V. LA MICROGRAVEDAD Y LOS MATERIALES
EN LOS capítulos anteriores se han dado ejemplos del efecto que la gravedad y sobre todo su contraparte, la microgravedad, tienen en la instauración de propiedades durante la elaboración de los materiales. Aquí incursionaremos un poco más a fondo en las causas y efectos de la microgravedad tanto en los materiales como en los sistemas biológicos, ya que tales actividades tienen un futuro insospechado para la investigación básica y sus aplicaciones, por lo que se puede anticipar que serán campo atractivo y fértil. Es natural que muchos procesos tecnológicos utilicen los efectos de la gravedad para sus propios fines: la gravedad está siempre presente y es lo suficientemente constante para asistirnos en hechos tan simples como vaciar un camión de volteo, o usar el agua para generar electricidad, o para bajar mineros por el tiro de la mina. Pero la gravedad también actúa en contra de nuestros intereses en muchas situaciones, como cuando nos caemos o cuando nos cae algo en la cabeza, o al tener que usar electricidad para subir agua a un depósito, o al subir en un elevador. La gravedad es una propiedad de atracción, presente en las cosas que tienen masa; el hecho de que algo sea muy pesado, o masivo, implica necesariamente que sienta y ejerza notablemente fuerzas de gravedad. Suele ser más fácil visualizar este fenómeno en términos astronómicos, a saber: cuando algo tan masivo como el Sol está presente en un lugar del Universo, en su zona circundante se extiende un campo de fuerza que hace que todo objeto con masa lo perciba. Si éste es pequeño tiende a precipitarse hacia él. La única manera de evitar precipitarse hacia el Sol, estando dentro de su campo de atracción, es desplazarse a su alrededor a gran velocidad, como lo hacen los planetas y satélites.
Veamos este ejemplo con algún detalle; el campo gravitacional del Sol, que como dijimos es resultado de su gran masa, hace sentir sus efectos de acuerdo con la distancia: de hecho, es proporcional al cuadrado de la distancia, así que mientras más cerca se esté del Sol, mucho más fuertes serán los efectos de este campo. Los planetas describen trayectorias casi circulares alrededor del Sol, es decir, se encuentran en la órbita solar. Mientras mayor sea la velocidad de un planeta (la Tierra viaja a 108 000 km/h), más lejos del Sol tendrá el planeta su órbita. No obstante, para cada cuerpo en órbita existe una velocidad llamada velocidad de escape, que es la velocidad a la que un satélite escapa del campo gravitacional de un cuerpo, y que se utiliza en la práctica para mandar, por ejemplo, sondas automáticas a otros cuerpos como la Luna y los planetas. Para nosotros, que estamos sobre la superficie de uno de estos planetas, la gravitación solar se manifiesta principalmente a través del calendario anual, que es una medida detallada de nuestra órbita solar. Pero, al ser la Tierra mucho más masiva que nosotros, nos atrae con una fuerza que depende de ambas masas (suya y nuestra), y que también, como en el caso de los planetas, depende de nuestra distancia de la superficie. A Kepler, con sus leyes, y años después a Newton, con la expresión matemática de esas leyes, debemos las explicaciones sobre los fenómenos que causa la gravedad. Pero sólo hasta nuestros días ha sido posible, como resultado del inicio de la conquista del cosmos, apreciar y visualizar la potenciación que tiene para la humanidad la ausencia de esta fuerza: el estado de imponderabilidad o microgravedad.
En la Tierra, como era de esperarse, la gravedad participa y genera un sinnúmero de fenómenos como: las mareas del océano, la sedimentación de polvo en lagos, el mantener a la Luna en su órbita, o hacer que los ríos bajen al mar y que rueden las piedras cuesta abajo. Pero, en cambio, en un laboratorio, la gravedad es utilizada por su constancia como elemento de control y medición: por ejemplo, al sedimentar un material, al vaciar un líquido en un vaso de precipitado (de la gravedad viene que se precipiten las cosas), al pesar un objeto en una báscula (que sin gravedad no pesaría), y cuando se mezclan solos dos líquidos con diferente temperatura, como la leche y el café. En este y en todos los casos de convección térmica, cuando agregamos a un líquido frío una parte caliente, la caliente, por ser menos densa tiende a irse hacia arriba, a flotar, y la fría hacia abajo. Las corrientes que se forman con estos movimientos (llamadas corrientes convectivas) son causadas por la gravedad terrestre y, como están presentes en numerosos procesos de la vida diaria, desde el hogar hasta la industria, su estudio y comprensión tienen una gran importancia práctica.
En cualquier caso, dentro y fuera del laboratorio, muchas veces nos estorba la gravedad, y ahí sí que tenemos un problema: quitarse la gravedad de encima (o de dentro), aunque sea por algunos segundos, resulta ser bastante complicado al punto que suele catalogársele de desafío o de mera locura. ¿Acaso los primeros aeronautas y pilotos no "desafiaban" la gravedad, y estaban, en opinión de muchos, catalogados como locos e intrépidos, temerarios o soñadores? Pero, ¿qué motivación sentían para atreverse a desafiarla?, y sobre todo, ¿qué inesperado e inimaginable resultado surgió a partir de esas primeras hazañas?: la conquista aeroespacial dio inicio con estos intrépidos. Por cierto que los intrépidos llevan muchos siglos soñando con desafiar la gravedad, y si tuviéramos que citar un solo ejemplo, indiscutiblemente tendríamos que hablar del ingenioso Dédalo, el mitológico ateniense. Dédalo puede ser considerado el prototipo del artista universal, el arquitecto y el más notable inventor de recursos mecánicos (antes que el histórico Da Vinci). Cuando este genio fue desterrado de Creta por el crimen de su sobrino y ayudante Talo, se refugió con el rey Minos, a quien rendía su agradecimiento con su talento, que incluía además el de ser escultor.
Minos, por descuidar a la bella Pasifae, su esposa, tuvo que vivir con la afrenta de ver a su mujer dar a luz al Minotauro: fruto de los amores contra natura de Pasifae con un toro. Minotauro, si bien tenía un apuesto cuerpo humano, tenía una horrible cabeza de toro, y algunas mañas, como un formidable apetito, que lo hacía devorar siete jóvenes y siete doncellas cada año (otros dicen que tres veces por año). Para controlar a tan desmesurada criatura, Minos ordenó al ingenioso Dédalo construir el famoso Laberinto de Cnosos, donde encerraron al monstruo.
Así estaban las cosas, cuando Dédalo cedió a los ruegos de Ariadna, hija de Minos, y le aconseja cómo salvar al último pasto de jovenzuelos, entre los que se encontraba su amado Teseo. Este penetra en el laberinto utilizando el viejo truco de atar un hilo a la entrada, y prosigue hasta encontrar al Minotauro, a quien da muerte, escapando vivo junto con la dieta, y de paso también con Ariadna. La fuga despierta tal ira en Minos, que encarcela al solícito Dédalo y a su hijo Ícaro dentro de la misma complicada obra que había construido para satisfacer al rey. Pacientemente, el avispado Dédalo, ayudado por Ícaro, fue coleccionando todas las plumas que dentro del laberinto caían, y con su tradicional destreza, fabricó con ellas, y con cera de los panales que ahí se instalaban, unas enormes alas, atando las plumas con lino, y pegándolas con cera; las alas se fijaban a los brazos de estos intrépidos por medio de correas de cuero. Un buen día subieron a la torre que dominaba el paisaje y se lanzaron al vacío, escapando del laberinto en lo que constituyó el primer desafío a la gravedad. No obstante el éxito inicial, el entusiasmo juvenil de Ícaro lo indujo a olvidar momentáneamente su propósito, y distrayéndose con el panorama de libertad y el canto de los pájaros, se remontó impetuoso a las alturas, contra las indicaciones de su propio padre, quien a gritos le advertía que el Sol derretiría la cera de sus alas; cosa que ocurrió, e Ícaro se precipitó al mar, y se ahogó, constituyéndose así en la víctima precursora de todos aquellos que después sucumbirían por su deseo de volar.
La creación de Dédalo, junto con la aleccionadora muerte de Ícaro, inspiró a inventores como Da Vinci, que en el siglo XV descubrió los principios del aeroplano y el helicóptero.
Se pueden citar otras muchas maneras de desafiar la gravedad, aunque casi todas son peligrosas, mortales, breves, o insuficientes para hacer algo útil. Podemos desafiarla brevemente por ejemplo lanzándonos al vacío —como Ícaro—, pero no viviríamos para contarlo. También dentro de un elevador con los cables rotos, experimentaríamos lo que es flotar verdaderamente, pero a la vez tendríamos una breve e irrepetible sensación. Más caro, pero más seguro, resulta hacerlo en un avión en caída libre, donde podríamos gozar verdaderamente durante unos 30 segundos, una y otra vez. Sin embargo, el pago puede ser excesivo para cualquier mortal, y demasiado breve para casi todo experimento de laboratorio.
Así pues, los científicos experimentales tuvieron que esperar una nueva era, la era espacial, para percatarse de que la microgravedad abría nuevos y numerosos caminos, en los que podían dar rienda suelta a su imaginación, disponiendo de cuanta "ausencia" de gravedad desearan, aunque, por ser una actividad tan cara, queda uno obligado a hacer un uso eficiente del tiempo; es decir, los experimentos deben diseñarse y controlarse conforme a un detallado programa, que antes debe pasar con éxito un número apropiado de pruebas y evaluaciones críticas.
Ahora veamos qué pasa con una nave que viaja en la órbita terrestre, comenzando con un ejemplo de la física clásica o de un juego de niños. Cuando atamos con una cuerda una masa, digamos una pelota, y le damos vueltas como a la honda de un pastor, podemos sentir que mientras más rápido gira alrededor de la mano, con más fuerza nos jala. Esta fuerza, llamada centrífuga (que se fuga del centro), depende directamente de la velocidad del giro. Al girar la pelota describe un círculo, una órbita, que tiene como radio el largo de la cuerda. Una nave en órbita también tiene una fuerza que la mantiene dando vueltas, pero es una fuerza invisible, no como la cuerda: es la gravedad. Pero el hecho de que esta fuerza sea invisible no le quita sus propiedades de fuerza, es decir, el causar efectos en las cosas: el que dude de la existencia de fuerzas invisibles, recuerde su última caída al suelo. Ahora bien, para colocar una carga útil en órbita, hay que acelerarla con un cohete, primero verticalmente para abandonar la atmósfera, aunque ya durante el ascenso el cohete se irá inclinando progresivamente para acelerar el vuelo también en sentido horizontal, hasta alcanzar velocidad orbital, que varía según la altura: para una órbita de 300 km de altura, por ejemplo, la velocidad circular es de cerca de 7.8 km/s (más de 28 000 km/h). Estas velocidades no se pueden alcanzar dentro de la atmósfera por la fricción del aire, que mientras más rápido fluye alrededor de algo, produce efectos más destructivos. Para alcanzar estas velocidades, es común que los propulsores y combustible de una nave espacial pesen de 10 a 15 veces más que su carga útil.
Desde el punto de vista de la mecánica, una nave espacial en órbita es un ejemplo del equilibrio de dos fuerzas: la fuerza de gravedad, por un lado (que en órbita a 300 km de altura sigue teniendo un valor de cerca de 80% del que tiene sobre la superficie terrestre) y por otro, la fuerza centrífuga, que, en ejemplo de la cuerda y la pelota es la fuerza que sentimos en la mano y que aumenta o disminuye según la velocidad a la que gire la pelota, o en este caso, la nave que viaja alrededor de la Tierra.
Un tripulante adentro de una nave espacial no percibe la gran velocidad a la que viaja pues fuera de la atmósfera, sin aire, la nave no tiene fricción, por lo que no se manifiestan los indicadores habituales de velocidad: la vibración y el ruido. Tampoco percibe la atracción de la gravedad, ya que se contrarresta por el efecto de la velocidad circular, así que todo dentro de la nave flota, o, dicho de otra manera, en ella se instala la condición de imponderabilidad. Resumiendo: la única manera de "desafiar" la gravedad es, o en caída libre por periodos cortos, o en órbita, donde esto puede ser una condición permanente.
Como se mencionó anteriormente, un avión en caída libre permite cerca de 30 segundos de microgravedad continua, y cierta parte de los experimentos que se van a realizar en órbita se ensayan primero en una serie de vuelos parabólicos. Estos vuelos se realizan generalmente en aviones grandes, equipados con motores particularmente potentes, y que describen trayectorias de forma parabólica, como la que sigue una piedra lanzada hacia arriba. Los aviones de entrenamiento en microgravedad suben con una inclinación de 45 grados y, súbitamente, invierten la trayectoria para bajar también a 45 grados: con esta operación los tripulantes son acelerados primero hacia arriba, y después caen libremente junto con el avión, aun cuando su sensación no es la de caer, sino la de flotar dentro de la cabina; ésta es la situación donde mejor se simula la microgravedad espacial sin estar en el espacio, pero con la importante diferencia de que ocurre por periodos breves, e interrumpidos periódicamente. Es evidente que entre cada trayectoria parabólica el avión tiene que recuperar altura, por lo que frena la caída con un cambio de trayectoria, esta vez hacia arriba. En esta última operación los tripulantes se pegan al piso con gran fuerza; en la práctica, esta fuerza equivale a dos veces la fuerza de la gravedad: 2 g (en términos más técnicos la gravedad se simboliza con la letra g). De hecho todos hemos experimentado una situación similar al subirnos a un elevador o a los juegos mecánicos de una feria: cuando subimos nos sentimos más pesados, pero si bajamos súbitamente tenemos una cierta sensación (sobre todo en el estómago) de flotar. La única diferencia con el caso del avión es que en éste el fenómeno dura más.
Algunas de las sensaciones de la microgravedad se pueden experimentar también en piscinas, donde las personas y los materiales han sido previamente balanceados con cámaras de aire para que tengan una flotación neutra, aquella condición en la que los cuerpos no tienden ni a subir ni a caer al fondo de la piscina. No obstante, la diferencia aquí entre la flotación en la piscina y la del espacio es, por un lado, la fricción del cuerpo en movimiento dentro del agua, ausente en el espacio, dado el vacío, y que produce efectos algo diferentes de los del estado en órbita; por otro lado, también el hecho de que la persona dentro de la piscina no flota dentro del espacioso y rígido traje espacial, y durante el entrenamiento en la piscina lo llega a cansar y a molestar. Otra diferencia es que si se coloca con el traje con los pies hacia arriba, la sangre se le acumula en la cabeza, cosa que no ocurre en órbita, donde hasta puede dormir con cualquier orientación. Volvemos, pues, a lo mismo: sólo en órbita y brevemente en la caída libre se da el estado de imponderabilidad. Una vez en órbita, las principales fuerzas a bordo son las provenientes de los motores de ajuste de órbita, aquellas que provienen de las pequeñas variaciones del valor de la gravedad en los diferentes lugares que sobrevuela, y aquellas provocadas directamente por la tripulación al usar las paredes de la nave para impulsarse de un lugar a otro. En los experimentos de microgravedad, en una nave espacial se tienen que vigilar todos los detalles: en ocasiones es necesario esperar a que la tripulación duerma, para evitar así las pequeñas fuerzas que provocan con su actividad en la cabina, pues en general, las fuerzas causadas por el movimiento de los astronautas son mil veces mayores que las del ambiente "natural" estando en órbita, y alcanzan el orden de milésimas de gravedad, o sea "miligravedad", diferente de la microgravedad, que sería sólo la millonésima parte.
Trataremos de presentar a continuación los efectos de la microgravedad por áreas de interés o disciplinas beneficiadas.
Entre los experimentos biomédicos, pocas cosas se encuentran en la vida tan interesantes como las investigaciones sobre el cerebro. Y con el cerebro, aquello que le da vida y sentido: la interpretación atinada y el funcionamiento adecuado ante la realidad. Estando en condiciones de microgravedad, el cerebro pierde parte de la información sobre su entorno; sencillamente pierde el sentido de orientación. Para orientarse, todo animal cuenta con receptores que le indican dónde está el piso La visión, la presión en los pies, la dirección en la que cuelgan sus brazos, etc., todos estos medios nos informan dónde se encuentra el piso, pero además, en la parte interna del oído, los animales cuentan con una de las tantas maravillas de la evolución: el sistema vestibular (aquí abreviado como "SV"). Este sistema es el equivalente natural de los sistemas electroópticos con los que cuentan los aviones y naves espaciales para determinar su orientación y dirección de vuelo.
El SV cuenta con receptores de movimiento y aceleración en tres direcciones: hacia adelante y atrás, los lados, y hacia arriba y abajo. Con esos receptores se es capaz de detectar movimientos y cambios en el movimiento, y poner tal información a disposición del cerebro para que responda acorde con la voluntad o con los reflejos condicionados, como en el caso de las caídas.
Para percibir la rotación de la cabeza, el SV utiliza los llamados
"conductos semicirculares" (véase la figura 20), que tienen una compuerta hermética
que interrumpe el paso del líquido que los llena. Al rotar estos conductos en
su plano, como una llanta de auto, se pone en movimiento el líquido que contienen,
y con ello se presiona y deforma la compuerta, provista de receptores que detectan
este efecto. Según el movimiento es la deformación de la compuerta, y así influye
o modula las señales eléctricas que mandan los receptores a diversas estructuras
del cerebro. Para detectar movimiento rotatorio o aceleraciones en los tres
planos (frontal, sagital y transversal) existe un conducto para cada plano,
es decir, cada oído tiene tres conductos semicirculares para la detección de
rotación. Por ejemplo, al rotar la cabeza para seguir el movimiento de un tren
en el horizonte, los conductos horizontales detectan este movimiento de la cabeza
y contrarrestan de manera muy precisa la posición de los ojos respecto a la
cabeza, de tal forma que los ojos no pierden su objetivo. De hecho, el sistema
vestibular anticipa la posición de un objeto seguido por los ojos por medio
de pequeños saltos llamados nistagmo. Y aquí encontramos una de las conexiones
más importantes del SV con los centros que controlan la tensión
de los músculos de los ojos, y que, a su vez, determinan la dirección de la
línea visual. En ingeniería a este tipo de sistema se le llama sistema de "control
adaptivo", es decir, que va anticipando la posición del objeto, para que su
imagen (la del tren en movimiento) se combine con la información visual que
se envía al cerebro, y así compensar con precisión la posición de la cabeza
y los ojos, sin que el objetivo escape del campo visual.
Figura 20. Esquema funcional y anatómico de los conductos semicirculares y
otolitos.
Como hay un sistema idéntico en cada oído, todas las funciones se realizan por duplicado, con lo que se reduce el error del funcionamiento y se aumenta la fiabilidad del SV. Esta duplicidad de funciones lleva a ejemplificar una de las características principales del cerebro: su redundancia o, en otras palabras, su habilidad de no perder su capacidad de funcionar aunque parte de sus funciones se pierdan; aun con la pérdida de un sector de receptores, el cerebro aprende de nuevo a funcionar normalmente con la otra parte. Ahora bien, los conductos semicirculares del oído interno son los detectores de la rotación, pero también el SV cuenta con sensores de movimiento y aceleración lineal, como la que percibimos al acelerar o frenar un vehículo, y al caer.
Para la detección de movimiento lineal existe otra estructura anatómica, también duplicada, cuyos componentes se llaman mácula y sáculo, que son dos cavidades con forma de globulitos, que en su interior tienen una masa gelatinosa provista de una especie de incrustaciones calcáreas, llamadas otolitos, que las hacen más pesadas que el medio que las circunda y que a su vez están sostenidas por unas células ciliares (esbeltas como columnas), que son sensibles al alargamiento o tensión (véase la figura 21). Cuando la cabeza se pone en movimiento, los otolitos tienden a quedarse atrás por ser más pesados y con ello, a alargar las células ciliares, que, como en el caso de la compuerta de los conductos semicirculares, modifican sus señales eléctricas para informar al cerebro sobre la presencia de la intensidad y dirección del movimiento. Una de estas cavidades tiene entre sus funciones detectar la dirección en la que se encuentra el piso, es decir, la gravedad. También detecta vibraciones y cadencias, como cuando caminamos o bailamos. Un estudio encaminado a comprender la capacidad de los otolitos para detectar diferentes frecuencias de vibración encontró que los bailes folclóricos de muy diversas culturas comparten frecuencias (o ritmos) casi idénticos (2.06 Hz ±0.02); en otro trabajo también se descubrió que la gran mayoría de las madres mecen a sus bebés con frecuencias de 4 Hz, lo que nos indica que existen frecuencias idóneas a las que casi todos preferimos bailar, o dormir bebés, y que naturalmente coinciden con la capacidad de percepción más favorable de las estructuras anatómicas del SV; estructuras que, por cierto, el proceso de evolución fue afinando en el curso de millones de años, hasta alcanzar su actual grado de adaptación al medio ambiente y a los movimientos naturales de cada organismo.
Figura 21. Esquema de los otolitos.
Este sistema es lo que hace posible que los seres vivos se orienten y se desplacen hábilmente en el espacio tridimensional en el que se dio su proceso de evolución. Sin embargo, cuando el humano abandona en sólo un par de generaciones su entorno y actividad natural (correr, caminar, brincar y cambiar de posición) para adentrarse en nuevas actividades de movimiento y aceleración, como los vuelos, acrobacias y, más recientemente, el estado de imponderabilidad en órbita, se enfrenta a condiciones totalmente nuevas, donde la evolución no ha contribuido con su adaptación y perfeccionamiento. Por lo tanto, el hombre no puede funcionar ni adaptarse tan pronto a estas nuevas actividades. Las serias limitantes del organismo en este sentido requieren de estudios multidisciplinarios para, por ejemplo, esclarecer cómo proceder y planear el trabajo en órbita.
El SV en órbita se encuentra en condiciones en las que carece de experiencia. Por una parte, los otolitos están acostumbrados a que las células columnares los soporten, y ahora éstas no los soportan, pues en órbita las cosas no pesan, y por lo tanto los otolitos también flotan, por lo que no funcionan como normalmente lo hacen. Al no pesar, sus movimientos se vuelven erráticos, y mandan señales conflictivas a los centros de interpretación de este tipo de datos en el cerebro. La consecuencia directa de esta situación es la desorientación del organismo en el entorno de microgravedad, que va además acompañada de varios síntomas poco agradables: mareo, falta de coordinación de los movimientos, vómito, y desconcierto general, entre otros, al grado de que prácticamente inutilizan a la persona que, en algunos casos, llega a requerir de medicamentos y atenciones de miembros más afortunados de la tripulación.
Hasta la fecha, no se sabe cómo remediar los efectos del ahora conocido como síndrome de adaptación espacial a pesar de los esfuerzos de los investigadores. En las primeras décadas de vuelo espacial, existía la confianza de que el problema se podría resolver en poco tiempo, pero la naturaleza, siempre ajena a los optimistas programas de investigación, se encargaría de informarnos que los aspectos funcionales del cerebro no son presa fácil ni comparten nuestra pretenciosa prisa.
Así las cosas, la actividad espacial tripulada plantea toda una gama de nuevos retos biomédicos. De hecho, el síndrome de adaptación se manifiesta en un sistema tan complejo, que los científicos dedicados al tema sólo han comenzado apenas a conocer las magnitudes del reto. Sin duda se han realizado numerosos estudios médicos sobre este síndrome; pocos vuelos, tal vez ninguno, se dan sin el seguimiento médico continuo, y en la mayoría se realiza algún estudio, entre los que destacan los relacionados con el sistema cardiovascular, el metabolismo, la actividad de los fármacos; todo como parte del estudio del síndrome de adaptación. Quizá el lector se sorprenda al saber que este último incapacita drásticamente a más del 40% de las tripulaciones de uno a tres días, independientemente de los antecedentes y experiencia previa; puede afectar tanto a experimentados pilotos de prueba, como dejar tranquilos y gozosos a neófitos que pasaron criterios médicos menos estrictos de selección.
El problema más serio del síndrome de adaptación espacial radica en la complejidad y extensión de las ramificaciones provenientes del sistema vestibular. Hemos mencionado brevemente su conexión con los músculos óculomotores, y las extremidades; sin embargo, como suele suceder, el panorama es mucho más complicado de lo que percibimos a primera vista, y a pesar de que en este problema se han invertido millones de dólares (y seguramente de rublos también), nuestros medios técnicos de investigación tendrán que desarrollarse mucho más para arrancar sus secretos a la materia más complicada y organizada que conocemos en el Universo: el cerebro. Profundicemos un poco más.
El SV se comunica hacia el cerebro a través de un haz de fibras (o nervios) que acompaña a las que vienen del oído, su estructura adyacente; ya antes las terminales de los conductos semicirculares y los de los otolitos se juntan en unos ganglios, donde al parecer ocurre un cierto grado de acondicionamiento de las señales eléctricas. Al cerebro llegan por la zona llamada puente, donde se encuentran los núcleos vestibulares, que son centros de procesamiento y redistribución de fibras nerviosas hacia otras estructuras. De estos núcleos se proyectan fibras hacia varios lugares: a la corteza cerebral, en sus regiones visual y motora, hacia el cerebelo (el "Gran No" o inhibidor del Sistema Nervioso Central), hacia los núcleos óculomotores (que controlan los músculos de los ojos), y en forma indirecta hacia algunos órganos internos (como el estómago, los intestinos y el hígado), y hacia diversos músculos, llamados antigravitatorios, que poseen una doble función: la de compensar las caídas, como cuando encontramos un escalón inesperado en el piso, y la de mantener la verticalidad, aun cuando nos falta la información visual, como en un cuarto totalmente oscuro. Las proyecciones del SV están, según apuntan los especialistas, pródigamente presentes en todo el cuerpo, por lo que entender su funcionamiento es, y seguirá siéndolo por varias décadas, un tema abierto a la continua investigación científica.
En 1983, a bordo del laboratorio espacial "DI", diseñado por la Agencia Espacial Alemana (DFVLR), y puesto en órbita por el transbordador estadunidense, se realizó un estudio a cargo del agradable profesor Von Baumgarten, de la Universidad de Maguncia, sobre el nistagmo calórico. El nistagmo, como decíamos, es el movimiento súbito o salto de los ojos que provocan los músculos oculares al seguir visualmente un objeto en movimiento; ahora bien, el nistagmo calórico es la producción artificial de estos saltos oculares por medio de cambios de temperatura en el tímpano con agua caliente (44º C), procedimiento utilizado, desde principios de siglo en la medicina clínica para diagnosticar alteraciones del estado neurológico de un paciente.
En la primera década de nuestro siglo, el médico húngaro R. Bárány presentó la hipótesis de que el nistagmo calórico era resultado directo de corrientes convectivas térmicas que inducen el movimiento de los otolitos y las ámpulas de los conductos semicirculares. Estos cambios de temperatura que provocan el nistagmo y la sensación de movimiento, a pesar de que la cabeza esté totalmente fija, fueron un descubrimiento suficientemente importante, por lo que se le otorgó el premio Nobel en 1914. Pero en la ciencia todo puede cambiar. En la misión del laboratorio Dl se demostró, por medio de un casco que inyectaba aire caliente o frío al oído interno, que el nistagmo calórico ¡también se presenta en ausencia de gravedad! Si las corrientes convectivas son causadas por la presencia de la gravedad, la hipótesis del nistagmo calórico de Bárány quedó, si no totalmente refutada, cuando menos puesta en duda después del experimento espacial. Actualmente, muchos grupos de investigación se han abocado a estudiar esta paradoja, que pone en duda una de las "verdades" básicas del tema.
Entre los experimentos más importantes realizados en órbita hasta la fecha, seguramente debemos mencionar los recientes trabajos llevados a cabo en la cápsula Cosmos 1887, tripulada solamente por animales, y donde se condujeron automáticamente decenas de experimentos elaborados por científicos de más de 50 centros de investigación en todo el mundo. A la par que los científicos soviéticos, en el diseño de esta misión participaron sus colegas de EUA, Francia y otra docena de países; cabe destacar que por ello éste fue un ejemplo racional del tipo de programas que deben dominar en el futuro de la investigación espacial. Entre lo más notable de estos experimentos destaca la presencia de dos pequeños simios, preparados con implantes cerebrales para estudiar las señales vestibulares durante el periodo de adaptación espacial. Por primera vez fue posible registrar señales eléctricas del SV en un primate, vecino evolutivo del humano (aunque usted no lo crea), en condiciones orbitales. Cabe anotar aquí que no es posible hacer tales experimentos con seres humanos, pues la implantación de electrodos en las partes profundas del cerebro, donde están los centros de proceso del SV, conlleva un grave peligro de infección. Sin embargo, los datos neurofisiológicos de los simios cosmonautas son primordiales para el futuro de los vuelos de larga duración tripulados, sobre todo para la comprensión de los fenómenos que ocurren al hombre durante su adaptación en los primeros días en el espacio.
Un aspecto curioso del síndrome de adaptación espacial son los efectos posteriores, cuando los cosmonautas regresan a la Tierra: la falta de información visual los hacía perder el equilibrio en un cuarto oscuro, pero también durante varios meses después del vuelo, los astronautas quedaron exentos de todo tipo de mareos terrestres.
Otros hechos biomédicos interesantes estudiados en órbita son los relacionados con la pérdida de calcio de los huesos.
Los huesos son estructuras que responden activamente a las demandas del organismo y como otras estructuras anatómicas, se atrofian cuando no se utilizan. Al flotar dentro de la nave, las piernas carecen de función; y aunque se utilizan para impulsarse de un lugar a otro, la fuerza requerida es mínima: una persona puede proyectarse hasta el otro extremo de la nave con un solo dedo. A partir de los primeros días en órbita, el organismo resiente la falta de uso de buena parte del esqueleto. Varios de los estudios a bordo están precisamente orientados a determinar qué pasa con el calcio que forma parte de los huesos (cuya pérdida alcanza hasta un 10% del total). Para establecer la vía de pérdida de calcio, se analizan los desechos del organismo durante el vuelo y posteriormente la disminución de la masa ósea. Durante todo el vuelo se programan periodos de ejercicio como medida preventiva, que se van aumentando hasta el día del aterrizaje. El ejercicio para las piernas se realiza con una bicicleta fija, o sujetando con unas bandas elásticas la cintura al piso; después el astronauta "corre" sobre una banda móvil; así los huesos largos de las piernas recuperan gradualmente su resistencia y musculatura, así como sus niveles normales de calcio. La columna vertebral pierde parte de su función también, pues en el espacio no soporta el peso al que está acostumbrada, y por lo tanto, los discos que separan las vértebras se dilatan unos milímetros, pero como son tantas, las personas "crecen" en algunos casos hasta cinco centímetros, además, la columna pierde su curvatura, que carece de sentido al no tener que ejercer la capacidad de carga como lo hace en la Tierra.
Uno de los cambios reconocidos desde los primeros vuelos se refiere a la relocalización de los fluidos corporales. En la Tierra, el organismo compensa la tendencia de la gravedad a acumular abajo los fluidos corporales (sangre, suero y agua) por medio de la presión de las venas y el juego de ciertas válvulas localizadas en piernas y tronco; sin embargo, en el estado de microgravedad, este reflejo continúa durante un tiempo, causando la migración de fluidos hacia las partes superiores del organismo, y provocando con esto la hinchazón de tórax y cara que se observa en los cosmonautas. Para evitar una reacción opuesta al reincorporarse a la gravedad, los tripulantes de las naves espaciales, poco antes de su regreso, se colocan un traje especial que oprime las piernas para mantener suficiente presión sanguínea en la parte superior del cuerpo y evitar así mareos y desmayos por falta de irrigación cerebral.
Resumiendo: el organismo sufre toda una serie de alteraciones durante el vuelo espacial: pérdida de orientación —a la que sigue generalmente un periodo de adaptación—, pérdida de calcio, relocalización de fluidos, desadaptación a los ciclos normales día-noche, exposición a radiación, debilitamiento de los músculos antigravitatorios, crecimiento de la columna vertebral y pérdida de su curvatura. En estos temas, la URSS posee ciertas ventajas sobre su contraparte estadunidense, ya que no sólo tienen casi el triple de horas/hombre en el espacio, sino que sus vuelos han durado hasta 4.5 veces más tiempo. Como anécdota, cabe referir un hecho curioso: anticipándose a los informes médicos soviéticos, uno de los más destacados médicos de la NASA se refirió a los serios problemas de readaptación a la gravedad que supuestamente iba a sufrir Romanenko con su regreso a la Tierra, después de 326 días seguidos en órbita, entre ellos: dificultad para caminar, estar de pie, orientación en la oscuridad, etc. Como única respuesta a sus muy desatinadas estimaciones, los soviéticos mostraron a Romanenko frente a las cámaras haciendo una serie de piruetas. Posteriormente, la recuperación de Titov y Manarov, quienes pasaron poco más de un año en órbita, también fortalece la confianza establecida, aunque según Titov, la permanencia "ideal" es de seis meses. La lección que de aquí se puede recibir es que cada organismo reacciona de manera diferente durante su adaptación al espacio y su readaptación a la Tierra, y que todavía nos falta mucho por comprender en este campo. Algunos médicos soviéticos dicen que con estos vuelos de Romanenko, Titov y Manarov se puede ya visualizar claramente el viaje tripulado a Marte. En conclusión, éste es un campo muy dinámico, que se enriquece cada día, especialmente ahora, con la presencia casi continua de cosmonautas a bordo de estaciones orbitales.
El comportamiento de los fluidos en microgravedad ha resultado ser uno de los campos de mayor interés, debido principalmente a que se han observado fenómenos inesperados. Elaboremos el tema comenzando con la tensión superficial de los líquidos. Ésta es una propiedad fundamental de los líquidos, cuya manifestación más conocida es la forma de una gota de agua: esférica cuando cae o cuando flota en una nave espacial, pero semiesférica cuando se pega a un sólido, un vidrio por ejemplo, donde surgen otras fuerzas de contacto. No es ni obvio ni fácil de explicar en términos sencillos por qué es de esta forma, pero intentémoslo, ya que en parte de esto depende el entender las ventajas de experimentos con fluidos en microgravedad.
Las moléculas de agua en una gota, muchos millones de ellas, interaccionan por medio de las llamadas fuerzas moleculares generando una presión interna que las obliga, jalándolas, a mantenerse lo más juntas posible, lo que en un líquido se manifiesta en la forma de una gota. La forma esférica es efecto de la tensión superficial, que a su vez es afectada de manera compleja por la polaridad de las moléculas, digamos, la molécula de agua (H2O), formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, forma un dipolo eléctrico, es decir, en un extremo es positiva y negativa en el otro (véase la figura 22). Mientras más intensa sea la polaridad molecular, los líquidos tendrán más presión interna que los lleva a mantenerse juntos. En el caso del agua, la presión interna es muy alta (de 14 800 atmósferas) y por tanto sus moléculas están tan juntas que provoca, por ejemplo, que los líquidos sean muy poco propicios a la compresión. En la superficie de una gota de líquido, las fuerzas de tensión se alinean con la forma de la superficie y tratan de hacerla lo más reducida posible: de ahí que tomen la forma de una esfera, que representa la menor superficie posible de un volumen, sin importar el tipo de líquido (agua, jugo de naranja, alcohol, o un metal fundido).
En tierra no es tan común percatarse de este hecho fundamental, pues generalmente las gotas de agua, o caen muy rápido como para observar su forma con precisión, o las vemos pegadas a un sólido, con lo que sólo vemos parte de una esfera o elipse. Con mercurio, que tiene casi seis veces más tensión superficial que el agua, sí alcanzamos a ver la forma esférica de gotas chicas cuando ruedan, pero también podemos observar que se achatan para formar cuerpos elipsoidales por la acción de la siempre presente gravedad.
Figura 22. (a) Moléculas de agua absorbidas a una superficie. (b) La distribución
de carga en la molécula forma un dipolo que se orienta en un campo eléctrico.
COLISIONES ENTRE ESFERAS DE AGUA Y METAL
Analicemos ahora el resultado de un curioso experimento espacial, donde se observan hechos todavía por explicar, para que quizá algún ingenioso lector proponga una explicación correcta y completa. Un típico experimento de microgravedad, que sólo puede hacerse en órbita, fue financiado por el periódico japonés Asahi Shimbun, uno de los de más tiraje en Japón. El propósito del periódico era simplemente despertar el interés de los niños japoneses respecto a actividades espaciales, ya que su país ha incursionado decididamente en el tema, y desde ahora orienta y motiva responsablemente la mente siempre inquieta de los niños, futuros científicos espaciales. Pero resultó tan novedoso el producto del experimento, que destacados físicos japoneses trataron, hasta donde sabemos sin éxito, de explicar los curiosos hechos observados. La idea que motivó el experimento es bastante sencilla: se trataba de observar y explicar el fenómeno de la colisión entre dos esferas, una grande, líquida, de agua, y otra pequeña, de acero. Un cañón dispara las esferas de metal, una a una, a diferentes velocidades, contra la de agua, que se forma espontáneamente en la microgravedad por efecto de la tensión superficial. La esfera de agua se encuentra sobre un pedestal mientras es observada por una cámara (véase la figura 23). La esfera de metal choca contra la de agua cerca del centro y, para sorpresa de todos, se adhiere con fuerza a esta última, penetrando hasta cerca de la mitad de su diámetro, quedándose, por decirlo así, en órbita, capturada permanentemente por fuerzas de atracción entre las dos. En la misma figura, se observa una fotografía de la esfera de metal metida a la mitad. Cuando se aumentó la velocidad del impacto, los hechos se repetían, hasta que la velocidad fue suficiente (cerca de 1 500 mm/s) para que la metálica atravesara, no sin dificultad, a la esfera de agua.
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(a)
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i )
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ii ) (b) |
iii )
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Figura 23. (a) Esquema del dispositivo espacial para el estudio de colisiones
entre esferas. (b) Fotografía del proceso de colisión, en condiciones de microgravedad,
entre una esfera de agua y una de metal. i)Antes de la colisión; ii) la esfera
de metal deforma la de agua sin penetrar; iii) ya en equilibrio la esfera de
metal que parcialmente incluida en la de agua y girando a su alrededor como
"en órbita". El fenómeno fue observado por primera vez en microgravedad . Sus
efectos han atraído la atención de físicos nucleares por sus características,
que son formalmente análogas a fenómenos nucleares.
Tratando de dilucidar este fenómeno, recordemos algunos hechos acerca de la interacción entre agua y sólidos, por ejemplo: 1) el mojado de la superficie de un sólido es un proceso selectivo que depende del tipo de sólido y de líquido; 2) el ángulo que forma la frontera sólido-líquido depende de la intensidad de las fuerzas moleculares entre los dos y de las fuerzas intermoleculares del líquido, pero como hay gas alrededor de la esfera de metal, la interfase adicional sólido-gas participa en el balance de las fuerzas (por cierto, en el experimento espacial, están todas en equilibrio, ya que la esfera de metal se queda parcialmente dentro de la de agua de manera permanente). En pocas palabras, el fenómeno sencillo que observamos resulta en realidad de una compleja interacción física entre los tres medios: el agua, el gas (nitrógeno) que rodea las esferas, y probablemente el tipo y rugosidad del metal de la esfera impactora. En principio, parece fácil explicar lo observado; sin embargo, al adentrarnos en los posibles mecanismos que dominaron tal resultado vemos que el fenómeno empieza a complicarse; para explicar el fenómeno tienen una gran ventaja los fisicoquímicos que conocen de los procesos de interacción entre materiales, pues saben mucho de factores como absorción, mojado, adhesión y otros eslabones de una cadena que se va complicando con rapidez hasta adentrarse en temas tan fascinantes y laberínticos como la mecánica cuántica.
Quizá la moraleja más importante para nosotros, después de saber del experimento de la colisión de esferas, es que tengamos en cuenta que, como en el caso de una pregunta tan sencilla como por qué el cielo es azul, la naturaleza se nos revela como bastante complicada, y que rara vez evidencia sus secretos para permitirnos dar explicaciones sencillas o directas. Asimismo, podemos percatarnos de que las condiciones de microgravedad abren camino a nuevos y poderosos experimentos para entender un poco más acerca de los intrincados fenómenos de la tensión superficial.
MATERIALES BIOLÓGICOS EN MICROGRAVEDAD
Una de las aplicaciones biomédicas más importantes relacionadas con el procesamiento de materiales en condiciones de microgravedad, es la purificación o separación de moléculas bioquímicas y otras partículas por medio de la técnica de electroforesis. Esta técnica aprovecha la diferente migración de partículas cargadas eléctricamente dentro de un fluido, que es provocada por un campo eléctrico. Estudios recientes han demostrado la posibilidad de producir sustancias activas cuatro veces más puras en la órbita terrestre, a la vez de que el tiempo para purificarlas es siete veces menor que en los laboratorios terrestres. Hasta el momento, las investigaciones se han orientado a la producción de medicamentos y sustancias de alto valor agregado, como el alfa-l-timosín y el interferón, fármacos que se utilizan en la lucha contra el cáncer y hoy día contra el SIDA. La eficiencia de los equipos en órbita se debe de nuevo a la ausencia del transporte convectivo causado por las fuerzas de flotación y sedimentación que, en general, causan desplazamientos cientos de veces mayores que la migración provocada por campos eléctricos, así que en tierra este proceso no es muy eficiente, si lo comparamos con su versión espacial.
Para comprender la electroforesis, es necesario recordar que muchas biomoléculas, como las enzimas y las hormonas, poseen una distribución asimétrica de carga eléctrica, es decir, que la forma en que se reparten las cargas eléctricas es distinta de una región a otra debido a la presencia de los llamados macroiones. Al establecer una tensión eléctrica entre dos electródos, como las baterías, inmersos en la solución que contiene las sustancias, algunas moléculas, debido a su carga, se irán hacia uno de los electrodos, mientras que otras serán atraídas al contrario. Sometiendo parte de la solución cercana a cualquiera de los electrodos a un nuevo campo eléctrico, y realizando esta operación en repetidas ocasiones, el material más cercano al último electrodo será de una mayor concentración o pureza, ya que en cada paso sucesivo se han ido atrayendo moléculas del signo contrario al del electrodo, hasta lograr la separación o purificación de alguna molécula o mineral en particular, que sea de nuestro interés.
El efecto de la separación se logra no sólo por el campo eléctrico, sino por la velocidad que cada molécula tiene en su camino hacia uno de los electrodos, lo que domina además el proceso de purificación. Pueden existir muchas moléculas con distribuciones de carga similares, pero no todas ellas viajarán a la misma velocidad, hecho que se debe a varios factores, entre los cuales uno de los más importantes es la forma. La forma de un objeto determina la velocidad a la que puede movilizarse dentro de un fluido bajo el efecto de una fuerza dada, en el que todas las moléculas están afectadas por la aplicación del campo eléctrico.
Resulta ilustrativo conocer un hecho reciente en relación con las actividades farmacéuticas en órbita. Una empresa estadunidense ha firmado un acuerdo con los organismos espaciales de la Unión Soviética, para llevar a cabo experimentos farmacéuticos en la estación espacial permanente Mir. Esta empresa privada solicitó los servicios soviéticos debido a que los EUA carecen de una estación orbital propia (probablemente tarden cerca de 10 años en establecerla). Los experimentos consisten en provocar y observar el crecimiento de proteínas cristalizadas, ya que sólo con proteínas en estado sólido y cristalizado se pueden estudiar con precisión las secuencias de aminoácidos que conforman las estructuras proteínicas, por medio de la técnica de difracción de rayos X. Con este ejemplo se pueden ratificar una vez más las ventajas de la cooperación espacial internacional; de otra manera se dejaría de lado el avance de la humanidad en rubros tan importantes como el mencionado, por lo que se debe esperar que este tipo de acontecimientos se conviertan en algo común a pesar de algunas corrientes irracionales que se oponen persistentemente a esta realidad.
Es previsible que en un futuro muy cercano sean instalados en la órbita ingenios importantes para la fabricación de fármacos muy diversos. Además de la sustancia alfa-l-timosín, fabricada por los soviéticos en órbita, cabe mencionar también los esfuerzos realizados en el transbordador espacial estadunidense, que ha puesto en órbita, en tres ocasiones diferentes, una fábrica experimental para producir una proteína, la llamada eritropoyetina, que sirve para fomentar la producción de glóbulos rojos. Esta fábrica estaba operada por Ch. Walker, un ingeniero especialista que buscaba optimar el proceso de electroforesis en órbita, y que por esta razón es de las pocas personas que han subido hasta tres veces a la órbita terrestre, aunque recientemente se ha cancelado tal esfuerzo debido a la incertidumbre de los vuelos y a la competencia de técnicas como la ingeniería genética. Sin duda, los materiales biológicos producidos en órbita serán los que lleven la biomedicina a los resultados más espectaculares en tierra, en vista de la alta pureza alcanzada en la órbita terrestre; asimismo, se debe esperar un impulso adicional y complementario de la mencionada ingeniería genética, que no dudo aprovechará en el futuro las ventajas de las condiciones ambientales en la órbita.
Todo material sólido utilizado en la práctica de la ingeniería posee propiedades instauradas durante su proceso de producción, buena parte durante su fase líquida (cuando está fundido); otras se logran con el tratamiento térmico al que se somete la pieza acabada. Comprender el origen de las propiedades de los materiales requiere que se identifiquen las etapas críticas de su manufactura y que se analicen apropiadamente en lo que se refiere a la evolución de su microestructura. En el ejemplo de las aleaciones metálicas, veíamos que su resistencia depende del tamaño y forma de sus granos o cristales, los cuales se crean durante el enfriamiento y solidificación; en gran medida dicha resistencia depende también de la uniformidad con la que los diferentes componentes se distribuyen en la aleación.
En la microgravedad, esos cristales crecen menos, pero más uniformemente, por lo que materiales solidificados en órbita adquieren propiedades diferentes, la mayoría de las veces deseables. Algunos de estos resultados se conocen desde hace tiempo, sin embargo queda mucho por entender en cuanto al procesamiento de materiales en el espacio y resta todavía evaluar cuáles serán las propiedades más favorecidas y útiles. Se sabe, por ejemplo, que al comenzar el proceso de solidificación se forman unas "islas" de átomos que se agregan ordenadamente, en las que se inicia el crecimiento de los granos cristalinos; esto ocurre simultáneamente en varios puntos del material fundido; lo que se desconoce es el crecimiento, y en la Tierra la gravedad influye y causa el desplazamiento de dichas islas en las corrientes convectivas, lo que hace imposible el análisis atómico por medios como la microdifracción de rayos X, técnica con la que se produce una especie de proyección macroscópica, que hace visible la posición de los átomos en alguno de los cristales. En órbita se podría aprovechar un dispositivo que permitiera visualizar el crecimiento de tales islas, ahí estáticas por la ausencia de convección. El dispositivo de estudio consistiría, quizá, en un metal entre dos placas de vidrio separadas unas micras, y un calentador capaz de fundir el metal, que luego se enfriaría y se solidificaría. Mientras por uno de sus lados se irradiaría el metal con rayos X, y por el otro se captarían los patrones de difracción con un detector de rayos X. Es previsible que con este tipo de arreglo se pueda seguir el proceso de coalescencia o formación de islas, desde la fase casi líquida hasta la sólida, información de gran valor explicativo sin duda para quienes trabajan en la investigación de las propiedades microestructurales de los materiales sólidos. Un esquema de esta idea se presenta en la figura 24.
Figura 24. Esquema de un experimento exploratorio para el estudio del proceso
de solidificación y coalescencia de granos metálicos.
Hay diversos tipos de sensores y detectores de rayos X; quizá el más conocido son las placas fotosensibles que se utilizan en las radiografías médicas. Sin embargo, para captar imágenes en el espectro, la tendencia moderna se aleja cada vez más de los materiales fotosensibles, tipo fotográfico, para adentrarse en la optoelectrónica, campo que combina la óptica y la electrónica, y que también se denomina electroóptica. Los experimentos en microgravedad con cristales, que tienen aplicaciones importantes en la técnica moderna, han tenido hasta ahora resultados muy alentadores. Por ejemplo, en el crecimiento de compuestos de silicio, galio y germanio, materiales en los que se fundamenta la industria microelectrónica y la óptica, sí contrastamos experimentos terrestres y espaciales, observamos que la estructura cristalina del material espacial es considerablemente más uniforme que su contraparte terrestre, aun cuando el crecimiento o aumento de masa es menor en la órbita. En éste y en otros casos, el material crecido en el espacio es claramente superior, debido a que los fenómenos microgravitatorios enfatizan sus propiedades de más utilidad práctica, al grado de que justifica plenamente el costo del experimento exploratorio, a pesar de ser éstos los primeros intentos.
Otros sólidos susceptibles de aprovechar la microgravedad son los materiales fibrosos y los cerámicos, así como sus posibles mezclas. Entre los materiales más novedosos por sus propiedades extraordinarias, mencionábamos los plásticos reforzados con fibras microscópicas de carbono, vidrio, boro, cerámica o metales como tungsteno y titanio, todos ellos abundantes en México, por cierto. La propiedad que hace a estos materiales tan atractivos es su combinación de alta resistencia y bajo peso. Sin embargo, una limitante que frecuentemente encontramos en las propiedades de estos materiales resulta de la concentración o relocalización de las fibras dentro de la matriz de termoplástico o cerámica, efecto a su vez de la diferencia de densidad y propiedades térmicas de las fibras con respecto a la matriz que las sustenta. Estos factores, que podríamos denominar microsegregación, son resultado principalmente del transporte causado por fuerzas de flotación y del empuje que genera un frente de solidificación o frente de enfriamiento, en las fibras, aun sin llegar a tocarlas; por ello incluimos también estos materiales en la lista de los que se verían favorecidos con su fabricación en microgravedad.
FLUJO EN CONDICIONES DE TENSIÓN SUPERFICIAL DOMINANTE
Es también curioso y sorprendente el comportamiento de un flujo en condiciones de microgravedad. Como en los casos anteriores, no se trata de efectos nuevos, sino de efectos cuya presencia se oscurece por el fenómeno de convección presente en los laboratorios terrestres: el flujo es poco conocido sin los efectos de dicho fenómeno. Dado que en condiciones de microgravedad las fuerzas de flotación y las corrientes convectivas se reducen cientos de veces, el transporte de materia dentro del flujo se debe exclusivamente a los siguientes factores: 1) termoforesis, que es el transporte generado por una diferencia térmica que actúa, por ejemplo en el caso de una burbuja, por la variación de la tensión entre cada una de las partes de su superficie; 2) electroforesis, donde el transporte obedece al efecto de un campo eléctrico sobre moléculas cargadas y, por último, 3) transporte por difusión química, en donde, debido a diferencias de concentración (gradiente), el proceso de difusión tiende a ser el único causante del transporte de moléculas y partículas de un punto a otro dentro de un fluido. Varias investigaciones han sido enfocadas al transporte de burbujas por efectos térmicos, debido a las repercusiones prácticas que este tipo de problemas presenta, como en el caso de un tanque parcialmente lleno de combustible en órbita, y que recibe radiación solar en una sola de sus caras. Tema, por cierto, que fue motivo de estudio de un destacado investigador de la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Las características especiales del flujo, en ausencia de fuerzas de flotación, no siempre trabajan en favor de un proceso de producción de materiales en órbita. Tomemos como ejemplo el caso de vidrios ópticos: por un lado, es atractiva la distribución heterogénea de los componentes de vidrios durante su proceso de solidificación, es decir, la formación de una microestructura y distribución de componentes de manera uniforme. También es atractiva la ausencia de esfuerzos mecánicos causados en la Tierra por el crisol de fundición. Sin embargo, lo que no es favorable en el caso de los vidrios, es precisamente la falta de fuerzas de flotación, que en tierra permiten que se puedan extraer las microburbujas de aire que degradan las características ópticas de una lente, aunque aquí puede participar el ultra alto vacío de la órbita.
Resulta también muy interesante el estudio de interfases líquido-líquido en las que la interacción, en ausencia de convección, se reduce al intercambio de calor y a la interacción química entre ellos, lo que hace posible procesos muy delicados de mezclas de diferentes materiales conteniendo potencial teórico-práctico. Asimismo, se pueden realizar mediciones de conducción térmica entre líquidos que en tierra son difíciles, o imposibles, debido a los desplazamientos que las corrientes de convección causan en las interfases inestables.
Un ejemplo interesante que combina la necesidad de microgravedad y la de controlar precisamente la tensión superficial, lo tenemos en la fabricación en órbita de inmensas estructuras, basadas en lo que podríamos denominar "superespumas", y que se planea utilizar, en su versión pacífica, en la construcción de espejos para iluminación nocturna de ciudades y sembradíos.
Las superespumas se fabrican como cualquier material esponjoso, es decir, por medio de burbujas de diferentes tamaños adheridas unas a otras en el contacto de sus paredes, y formando geometrías tan caprichosas como desea su diseñador. A diferencia de los materiales terrestres, estas espumas tienen burbujas de varios metros de diámetro, y paredes de décimas de milímetro o menos. En tierra, con la gravedad, no puede lograrse que crezcan a tales tamaños, porque, como ocurre con las burbujas de jabón, se adelgazan en la parte superior hasta romperse: un efecto del campo gravitatorio. Para algunos, esto sonará a pura ficción, pero para otros, que ya vimos el intento de fabricar burbujas de epoxi hasta de un metro, nos es no sólo creíble, sino hasta estimulante, ver que ya se dieron los primeros pasos prácticos para crear millones de burbujas unidas para formar materiales esponjosos. Los tamaños que se espera sean de utilidad para estos espejos son impresionantes: de varios cientos de metros hasta varios kilómetros por lado, con espesores en metros. En tierra estas estructuras no pueden mantener ni siquiera su propio peso, pero en órbita, pueden crecer y crecer hasta ser gigantescas, ya que no pesan nada. Antes de dar por terminado el tema de la tensión superficial, repasemos las repercusiones que el manejo consciente de las fuerzas de tensión superficial tiene en la actividad cotidiana de la sociedad, ya que casi todos las desconocemos. La tensión superficial, y los fenómenos directamente dependientes de ella, son los principales protagonistas en hechos tan comunes como el teñido de telas, el corte de metales y su soldadura, la perforación de pozos, la impermeabilización de textiles, el uso eficaz de insecticidas, la resistencia de adhesivos, el lavado de ropa, la extracción y purificación de minerales, la soldadura de circuitos electrónicos, y miles de cosas más. Y vale la pena señalar un aspecto más: ¿qué pasaría si el experimento japonés se ampliara para incluir la colisión de esferas de diferentes líquidos, o con variaciones de temperatura, y por tanto con diversas tensiones superficiales? ¿Qué nuevos e interesantes fenómenos observaríamos? ¿Cómo afecta la ausencia de gravedad todos estos procesos cotidianos?
Seguramente la microgravedad producirá en algunos casos, resultados desconcertantes; en otros, estos experimentos serán favorables para aumentar el acervo de explicaciones de fenómenos poco comprendidos. Con los ejemplos anteriores podemos ver que la experimentación espacial encierra un potencial verdaderamente impredecible, en el que tenemos que participar, pues no hacerlo sería sacrificar a la insensatez y a la dependencia algunos insospechados medios útiles a nuestro desarrollo.