de átomos de carbono. Sin el vapor sólo se detectaban C60 y otros fullerenos algo menores.

A la vista de estos datos los investigadores concluyen que los fullerenos más pequeños deben crecer hasta C60 y fullerenos mayores incorporando átomos de carbono o, a lo sumo, dímeros C2, pero no estructuras mayores. Las fullerenos cerrados (vulgarmente llamados jaulas) no comprometen nunca su estructura cerrada aunque reordenen algunos enlaces, es decir, no se abren para incorporar una estructura mayor a C2. Este extremo fue confirmado experimentalmente atrapando átomos de metal en las jaulas, de las que no podían escapar durante el proceso de crecimiento de éstas.

Por tanto, si bien los fullerenos se pueden formar de arriba a abajo a partir de una lámina de grafeno, los investigadores afirman que la ruta de abajo a arriba es la dominante en la producción de fullerenos.

La distribución de fullerenos en el estudio es muy similar a la que se encuentra en el hollín de las llamas de las velas, lo que sugiere el mismo mecanismo. Por otra parte, las condiciones de los experimentos pueden considerarse parecidas a las que se encuentran en el espacio en las zonas donde se cree que se forman los fullerenos: las eyecciones de las estrellas de carbono y las supernovas proveen las mismas condiciones energéticas que el carbono vaporizado del estudio.

Pero aún hay otro dato muy interesante desde el punto de vista astroquímico. Se solía considerar que era necesaria la ausencia de hidrógeno para la formación de fullerenos; sin embargo, los investigadores reprodujeron los resultados en presencia de hidrógeno. Es decir, este estudio establece una ruta eficiente alternativa a la considerada habitualmente para la formación de fullerenos en el espacio, y abre la posibilidad de encontrar fullerenos en regiones del espacio insospechadas hasta ahora.

Pero el inteligente lector, si ha llegado leyendo hasta aquí, se habrá dado cuenta de que falta la pieza central del puzle: ya sabemos cómo crecen, pero ¿cómo se forman las jaulas más pequeñas? ¿Cómo se fusionan cadenas y anillos de carbono al principio? Nadie lo sabe. ¿Quieres un tema interesante para la tesis?

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVI Edición del Carnaval de Química que organiza el blog ¡Jindetrés, sal! 

Referencia: 

Dunk, P., Kaiser, N., Hendrickson, C., Quinn, J., Ewels, C., Nakanishi, Y., Sasaki, Y., Shinohara, H., Marshall, A., & Kroto, H. (2012). Closed network growth of fullerenes Nature Communications, 3 DOI: 10.1038/ncomms1853

El metano en Marte vendría de los meteoritos (y no de vida), después de todo.

Meteorito Murchison

El problema del metano en Marte es muy interesante por varios motivos: químicos, atmosféricos, geológicos, planetarios y biológicos. Nos habla de nuestra capacidad de explorar la composición de cuerpos diferentes a la Tierra. Por este mismo motivo en este blog hay varias referencias al mismo, véase por ejemplo ¿Hay o no hay metano en Marte?. Una exposición del estado de la cuestión y de su importancia puede verse en este vídeo de la conferencia que di en la Universidad de Murcia.

Hay una novedad importante, tanto como para que se publique en Nature. Podría ser que el origen del metano en Marte estuviese en los meteoritos, después de todo. Pero por una vía insospechada hasta ahora.

Como tienes más información detallada en el vídeo y en el enlace de arriba, resumamos esquemáticamente el estado de la cuestión antes de entrar a explicar el nuevo descubrimiento.

1. Casi una década después de que se informase de la detección de metano en Marte todavía se está discutiendo la fiabilidad de las observaciones.
2. La presencia observada de metano varía con la localización y la estación del año.
3. La discusión sobre las posibles fuentes de metano que expliquen las observaciones ha sido todavía más intensa:
3.1 Como la vida del metano en la atmósfera de Marte es limitada debe existir un proceso en la superficie o debajo de ella que lo produzca de forma continua y asociado a las estaciones.
3.2 Una de las posibles explicaciones es la metanogénesis microbiana, esto es, que exista vida en Marte
3.3 Existen explicaciones alternativas puramente geoquímicas, lo que tendría implicaciones importantes sobre la geología de Marte
3.4 El aporte de metano durante la ablación de los meteoritos carbonáceos que caen sobre Marte se considera despreciable.

Distribución de metano en el verano marciano

Y así estaba la cosa, pendientes de que Curiosity llegue a Marte en agosto y nos permita saber algo más. Pero el equipo encabezado por Frank Keppler, del Instituto Max Planck de Química (Alemania), ha dado con una ruta sintética que podría explicar las observaciones actuales con bastante aproximación. Lo más importante es que, además, el mecanismo es sencillo y plausible. Y este mecanismo surge de la respuesta a la pregunta que se propuso responder el equipo de investigadores, que no puede parecer más tonta: ¿qué les pasa a los meteoritos después de llegar a la superficie?

Las condritas carbonáceas, un tipo de meteorito rico en materiales orgánicos, bombardean con mucha frecuencia la superficie de Marte. Por eso se pensó en ellos como posible fuente del metano, que liberarían durante el proceso de entrada en la atmósfera y su viaje por ella (ablación). Pero, como decíamos arriba, los cálculos dicen que el aporte de metano por esta vía es despreciable. Sin embargo, cuando llegan al suelo marciano, se ven sometidas a una radiación ultravioleta sin filtrar. Recordemos que la atmósfera marciana es básicamente dióxido de carbono, y que no tiene una capa de ozono como la Tierra que filtre buena parte de la radiación ultravioleta.

Investigaciones previas demuestran que la radiación ultravioleta puede provocar la emisión de metano de restos vegetales muertos sin que intervengan bacterias. ¿Ocurriría lo mismo con un meteorito carbonáceo?

El equipo de investigadores tomó muestras del meteorito que cayó en Australia en 1969, conocido como Murchison, una condrita carbonácea cuya composición química se considera muy parecida a la de los meteoritos que caen habitualmente sobre Marte. Tras someterlas a radiación ultravioleta en las condiciones del suelo marciano, los investigadores encontraron (para su sorpresa) que se liberaba metano en cantidades suficientes como para dar cuenta de buena parte del metano observado.

Este dato, de confirmarse, no excluiría completamente el origen biológico del metano marciano pero si lo hace muy poco probable.

El inteligente lector, en este punto, se estará haciendo algunas preguntas pertinentes. Una de ellas es como accede la radiación ultravioleta al interior del meteorito, puesto que su superficie habrá sido alterada por el proceso de entrada y es poco probable que pueda producir metano. Este es uno de los puntos menos fuertes de la hipótesis: hace falta mucha meteorización que produzca la rotura del meteorito y que permita el acceso de la radiación ultravioleta al interior. Sin embargo, esto casa muy bien con la estacionalidad, ya que las diferencias de temperatura podrían fraccionar el meteorito.

La otra gran pregunta es cómo se descarta el origen terrestre del metano generado o, dicho de otra forma, cómo se garantiza que las muestras no están contaminadas. Muy sencillo: por la identificación isotópica. Las muestras extraterrestres tienen una proporción de isótopos de hidrógeno diferente a la terrestre. La composición isotópica del carbono sin embargo es muy similar, por lo que no serviría para la identificación de una hipotética vida marciana.

Démonos cuenta de que el problema del metano en Marte es una piedra de toque para nuestra capacidad de analizar la composición de planetas y satélites a distancia. Lo mejor del asunto es que la hipótesis del origen meteorítico del metano es algo a lo que Curiosity puede aportar datos.

Referencia:

Keppler, F., Vigano, I., McLeod, A., Ott, U., Früchtl, M., & Röckmann, T. (2012). Ultraviolet-radiation-induced methane emissions from meteorites and the Martian atmosphere Nature DOI: 10.1038/nature11203