Pero esas cálidas temperaturas diurnas dan vida también a los diablos marcianos. Es decir, los remolinos de polvo.
Usted fue sorprendido por uno de ellos justo ayer, y fue una experiencia endiabladamente aterradora. Este no era uno de los pequeños remolinos del desierto de Arizona, de sólo unas cuantas decenas de metros de alto y de unos cuantos metros de diámetro… y que desaparecen en segundos.
No, lo que le golpeó ayer fue una monstruosa columna alzándose varios kilómetros de altura y de cientos de metros de ancho, diez veces más grande que cualquier tornado de la Tierra. Arena rojiza y polvo azotándole a más de treinta metros por segundo (setenta millas por hora) llevaron la visibilidad a cero, erosionando el cristal de su escafandra, y llenando de polvo cada pliegue y arruga de su traje espacial. Durante quince minutos se encogió y resistió las bofetadas. La peor parte fue el incesante crujir y relampaguear de rayos en miniatura mordiéndole a usted y su vehículo, y la fuerte estática en su radio que le impedía pedir ayuda.
¿Podría esto ocurrir realmente? Según la Visión para la Exploración Espacial de la Nasa, los astronautas visitarán Marte en las próximas décadas. Y cuando lleguen, los diablos del polvo estarán esperándolos.
"La arena en la parte baja de un remolino marciana sería el mayor peligro", dice Mark T. Lemmon, científico investigador asociado en el Departamento de Ciencias Atmosféricas en la Universidad de Texas A&M. "La presión atmosférica sobre Marte es sólo del uno por ciento de la del nivel del mar (en la Tierra), de tal manera que usted no sentiría demasiado el golpear del viento. Pero aun así, sería golpeado por material a alta velocidad".
Además, el polvo y la arena móviles podrían cargarse eléctricamente, hasta el punto de "formar un arco con el traje espacial o el vehículo, y crear una interferencia electromagnética", añade William M. Farell del Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la Nasa.
Los remolinos marcianos se originan de la misma manera que lo hacen en los desiertos de la Tierra. "Se necesita un fuerte calentamiento de la superficie, de forma que el suelo pueda estar más caliente que el aire sobre él", explica Lemmon. El aire caliente de menor densidad cercano al suelo, asciende, empujando a través de la capa de aire más frío y denso por encima; penachos ascendentes de aire caliente y penachos descendentes de aire frío comienzan a circular verticalmente en corrientes de convección. Si una ráfaga horizontal de viento lo atraviesa, "hace voltear las corrientes de convección hacia un lado, de manera que éstas comienzan a girar horizontalmente, formando columnas verticales -y dando lugar a un diablo de polvo".
El aire caliente que asciende a través del centro de la columna impulsa al aire a girar cada vez más rápido -lo suficiente para comenzar a levantar arena. La arena que barre el suelo se convierte en harina (polvo fino), y la columna central de aire caliente ascendente mantiene ese polvo en lo alto. Una vez que los vientos horizontales dominantes comienzan a empujar al remolino por el suelo, ¡tenga cuidado!
"Si usted estuviera cerca del vehículo lunar Spirit en ese momento [en el cráter Gusev] a medio día, podría ver media docena de diablos de polvo", dice Lemmon. Cada día de la primavera o el verano marcianos, los remolinos comienzan a aparecer sobre las 10 AM a medida que el suelo se calienta, y comienzan a declinar sobre las 3 PM a medida que el suelo se enfría (el día solar de Marte de 24 horas 39 minutos es sólo 39 minutos más largo que el de la Tierra). A pesar de que la frecuencia y duración exacta de los remolinos marcianos se desconoce, las fotografías de la Mars Global Surveyor en órbita revelan innumerables rastros errantes en todas las latitudes del planeta. Estos rastros se entrecruzan en los suelos en los que los remolinos han arañado el material suelto de la superficie para revelar debajo suelos de un color diferente.
Además, los remolinos reales han sido fotografiadas desde la órbita -algunas de ellas tan grandes como de uno a dos kilómetros de diámetro en su base y, a partir de sus sombras, claramente llegando a los ocho a diez kilómetros de alto.
Lo que intriga a Farell después de haber perseguido remolinos en el desierto de Arizona, sin embargo, es el extraño hecho de que los remolinos terrestres están cargadas eléctricamente, y los remolinos marcianos podrían estarlo también.
Las remolinos obtienen su carga eléctrica de granos de arena y polvo que se frotan en el remolino. Cuando ciertas parejas de materiales poco frecuentes se rozan, un material cede alguno de sus electrones (cargas negativas) al otro. Esta separación de cargas eléctricas se denomina carga triboeléctrica, el prefijo "tribo" significa "fricción". La carga triboeléctrica hace que el cabello se erice cuando se frota un globo contra la cabeza. La arena y el polvo, como el plástico y el pelo, forman un par triboeléctrico. (La arena y el polvo no están hechos necesariamente del mismo material, destaca Lemmon, ya que "el polvo puede ser arrastrado desde cualquier sitio"). Las partículas más pequeñas de polvo tienden a cargarse negativamente, robando electrones de granos de arena de mayor tamaño.
A causa de que la columna central de aire ascendente que alimenta el remolino lleva el polvo cargado negativamente y deja la arena más pesada -cargada positivamente- girando cerca de la base, las cargas se separan, creando un campo eléctrico. "Sobre la Tierra, hemos medido con instrumentos campos eléctricos del orden de veinte mil voltios por metro (20 kV/m)" dice Farell. Eso son minucias comparadas con los campos eléctricos de las tormentas de rayos de la Tierra, en las que los rayos no iluminan hasta que los campos eléctricos alcanzan unas cien veces más -lo suficiente para ionizar (separar) las moléculas del aire.
Pero estos campos de 20 kV/m "están muy cerca de producir el colapso en la fina atmósfera marciana", destaca Farell. Más significativo es que los remolinos marcianas son tan superiores en tamaño a sus equivalentes terrestres que la energía eléctrica que almacenan podría ser mucho más alta. "¿Cómo se descargarían esos campos?", se pregunta. "¿Habrá relámpagos marcianos en el interior de los remolinos?" Incluso si los relámpagos no ocurrieran naturalmente, la presencia de un astronauta o un vehículo o hábitat podría inducir descargas filamentosas, o formaciones de arcos locales. "De lo que realmente hay que tener cuidado es de las esquinas, en las que los campos eléctricos pueden volverse muy fuertes", añade. "Quizá desearía que su vehículo o su casa fueran redondos".
Otra consideración para los astronautas de Marte sería la "estática de radio cuando los granos cargados golpean las antenas sin aislamiento", advierte Farell. Y después de que el remolino se disipara, un recuerdo de su paso podría ser una adhesión extra de polvo a los trajes espaciales, vehículos, y hábitat por medio de la atracción electrostática -el mismo fenómeno que causa que las medias se peguen cuando se sacan de la secadora- haciendo difícil la limpieza antes de regresar a la base.
Debido a que los remolinos marcianas pueden ascender hasta los 8 o 10 kilómetros de alto, los meteorólogos planetarios creen ahora que estos diablos pueden ser responsables de arrojar polvo en las capas altas de la atmósfera marciana. De manera importante para los astronautas, ese polvo también podría estar transportando cargas negativas a lo alto de la atmósfera. La carga situada en la parte alta de la tormenta podría representar un peligro para un cohete que despegase de Marte, como le sucedió al Apolo 12 en noviembre de 1969 cuando partió desde Florida durante una tormenta de truenos: El tubo de escape del cohete ionizó o separó las moléculas del aire, dejando un rastro de moléculas cargadas hasta el suelo, lo cual desencadenó el brote de un rayo que golpeó la nave.
"Los primeros navegantes marinos, como Colón, comprendieron que sus naves tenían que ser diseñadas para condiciones meteorológicas extremas", apunta Farell. "Para diseñar una misión a Marte, necesitamos conocer los extremos del clima marciano -y esos extremos parecen tener la forma de tormentas de polvo y remolinos".
http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2005/14jul_dustdevils.htm?list374952
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El siguiente paso de gigante
La ciencia de la nanotecnología podría llevar a
progresos radicales en la exploración espacial
Miércoles 27 de julio de 2005
Cuando se va a dar el siguiente "paso de gigante" en exploración espacial, la Nasa está pensando en lo pequeño -lo verdaderamente pequeño.
En los laboratorios de todo el país, la Nasa está apoyando la floreciente ciencia de la nanotecnología. La idea básica es aprender a tratar la materia a escala atómica -poder controlar con la suficiente precisión- átomos individuales y moléculas para diseñar máquinas del tamaño de una molécula, electrónica avanzada y materiales "inteligentes".
Si los visionarios están en lo cierto, la nanotecnología podría llevar a robots que usted podría sostener en la yema del dedo, trajes espaciales autorreparables, ascensores espaciales y otros fantásticos dispositivos. El cabal desarrollo de algunas de estas cosas puede llevar más de veinte años; otras están tomando forma en el laboratorio hoy en día.
Pensando en lo pequeño
Sencillamente, hacer cosas más pequeñas tiene sus ventajas. Imagínese, por ejemplo, que los vehículos de Marte, Spirit y Opportunity, se hubiesen podido construir tan pequeños como un escarabajo, y pudiesen correr rápidamente como éste por rocas y arena, tomando muestras de minerales y buscando evidencia sobre la historia del agua de Marte. ¡Cientos de miles de estos diminutos robots podrían haberse enviado en las mismas cápsulas que llevaron a los dos vehículos del tamaño de un escritorio, permitiendo a los científicos explorar mucha más superficie del planeta -¡e incrementando las probabilidades de encontrar una bacteria marciana fosilizada!
Pero la nanotecnología va más allá de sólo la reducción de objetos. Cuando los científicos puedan ordenar y estructurar a voluntad la materia a nivel molecular, nuevas y asombrosas propiedades podrían surgir en cualquier momento.
Un excelente ejemplo, preferido del mundo nanotecnológico, es el nanotubo de carbono. En estado natural el carbono aparece como grafito -el blando y negro material usado habitualmente en la mina de los lápices- y como diamante. La única diferencia entre los dos es la organización de los átomos de carbono. Cuando los científicos colocan los mismos átomos de carbono en un modelo de "red metálica" y los enrollan en minúsculos tubos de tan sólo 10 átomos de diámetro, los "nanotubos" resultantes adquieren algunas características extraordinarias. Los nanotubos:
– Tienen 100 veces la resistencia del acero, pero sólo 1/6 de su peso.
– Son 40 veces más fuertes que las fibras de grafito.
– Conducen la electricidad mejor que el cobre.
– Pueden ser conductores o semiconductores (como los microprocesadores de ordenador), dependiendo de la colocación de los átomos.
– Y son excelentes conductores de calor.
Actualmente la mayor parte de la investigación mundial en nanotecnología se centra en estos nanotubos. Los científicos han propuesto usarlos en un amplio abanico de aplicaciones: en cables de alta resistencia y bajo peso necesarios para un ascensor espacial; como alambres moleculares para nanoelectrónica; integrados en microprocesadores para ayudar a disipar el calor; y como barras de transmisión y engranajes en nanomáquinas, para mencionar sólo algunos ejemplos.
Los nanotubos ocupan un lugar relevante en la investigación llevada a cabo en el Centro de Nanotecnología de Ames de la Nasa (CNT). El centro se creó en 1997 y actualmente emplea a casi 50 investigadores a tiempo completo.
"Intentamos centrarnos en tecnologías que puedan dar lugar a productos utilizables dentro de unos pocos años a una década," dice el director de CNT, Meyya Meyyappan. "Por ejemplo, estamos mirando cómo los nanomateriales podrían ser utilizados para sostener vida avanzada, secuenciadores de ADN, computadores superpotentes, y pequeños sensores de productos químicos, o incluso sensores del cáncer."
Un sensor químico que ellos desarrollan usando nanotubos volará el próximo año al espacio en una misión de demostración a bordo de un cohete de la Armada. Este diminuto sensor puede detectar cantidades tan pequeñas como unas pocas partes por mil millones de sustancias químicas específicas -tales como gases tóxicos- resultando útil tanto para la exploración espacial como para la defensa del país. CNT también ha desarrollado un modo de utilizar nanotubos para refrigerar los microprocesadores de computadores personales, un reto de primer orden a medida que los CPUs se hacen cada vez más potentes. Esta tecnología de refrigeración ha sido autorizada a una empresa de reciente creación de Santa Clara, California, llamada Nanoconducción, e Intel también ha demostrado interés, dice Meyyappan.
Diseñando el futuro
Si estas aplicaciones a corto plazo de la nanotecnología parecen impresionantes, las posibilidades a largo plazo son realmente increíbles.
El Instituto de Ideas Avanzadas de la Nasa (NIAC), una organización independiente y financiada por la Nasa, ubicada en Atlanta, Georgia, fue creada para promover la investigación avanzada en tecnologías radicales del espacio que tardará de 10 a 40 años en dar sus primeros frutos.
Por ejemplo, una reciente subvención de NIAC financió un estudio de factibilidad para la nanoindustria -en otras palabras, la utilización de grandes cantidades de máquinas moleculares microscópicas para producir cualquier objeto que se desee, ensamblándolo ¡átomo por átomo!
Esta subvención de NIAC fue concedida a Chris Phoenix del Centro de Nanotecnología Responsable.
En la página 112 de su informe, Phoenix explica que una "nanofábrica" de esta índole podría producir, dice, piezas de astronaves con precisión atómica, lo cual significa que cada átomo dentro del objeto está colocado exactamente en donde corresponde. La pieza resultante sería extremadamente fuerte, y su forma podría estar dentro de la anchura de diseño ideal con no más de un solo átomo de diferencia. Superficies ultra-lisas no necesitarían limpieza ni lubricación, y prácticamente no sufrirían deterioro por el paso del tiempo. Una tan alta precisión y fiabilidad de las piezas de una astronave es de máxima importancia cuando está en juego la vida de los astronautas.
Aunque Phoenix esbozó algunas ideas de diseño de una nanofábrica de oficina en su informe, reconoce que -a excepción de un "Proyecto Nanhattan" de gran presupuesto, como él lo llama- para una nanofábrica funcional, tardaría como mínimo una década, y probablemente mucho más.
Tomando ejemplo de la biología, Constantinos Mavroides, director del Laboratorio de Bionanorrobótica Computacional del la Universidad del Nordeste, de Boston, está explorando un planteamiento alternativo sobre aplicación de la nanotecnología:
En lugar de empezar desde cero, las ideas del estudio de Mavroidis financiado por NIAC emplean "máquinas" moleculares y funcionales preexistentes que pueden ser encontradas en toda célula viva: moléculas de DNA, proteínas, enzimas, etc.
Formadas por una evolución de millones de años, estas moléculas biológicas se encuentran ya completamente adaptadas a la manipulación a escala molecular de la materia -la razón por la cual una planta puede combinar aire, agua y desechos, y producir una jugosa fresa roja, y el cuerpo de una persona puede convertir la cena de la noche pasada en los nuevos glóbulos rojos de hoy. La reorganización de átomos que hace que todo esto sea posible es llevada a cabo por cientos de enzimas y proteínas especializadas, y el DNA guarda el código para llevar a cabo el proceso.
La utilización de estas máquinas moleculares "pre-existentes" -o usándolas como puntos de partida para nuevos diseños- es una derivación popular de la nanotecnología, llamada "bio-nanotecnología".
"¿Por qué reinventar la rueda?" se pregunta Mavroidis. "La naturaleza nos ha dado toda esta grande y altamente perfeccionada nanotecnología dentro de los seres vivos, así que ¿Por qué no usarla, e intentar aprender algo de ella?"
Los usos específicos de la bio-nanotecnología que Mavroidis propone en su estudio son muy futuristas. Una idea consiste en cubrir con una especie de "tela de araña" de tubos del grosor de un cabello, llena de detectores bionanotecnológicos, docenas de millas de terreno, para cartografiar con gran detalle el entorno de algún planeta extraterrestre. Otra idea que propone es una "segunda piel" que los astronautas llevarían debajo de sus trajes espaciales, la cual usaría bio-nanotecnología para detectar y reaccionar a la radiación que atravesara el traje, y sellar rápidamente todo corte o pinchazo.
¿Futurista? Sin duda. ¿Posible? Quizás. Mavroidis admite que faltan probablemente décadas para tecnologías semejantes, y que la tecnología del futuro será probablemente muy diferente de como la imaginamos actualmente. De todas formas, cree que es importante que se empiece a pensar ahora en lo que la nanotecnología podría hacer posible dentro de muchos años.