Nanotecnología para viajar por la inmensidad del espacio

Introducción

Un viaje personal: de cosmonauta a “nanonauta”

El año 1962 fue un buen año, al menos para mí, pues un día del mes de julio vi la luz de este mundo. Buscando en cualquier página web dedicada a recopilar efemérides se puede constatar que hubo bastantes acontecimientos de índole económica, social o política, que incluso se han hecho históricos, como era de esperar, destacando quizás el enquistamiento del sangriento conflicto de Vietnam y la Crisis de los Misiles en Cuba, ambos fruto de la tensión mundial entre el bloque encabezado por los EE.UU. y el que lideraba la desapercibida URSS, conflicto conocido por el nombre de Guerra Fría, y del que vivía pendiente una gran parte de la Humanidad. La Guerra Fría mantenía varios puntos de fricción competitiva entre las superpotencias y uno de ellos era el de la supremacía militar que, por aquel entonces, se podía medir por el tamaño y potencia del creciente arsenal nuclear. Tan solo en 1962 se realizaron casi más de una veintena de ensayos nucleares, que servían para mostrar al mundo ese poder militar.

Sin embargo, voy a destacar otro tipo de hechos que ocurrieron ese año y que sirvieron para marcar algunos rasgos de las personas que, año arriba o abajo, conforman mi generación. Otro elemento del conflicto entre la URSS y los EE.UU. estaba en el dominio del espacio vinculado inicialmente a su posible uso militar (Devezas 2012, Bainbridge 2018). En 1962 se produjeron numerosos lanzamientos de vehículos espaciales en un intento de lograr la supremacía en la carrera espacial de las dos superpotencias. En 1962 John Glenn se convierte en el primer norteamericano en orbitar la Tierra, un año después de que lo hiciese Yuri A. Gagarin. Ambos son considerados míticos héroes en sus respectivas naciones. Por su parte la URSS realizo la primera misión conjunta con dos vehículos espaciales. Se lanzaron también sondas exploratorias con rumbo a Marte o a Venus, algunas de los cuales no lograron completar su misión. También se pusieron en órbita los primeros satélites que permitían las comunicaciones transoceánicas. De hecho ese mismo año tuvo lugar la primera retransmisión de televisión vía satélite entre América y Europa. Este hecho comenzó a convertir la televisión como el gran referente entre los medios de comunicación hasta la llegada de internet. En el último tercio de siglo XX la televisión tenía un papel análogo al que ahora tiene el hipnótico teléfono móvil. Para seguir con este repaso del año 1962, terminaré por destacar otros hechos relacionados con el cambio cultural que entonces se estaba operando: por un lado comenzaron sus andanzas dos ilustres personajes del comic, Hulk y Spiderman, y por otro, grupos del pop-rock como The Who, The Rolling Stones, o The Beatles, realizaron sus primeros conciertos y sacaban a la luz sus primeros discos. Todos estos elementos conformaron en gran medida la infancia y adolescencia de mi generación, la del “baby boom”. 

Evidentemente hay otros muchos más elementos que configuran la personalidad de los individuos, como la familia, el contexto económico social, la educación recibida, o la coyuntura política, pero si tenemos algo en común casi todos los habitantes del planeta (al menos los de las regiones con culturas más occidentalizadas) que crecimos en aquellos años son elementos como la influencia de la amenaza nuclear, la fulgurante carrera espacial, el acceso a la realidad global y otro tipo de entretenimiento a través de la televisión, las hazañas de los superhéroes del cómic y la rupturista música, elementos que nos comenzaban a distinguir de la generación de nuestros mayores y que nos ha distinguido de las siguientes (Martin 2021). En mi caso, de todos estos elementos, el que más me influyó, me cautivó podría decirse, fue la conquista del espacio. Es cierto que el cosmos, con todos sus indescifrables misterios, ha generado una fascinación inigualable en los seres humanos a lo largo de su devenir desde tiempos prehistóricos (Abramson 2016, Campion 2017), pero nuestra generación era la primera que tenía la posibilidad de dejar de ser un mero actor pasivo y, mediante increíbles artefactos fruto de nuestro ingenio, podía escapar por unos momentos de la superficie terrestre, y llegar al espacio para “tocarlo” con los dedos. Además, sobre una base científico-tecnológica se comenzaba a soñar con establecer bases espaciales, llegar a la Luna o a otros planetas, enviar vehículos no tripulados a los confines de la galaxia, e intentar establecerse en otros mundos. No es de extrañar que muchos niños de la época dejasen de soñar con ser futbolistas, médicos, cantantes o toreros, y comenzasen a imaginarse como astronautas, aunque yo particularmente prefería la denominación de cosmonauta, quizás bajo el influjo de mi padre, mecánico-conductor amante de la tecnología y de todo lo “soviético”, un rasgo de identidad de su alma republicana. Por cierto, también es cierto que en aquella época a las niñas, de manera directa o subliminal, no les dejaban tener los mismos sueños ni alimentar las vocaciones por ir al espacio ya que en este, como en otros temas, había un marcado sesgo de género del que nos está costando desprendernos.

Los cosmonautas eran vistos por los más jóvenes como los semidioses de una moderna mitología, cercanos a los héroes fantásticos de los comics, pero de carne y hueso, eran los referentes a emular, sobre todo después de que los estadounidenses Neil Armstrong y “Buzz” Aldrin pisasen la Luna en 1969, tal y como muchos vimos en directo, en blanco y negro, en esa caja mágica que entonces era la televisión antes de que se volviese “tonta” décadas después. Las vocaciones de astronauta se reforzaban por la emisión de series míticas como Star Trek (en España llamada “La conquista del espacio”) o la curiosa serie inglesa de marionetas “El capitán Marte y el XL5”. Muchos de nosotros reproducíamos en nuestras habitaciones o en la calle, durante horas, aquellas aventuras, tanto las reales de Neil Armstrong como las ficticias de James Tiberius Kirk, con nuestros muñecos Madelman equipados con sus plateados trajes de astronautas. Y así transcurrió gran parte de mi infancia, pensando en cómo llegar al espacio.

La “movida” científica y atómica madrileña

Mi adolescencia estuvo marcada por los libros y las películas que hacían referencia al espacio, por lo general bajo del género de la ciencia-ficción. En paralelo, mi formación en un instituto de enseñanza secundaria del Barrio del Pilar, el IES Gregorio Marañón, de la mano de buenos y motivadores profesores y profesoras, siguió impulsándome hacia el cosmos, pero ya de una manera distinta, con los pies en el suelo, orientándome hacia la física, una forma más realista y cercana de relacionarse con el espacio. Por aquel entonces los sueños por ser cosmonauta se iban desvaneciendo, porque España no era seguramente el lugar adecuado para lograrlo, aunque en honor a la verdad una persona nacida solo una año después que yo, Pedro Duque, si lo logró, por lo que era difícil pero no imposible. Y así llegué a estudiar física en la Universidad Autónoma de Madrid, siguiendo el guion establecido, especializándome en Física Teórica, donde se encuadraban asignaturas como Astrofísica o Cosmología. Esta universidad era, y sigue siendo, uno de los referentes en España en investigación y su entonces joven profesorado estaba aportando nuevos aires a la ciencia española. En 1983, mientras estudiaba la licenciatura de física, el Instituto Astrofísico de Canarias, que se estaba consolidando como una institución de referencia a nivel mundial, puso en marcha el programa de formación para astrofísicos residentes, lo que estimuló aún más las vocaciones de aquellos que nos encaminábamos hacia una vida cercana a la investigación del cosmos, encaramados en los modernos zigurats ubicados en las cumbres canarias. 

Un año después, en 1984, se retransmitió por Televisión Española (TVE) (¡la omnipresente televisión!) el programa “Cosmos” de Carl Sagan, un punto de inflexión en la divulgación científica. Este programa permitía que las familias se fascinasen juntas, en horario de máxima audiencia, observando planetas, estrellas, galaxias y nebulosas. En mi caso la serie servía como excusa perfecta para contar a mi familia que yo me quería dedicar precisamente a este tema, algo lejano de lo que pensaban que era la educación universitaria adecuada (médico, ingeniero, abogado, veterinario,…). Por cierto, ahora es prácticamente impensable que las familias de nuestro país puedan ver en horario de máxima audiencia, programas como “Cosmos” o como “El hombre y la Tierra” de Félix Rodríguez de la Fuente, por poner un par de ejemplos que han marcado a generaciones, incentivando su interés o vocación por la ciencia. Quizás había menos oferta, pero era muy buena, accesible y desde luego se aprovechaba bien.

Parecía que mi futuro estaba escrito en algún lugar del firmamento, pero no era así, pues hubo otro hecho impactante que nos convulsionó a muchos estudiantes de física madrileños en 1984. En realidad, esta “convulsión en la fuerza” que cambió mi vocación fue el resultado de otra que se había originado en 1981, cuando en el laboratorio de IBM en Zürich (Suiza), dos investigadores, Heinrich Rohrer y Gerd Binnig, desarrollaron en colaboración con el técnico Christophe Gerber, el microscopio de efecto túnel (STM, de sus siglas en inglés Scanning Tunneling Microscopy) (Baird 2004). Esta poderosa herramienta facilitó la visión de átomos por primera vez desde que los griegos realizaran sus atrevidas hipótesis sobre su diminuta existencia. ¡Algo realmente fascinante! Además, por una serie de razones que sería muy largo de relatar, una segunda versión de este primer microscopio, tras ser construido en Suiza, se trasladó de manera azarosa en 1984 al Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Este equipo se instaló en un laboratorio dirigido por el profesor Arturo Baró, en estrecha colaboración con otro profesor del mismo departamento, Nicolás García. ¡Sí, Madrid, un laboratorio de la UAM fue el segundo lugar de la Tierra donde los humanos pudieron ver átomos! Un video con una amena explicación de esta aventura se encuentra en (Quantum Fracture 2020). Ni que decir tiene que esta universidad se convirtió en el núcleo de una escuela de “buscadores de átomos”, formando a varias generaciones de investigadores en nanociencia que se han dispersado por otras universidades y empresas españolas y extranjeras. De cierta manera podemos decir que los apasionantes años 80, además de suponer una revolución en la música y el cine, también fueron los años en que vivimos la “movida” científica y atómica madrileña.

Evidentemente, el impacto de esta increíble capacidad que se disponía en la universidad llegó a todos los rincones del campus y, sobre todo, a los expectantes estudiantes que estábamos finalizando la licenciatura en búsqueda de una manera de realizar una tesis doctoral. No pocos fuimos los seducidos por las oportunidades que representaba tener tan cerca esta herramienta. De esta forma, y gracias a la posibilidad de acceder a las numerosas becas que entonces se convocaban (el famoso baby-boom científico español de los 80), tomé la decisión de dar un giro de 180 grados en mi rumbo, transformando mis deseos de dedicarme a lo infinitamente grande a aventurarme en el nanomundo en lo muy, muy pequeño. De esta forma pasé de soñar en la infancia con ser un cosmonauta, a formarme para ser un astrofísico, para terminar siendo un “nanonauta”, un explorador (de perfil teórico) del nanomundo. Es posible que otro universo paralelo haya un Pedro A. Serena que se esté dedicándose a la astrofísica en la Isla de la Palma ¡qué tampoco está nada mal!

Imagen obtenida con un microscopio de efecto túnel (STM) de un círculo de átomos de bromo (Br) sobre una superficie de silicio (Si(111)-(7×7)). Imagen de Seung Yun Yang, Universidad de Toronto (Canadá). Finalista del certamen SPMAGE07.


Imagen obtenida con un microscopio de efecto túnel (STM) de un círculo de átomos de bromo (Br) sobre una superficie de silicio (Si(111)-(7×7)).
Imagen de Seung Yun Yang, Universidad de Toronto (Canadá).
Finalista del certamen SPMAGE07.

El control del nanomundo

En la nanoescala el tamaño importa

La anterior introducción pone de manifiesto cómo fue mi particular incorporación al numeroso grupo de personas que comenzaron a explorar el nanomundo, en un viaje excitante, quizás análogo al de los expedicionarios naturalistas del siglo XVIII, los aventureros que competían por llegar al Polo Sur, o los propios astronautas y cosmonautas que surcaban por vez primera el espacio. La ciencia es la gran aventura moderna. Precisamente la exploración del nanomundo es lo que llamamos nanociencia, la acumulación estructurada de conocimientos interconectados que permiten entender cómo es y cómo funciona la naturaleza cuando es observada a una escala diminuta, la denominada nanoescala, es decir, cuando se observan y estudian objetos con un tamaño de unos cuantos nanómetros (Serena 2010). Este es un buen momento para recordar que un nanómetro es una unidad de longitud realmente pequeña, que equivale a 0,001 micrómetros o micras, a 0,000001 milímetros, o a 0,000000001 metros. Se puede escribir la misma cadena de equivalencias usando notación científica: 1 nm = 10-3 μm = 10-6 mm = 10-9 m. En resumen, “nano” equivale a la “milmillonésima parte de”.

La nanoescala, que también suele denominarse nanomundo, es un escenario “habitado” por diferentes tipos de nanoobjetos y nanoestructuras, muy diferentes tanto en composición como en forma. El nanomundo es tan rico y variado como el mundo macroscópico al que estamos habituados por lo que nos tiene que asustar tanta diversidad. Entre la “nanofauna” que puebla el nanomundo podemos incluir átomos, moléculas (algunas pequeñas pero otras muy grandes y complicadas), nanopartículas y sus aglomerados, materiales nanoporosos, nanotubos de carbono, el grafeno y otros materiales bidimensionales, nanoláminas de diversos materiales, nanohilos metálicos y semiconductores, cadenas de ADN, liposomas, proteínas, ribosomas, dendritas, virus, etc. 

La nanociencia, que posee un fuerte carácter multidisciplinar, evoluciona de manera imparable gracias a las aportaciones que realizan biólogos, químicos, físicos, etc. Está claro que la nanociencia tiene un marcado carácter multidisciplinar. En particular se debe destacar el creciente papel que la biología juega en la nanotecnología, ya que la vida en sí misma es pura nanotecnología. No hace falta más que observar el interior de una célula para darse cuenta que realiza todas sus funciones gracias a orgánulos que trabajan como máquinas nanométricas, funcionando de manera sincronizada gracias tras un proceso de cambio-mutación, prueba-error, extinción-adaptación que ha tenido lugar en un larguísimo proceso evolutivo. Además, la biología nos presenta ante nuestros ojos un gran arsenal de soluciones y estrategias en la nanoescala que nos permiten “bioinspirarnos” para resolver problemas (Martín Gago 2014). 

Todos estos nanoobjetos que hemos mencionado son muy interesantes porque suelen manifestar una serie de propiedades que no aparecerían si su tamaño fuese mucho mayor. A medida que un objeto se hace más pequeño aparecen lo que denominamos “efectos de tamaño”, que pueden tener origen clásico (geométrico) o cuántico (donde se pone de manifiesto el carácter dual de la materia: ondulatorio y corpuscular). Estos efectos de tamaño son los que confieren a los nanoobjetos unas propiedades características. Cuando hablamos de aprovechar estas propiedades, de la aplicación del “nanoconocimiento”, hablamos de nanotecnología, cuyo objetivo último es controlar mediante metodologías físicas y químicas la composición, forma, tamaño y orden interno de los nanoobjetos y nanoestructuras para modificar a voluntad sus propiedades. Por ejemplo, controlando el tamaño y forma de los nanoobjetos se puede modificar, en algunos casos, su conductividad eléctrica, su color, su reactividad química, su dureza, su elasticidad, etc. El control de estas propiedades permite obtener materiales y dispositivos con prestaciones mejoradas o totalmente nuevas, con los que, a su vez, mejorar bienes, productos o servicios e incluso proponer otros disruptivos (Serena 2010, Martín Gago 2014).

Del laboratorio a la industria

En ocasiones se tiende a pensar que la nanociencia y la nanotecnología son términos modernos o casi futuristas, con los que nos encontramos de bruces en comics, películas, novelas o series de televisión. Sin embargo, no son tan novedosos ya que las investigaciones en nanociencia llevan fraguándose en los laboratorios de investigación durante casi cincuenta años. Ya en el año 1959, el Premio Nobel de Física Richard Feynman, uno de los investigadores más polifacéticos e interesantes del siglo XX, anticipó muchos de los conceptos que se manejan actualmente en esta fascinante disciplina (Feynman 1960).

Richard Feynman, inspirador de la nanociencia y la nanotecnología, en CalTech 1959.
Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Richard_Feynman_1959.png

Richard Feynman, inspirador de la nanociencia y la nanotecnología, en CalTech 1959.

Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Richard_Feynman_1959.png

Podría pensarse que los científicos y científicas que trabajan en nanociencia tiene ante sí un gran juego de construcción de la naturaleza, formado por átomos y moléculas, que funciona con unas reglas que vienen definidas en un complejo manual de instrucciones, la Mecánica Cuántica. Llenos de curiosidad, “juegan” a estudiar, ver, manipular, unir y separar todas esas piezas nanométricas para formar objetos que antes no existían y que pueden tener interesantes propiedades, que quizás puedan o no aprovecharse. Para hacer todo esto se requiere un instrumental adecuado y, gracias a los esfuerzos hechos en las últimas décadas, ya disponemos de poderosas herramientas que permiten visualizar, diseñar y fabricar nanodispositivos, sintetizar nanomateriales, y analizar y caracterizar sus propiedades y funcionamiento. 

La nanociencia es multidiciplinar, la nanotecnología es transversal.

Ha sido durante los últimos 20-30 años cuando la nanociencia y la nanotecnología han experimentado un espectacular impulso gracias a las inversiones efectuadas por parte de gobiernos, instituciones y empresas, que se han percatado de sus enormes posibilidades. De esta forma la nanociencia que se realizaba en los laboratorios saltó a los centros de I+D de carácter más tecnológico y de ahí a las fábricas para irse transformando en productos en los que los nanomateriales o nanodispositivos cobran un protagonismo creciente. La primera iniciativa de grandes dimensiones para fomentar la nanotecnología se puso en marcha en 2001 en los EE.UU. bajo el nombre “National Nanotechnology Initiative” y desde entonces invierte anualmente más de mil millones de dólares (NNI 2001). Esta iniciativa fue replicada por numerosos de países, que se apresuraban por no quedarse atrás, de forma que los recursos ingentes dieron lugar una comunidad bastante grande de nanocientíficos y nanotecnólogos que anualmente producen decenas de miles de artículos y miles de patentes. Muchas de estas ideas, de carácter práctico, las encontramos en los nanoproductos que están invadiendo poco a poco, por lo general de manera invisible, la totalidad de los sectores económicos: materiales, electrónica, informática y comunicaciones, energía y medioambiente, transporte, construcción, fabricación textil, biotecnología, salud, agricultura, alimentación, etc. Se dice que la nanotecnología es transversal, afecta a múltiples sectores, y ubicua, nos la vamos encontrando en todos los sitios, muchos de ellos insospechados. La nanotecnología ya comienza a ser un gran negocio y a fecha de hoy hay casi 10.000 productos comercializados en el mundo (Statnano 2021). Es importante destacar que Asia, liderada por China, Japón y Corea del Sur, se ha convertido en la región del mundo con mayor producción científica, y parece que a lo largo de esta década liderará las clasificaciones de patentes.

Además de este boom del mercado nanotecnológico es muy importante tener en cuenta los posibles efectos secundarios (generalmente negativos) que pueden tener los avances de la nanotecnología (Bermejo 2017). Estos posibles impactos no deseados no son exclusivos de la nanotecnología, pues prácticamente todas las tecnologías tienen su cara amable y su lado oscuro, su yin y su yang: la metalurgia, la energía nuclear, las centrales térmicas, los vehículos, los aviones, el teléfono móvil, etc. En el caso de la nanotecnología se sabe desde hace tiempo que ciertos nanomateriales son potencialmente peligrosos para la salud y el medioambiente por su capacidad para llegar y penetrar en las células (recordemos aquí que la relación de tamaño entre una nanopartícula y una célula, es similar a la que poseen una pelota de tenis y un autobús). Es muy importante que el uso de las nanotecnologías sea lo más inocuo posible para todos nosotros y para el medioambiente, por lo que se están haciendo cientos de estudios para lograr controlar los aspectos de mayor riesgo, de forma que la nanotecnología no sean percibida como una amenaza por la sociedad, frenando así expectativas sobre su desarrollo. En los últimos años se está dando un gran impulso a los proyectos relacionados con la nano-eco-toxicidad, con el fin de determinar si un determinado nanomaterial es dañino, cómo depende su posible toxicidad del tamaño, forma y otras muchas variables, cómo se produce y nos exponemos al mismo, cómo penetra en el cuerpo, cómo se distribuye y penetra en las células, cómo se almacena o metaboliza, el daño que causa a nivel metabólico o genético, estimar los valores máximos que podrían ser tolerables para el medioambiente o a nivel celular, etc. Es cierto que no es una tarea nada fácil, pero en cualquier caso se espera que la normativa y reglamentación, que ya existen en diferentes regiones del mundo, vayan mejorándose y aplicándose gracias a los nuevos conocimientos que continuamente aparecen, y de esta forma garantizar una fabricación, un transporte y comercialización, un consumo y un reciclado seguros tanto para las personas como para el medioambiente. La revolución nanotecnológica solo debería llegar si es segura, pues de lo contrario puede acabar siendo un nuevo elemento de preocupación.

Nanotecnología para la investigación espacial

Nano-hype

Una de las características de la nanotecnología es su carácter invisible, es decir, por lo general es difícil percatarse de que algunas propiedades novedosas de un producto o un equipo se deben a la indetectable presencia de nanoobjetos, nanomateriales o nanodispositivos. Este carácter invisible le otorga una aureola de conocimiento cercano a lo mágico por lo que no nos debe extrañar que cause asombro e interés a muchas personas. Otra de las peculiaridades es su carácter transversal, como ya hemos mencionado, afectando a muchos sectores y claro está, el sector aeroespacial tampoco escapa a esta influencia.

Antes de repasar las aplicaciones de lo “nano”, lo diminuto, al sector espacial, es interesante resaltar cómo evoluciona la manera en la que la sociedad percibe una tecnología emergente que va a afectar a un sector productivo concreto. Por lo general poner en marcha nuevos desarrollos innovadores requiere cierto tiempo e ingentes inversiones por lo que desde las administraciones públicas, las empresas involucradas y la comunidad científica se lanzan mensajes optimistas sobre los logros esperables, que sirven para infundir en la sociedad una sensación de entusiasmo haciendo que las expectativas sobre dicha tecnología sean muy altas. Además, de forma innata, los seres humanos sienten curiosidad y pasión por lo nuevo, por lo que las innovaciones por lo general son bienvenidas y tienden a sustituir a lo antiguo con gran rapidez. Sin embargo, como ya sabemos, los desarrollos científico-tecnológicos sufren retrasos, cambios de rumbo, replanteamientos e, incluso, abandonos, por lo que los resultados se demoran o a veces son diferentes de los esperados. Durante esta fase de expectativas no colmadas aparecen síntomas de una cierta frustración y desencanto con relación a la prometedora tecnología. Más adelante, por lo general y salvo casos catastróficos, poco a poco comienzan a darse desarrollos y aplicaciones, muchas veces no previstos inicialmente o en sectores no esperados, que permiten remontar el vuelo y hacer que la tecnología, de forma más pausada, comience a generar resultados. Esta evolución de la percepción de la tecnología, fue propuesta y aplicada por la consultora Gartner para entender la implantación de ciertas tecnologías disruptivas (Steinert 2010). Pues bien, esto ha ocurrido con la nanotecnología durante sus primeros pasos en muchos de los sectores de aplicación, y es lo que se ha denominado “nano hype”, y el sector espacial no ha sido una excepción.

Antes del año 2000 ya se aplicaban técnicas propias de la nanotecnología para realizar recubrimientos con propiedades mecánicas u ópticas de interés para el diseño de lentes y espejos de uso en telescopios. Quizás el hito más conocido fue el protagonizado en 1993 por la misión COSTAR que permitió corregir los problemas de aberración que sufría el telescopio Hubble, añadiendo una lente óptica que usaba capas protectoras de MgF2 de 2 nm de espesor sobre los espejos de Al (Garoli 2020). La irrupción de nanomateriales como los nanotubos de carbono o el grafeno hizo que a lo largo de la primera década del siglo XXI, se desempolvasen proyectos como el ascensor espacial, un sistema de transporte de personas y carga desde la superficie terrestre hasta una estación geoestacionaria que requería la fabricación de un ligero y resistente cable de más de 50.000 km, capaz de soportar enormes tensiones (Edwards 2000, Pugno 2007). Obviamente, esta propuesta fue recogida en todos los medios de comunicación del mundo generando unas expectativas que luego no se han cumplido. En 2005 la empresa estadounidense LiftPort proponía el año 2010 como fecha para la puesta en marcha del ascensor espacial, y en 2012 otra empresa japonesa ObayashiCorporation planteaba el mismo proyecto pero llevando la fecha hasta 2050. Se trata de un proyecto complejo, ambicioso y costoso, pero igual resulta ser irrealizable a medio plazo aunque exista un consorcio internacional empeñado en llevarlo a cabo (ISEC 2021).

Con los pies en el suelo para llegar al espacio

Las agencias espaciales de todo el mundo estaban al tanto de los progresos en nanociencia y nanotecnología, de su enorme potencial y del continuo aumento de la gama y volumen de productos que contienen, de una u otra manera, elementos nanotecnológicos. Sacar provecho a este conocimiento, a estos nanomateriales y nanodispositivos, para su aplicación en el sector espacial requería poner los pies en el suelo, y realizar estudios que permitieran conectar los avances en el conocimiento y el control del nanomundo con las necesidades, muy concretas y específicas, de las diferentes misiones espaciales (NNI 2004, Berik 2008, Sharma 2012). De esta manera, la NASA en los EE.UU. (NASA 2010, 2015) y la Agencia Espacial Europea (ESA) (Oudea 2010, Winkless 2010, 2011) comenzaron a desarrollar estrategias específicas para aprovechar de forma realista los desarrollos brindados por la nanotecnología.

Resumiendo muchísimo lo que se dice en los miles de páginas de estos planes estratégicos, los principales objetivos de los desarrollos basados en las nanotecnología de cara a su aplicación en el espacio serían:

  • La reducción de costes, lograda a partir del uso de nanomateriales (grafeno, nanotubos de carbono, nanopartículas, etc.) que permiten una disminución de la masa de los lanzadores y vehículos.
  • El aumento significativo de las capacidades de materiales y dispositivos empleados en instrumentos, sensores, equipos de comunicación, paneles solares y baterías, combustibles, sistemas automatizados, escudos térmicos, escudos anti-radiación, sistemas anti-impacto, etc.
  • La disminución de riesgos en las misiones gracias al uso de sistemas con diminutos componentes redundantes, de forma que si fallasen algunos por alguna razón, otros seguirían desarrollando sus tareas de manera autónoma. Por su parte, el uso de dispositivos de mayor duración también facilita la disminución de riesgos.
  • El desarrollo de nuevos conceptos de aplicación en el sector espacial debido a la aparición de innovaciones disruptivas que algunas ideas procedentes de la nanotecnología puede aportar. Entre estos conceptos podemos encontrar las constelaciones de pequeños-satélites, las plataformas estratosféricas aerostáticas, los planeadores de vuelo permanente, la propulsión iónica, las velas solares, los desaceleradores inflables, los paracaídas ultrarresistentes de gran extensión…)

De esta forma, con las ideas más claras, poco a poco comenzaron a hacerse realidad las aplicaciones de la nanotecnología en el sector espacial poniendo en marcha proyectos que demostrasen la viabilidad de algunas de las anteriores ideas. Así, en 2011, la sonda Juno, lanzada rumbo a Júpiter, incorporaba sistemas basados en nanotubos de carbono que protegían al instrumental sensible de la radiación electromagnética. En 2016, el año en que Juno llegó a Júpiter, los nanotubos de carbono se estaban empleando en los espejos de los telescopios de la familia de pequeños satélites de tipo CubeSat. Al año siguiente, en 2107 se produce el primer uso estructural de composites reforzados con nanotubos de carbono en una embarcación, reforzando la cubierta exterior de un tanque de propelente en la misión SubTec-7.  

La sonda Juno, lanzada en 2011 con destino a Júpiter, incluía un sistema de protección del equipamiento más sensible fabricado con nanotubos de carbono. Recreación artística de Juno orbitando alrededor de Júpiter.
Cortesía de NASA/JPL-Caltech. https://www.nasa.gov/mission_pages/juno/overview/index.html

En 2018, la empresa austriaca ENPULSION probó para la ESA sus sistemas de propulsión basados en la emisión de iones de indio que son acelerados por medio de fuertes campos eléctricos creados en nanopuntas metálicas. Más recientemente, en 2020, se realizaron pruebas en condiciones de microgravedad para estudiar la capacidad impulsora de velas solares fabricadas con grafeno, siendo esta una de esas ideas futuristas que pueden llegar a hacerse realidad de la mano de la nanotecnología. 

La empresa ENPULSION ha desarrollado motores iónicos basados en la emisión de iones desde nanopuntas sometidas a fuertes campos electrostáticos. La imagen muestra la distribución del campo eléctrico en una de estas puntas.

Por lo tanto la nanotecnología ha comenzado a hacer su aparición en el escenario espacial en los últimos diez años de una forma más modesta pero realista, con contribuciones cada vez más significativas. Esta evolución más contenida, una vez pasado el pico de sobre-expectativas, es común con lo que ha sucedido en otros sectores de aplicación en los que los periodos de adopción de nuevas tecnologías pueden ser, como en caso aeroespacial, muy largos ya que se prefiere priorizar la seguridad y la ausencia de fallos a cualquier otro aspecto, y es que “más vale lo bueno conocido que lo mejor que conocer”, podría decirse.

Marte: un reto para la nanotecnología.

La reactivación de las misiones espaciales tripuladas de larga distancia, más allá de las realizadas en los últimos 30 años en vuelos orbitales alrededor de la Tierra en módulos o transbordadores espaciales, incluyendo aquellos necesarios para llevar y traer tripulaciones a la Estación Espacial Internacional (ISS) supone, desde luego, un reto científico-tecnológico de primera magnitud. Para conseguirlo, la NASA ha desarrollado un detallado estudio de los requisitos que deben tener los distintos sistemas que tendrán protagonismo en cada fase de este largo viaje (Drake 2009a, 2009b, 2014). Me gusta imaginar cómo Cristóbal Colón, revisaba las naves, buscaba tripulación, hacía listas de víveres allá por 1492… pues bien, lo de ahora, los preparativos para una misión tripulada a Marte es igual en esencia pero órdenes de magnitud más complicado. Por otro lado, en colaboración con diversas agencias espaciales, la NASA ha lanzado ya diversas misiones no tripuladas que están permitiendo llevar a cabo una importantísima recolección de datos sobre Marte, su atmósfera, la existencia de agua, el clima marciano, la geología marciana, la composición del regolito, etc. Además la experiencia acumulada en la ISS en relación al comportamiento del organismo de los astronautas resulta clave para emprender cualquier misión que dure varios meses, incluso años. 

En relación con la nanotecnología, las misiones tripuladas a Marte exigen nuevos materiales y dispositivos para mejorar los aspectos propios de las  misiones no tripuladas de largo alcance. Estos aspectos ya se han detallado antes (aligeramiento, mejores prestaciones, instrumental, redundancia, tolerancia a fallos, etc.). Sin embargo, dado que las misiones tripuladas presentan sus propias características, ahora se requiere que las tecnologías (incluida la nanotecnología) se centren en otras cuestiones de suma importancia, como son:

  • Mejorar el seguimiento del estado de salud de los astronautas mediante los adecuados sistemas de diagnóstico, y disponer de una batería de fármacos y tratamientos médicos pensando en la situación de aislamiento de la tripulación durante la misma.
  • Asegurar el suministro de aire, agua y alimentaciones con la calidad y la cantidad adecuadas para una tripulación durante toda la misión.
  • Asegurar las condiciones de habitabilidad (protección anti-impactos, regulación térmica, etc.), tanto del vehículo espacial durante el viaje como del asentamiento que se instale en suelo marciano.
  • Asegurar el suministro energético que garantice el funcionamiento de todos los sistemas de suministro y soporte vital, así como de las naves y vehículos que forman parte de la misión.
  • En el caso de aquellas misiones de larga duración que impliquen la puesta en marcha de un asentamiento al que será muy difícil hacer llegar suministros, además de los puntos anteriores, se debe poner en marcha una estrategia capaz de utilizar aquellos recursos que existen in-situ (ISRU, del inglés in-situ resource utilization). Esta estrategia incluye la obtención de oxígeno, materiales diversos de uso en fabricación y construcción, o combustibles, por poner algunos ejemplos, a partir de los recursos existentes en la superficie o la atmósfera (si existe) del planeta o satélite donde se instale la base.

Para lograr superar estos nuevos retos se deben usar todas las herramientas y las soluciones facilitadas por las diversas tecnologías que los seres humanos han desarrollado a lo largo de las últimas décadas. Sin embargo se sabe que esto no es suficiente, por lo que se deben seguir mejorando las prestaciones de materiales y dispositivos para cumplir los requisitos que deben satisfacer los diversos sistemas, subsistemas, dispositivos y componentes que permiten desarrollar una misión tan compleja. Por eso no es de extrañar que la propia NASA siga incentivando la investigación en nanotecnología aplicada en diversos campos, pero muy orientada a las necesidades de la ambiciosa misión del viaje a Marte por parte de un grupo de astronautas. Los avances de la nanotecnología se dan, por lo general, para resolver problemas puntuales que forman parte de las estrategias de las misiones. Por ejemplo, en caso de incendio se produce monóxido de carbono (CO) que es venenoso, por lo que se requiere alguna manera de extraerlo del aire contaminado de un compartimento del vehículo o nave espacial. En el año 2012 se probó en la ISS un sistema de regeneración de aire que contenía nanopartículas de oro capaces de oxidar el CO (convirtiéndolo en CO2) a un ritmo muy rápido, de forma que se neutralizaba la presencia de este gas venenoso.

Otro ejemplo de búsqueda de soluciones lo encontramos en las convocatorias de ayudas realizadas por la NASA durante el periodo 2019-2021 (NASA 2019) para financiar investigaciones destinadas a usar la nanotecnología con el fin de aumentar la disponibilidad, la potabilización, la estabilización y el control de calidad del agua. Como curiosidad, una de los problemas que requieren nuevas ideas es la eliminación de urea y otras sustancias del agua a baja temperatura, usando consumibles regenerables, de forma que se diseñen sistemas que, operando a menos de 300 W, permitan procesar 10 l diarios de orina recuperando más del 95% del agua, y que esta contenga concentraciones inferiores a 1.5 g/l de sustancias orgánicas y a 0.3 g/l de amoniaco. Por si fuera poco, también se pide que los sistemas operen 6 meses de forma continuada y que puedan pasar 2 años en estado “durmiente” entre periodos de funcionamiento. Este ejemplo nuevamente pone de manifiesto que la investigación espacial está muy orientada para alcanzar los objetivos de las diferentes misiones, y que para cada una de ellas propone multitud de retos que hay que resolver, de uno en uno, aplicando el conocimiento disponible y si no existe, se busca para encontrarlo.

Además de estos ejemplos en los que se está trabajando con proyectos reales, hay innumerables ideas que se están fraguando en numerosos grupos de investigación a la espera de lograr ponerlos en marcha (Terranova 2021). Lo “nano” ha llegado al espacio para quedarse. Una de esas ideas recientemente propuesta (Lehner 2019) está relacionada con el uso de materias primas in-situ para obtener diferentes tipos de productos. En esta propuesta un sistema automatizado formado por un vehículo (rover), un bio-reactor y un sistema de generadores fotovoltaicos se ubican en la superficie de Marte, en un punto adecuado en cuanto a composición química del terreno, que ya lleva tiempo siendo cartografiado y analizado. El rover se encargaría de recoger regolito, y transportarlo al bio-reactor donde una adecuada combinación de bacterias y nanocatalizadores, con el aporte energético del generador de energía solar, transformarían los minerales del regolito en dos tipos de productos: gases como CO2, H2, CH4 y O2 y materiales metálicos. Los gases se aprovecharían para proporcionar soporte vital o como combustible, mientras que los materiales metálicos servirían para producir tintas conductoras que pueden usarse en sistemas de fabricación aditiva (impresión 3D) para generar piezas o utensilios que puedan necesitarse. Por cierto, desde 2012 la NASA ha probado en la ISS varias impresoras 3D y estrategias de reciclado y reutilización de materiales, con el fin de poner a punto estos sistemas que permiten fabricar o reparar piezas que puedan resultar dañadas, sobre todo en aquellas misiones en las que es imposible llevar o hacer llegar repuestos. Como podría suponerse en las misiones espaciales todo tiene un porqué y nadie “da puntadas sin hilo”.

La conexión con los ODS (Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU)

No me gustaría terminar este artículo sin señalar los exigentes requisitos que se solicitan a una pequeña nave que surca el espacio durante meses o a una base que debe funcionar en un remoto lugar durante varias semanas, sirven para garantizar la supervivencia de la tripulación. En ambos casos se debe lograr la sostenibilidad de ese pequeño grupo humano resolviendo los problemas relacionados con su salud, con el acceso al agua, la energía, y la alimentación, con la edificación de estructuras que garanticen la habitabilidad, etc. Precisamente muchos de estos problemas coinciden con aquellos que actualmente tienen planteados los 7800 millones de “cosmonautas” de esta otra nave espacial llamada Tierra y que intentan, un tanto a la desesperada, paliar mediante la puesta en marcha de la Agenda 2030 que contiene 17 Objetivos del Desarrollo Sostenible (ODS) (ONU 2015). 

El conocimiento científico-tecnológico en general (Vessuri 2016) y la nanotecnología en particular (Serena 2021) están demostrando su capacidad para ayudar a conseguir algunos de los ODS, por lo que muchos de los avances que se logren en este ámbito pueden explorarse para ser transferidos al sector espacial. Sin embargo esto debe hacerse con mucha cautela, sabedores que los requisitos que se piden al sector espacial pueden ser más exigentes que los que se piden a las soluciones de uso terrestre. Por otro lado, ya se sabe que las aplicaciones desarrolladas para el sector espacial pueden servir para resolver algunos problemas que los seres humanos tenemos en la Tierra, pero de nuevo debemos ser cautos, porque en ocasiones los costes de las aplicaciones espaciales no pueden rebajarse lo suficiente mediante el escalado industrial y esta soluciones resultan excesivamente costosas e inaplicables desde un punto de vista meramente comercial. 

La nanotecnología está conectada con los ODS.

Lo que está claro es que ante un mismo problema, por ejemplo la gestión del agua, los requisitos que se necesitan satisfacer en una misión espacial o para una comunidad de habitantes de una región en la Tierra son diferentes, pero es posible que las soluciones que se den en un ámbito puedan servir para aplicarse en el otro. A modo de ejemplo, volviendo al caso de las convocatorias de la NASA, los métodos que se encuentren para la obtención del agua a partir de la orina serían de gran utilidad para su aplicación en la depuración del agua en edificios o poblaciones completas. Seguramente podremos encontrar ejemplos similares que conecten las investigaciones necesarias para lograr los ODS con las que se hacen para lograr llegar a Marte y habitar dicho planeta (aunque sea en una pequeña base), y de esta forma será factible realizar un transvase de conocimientos en lo que respecta a la generación y almacenamiento de energía, la obtención de hidrógeno, el aligeramiento de vehículos o los sistemas para realizar el seguimiento permanente de la salud de una persona, por mencionar unos pocos ejemplos. Todo esto ilustra que, además de satisfacer la enorme curiosidad de nuestra especie, los retos implícitos en las aventuras espaciales pueden aportar soluciones a nuestros problemas mundanos, esos que tenemos de manera cotidiana los habitantes de este planeta.

Conclusiones

En este artículo se ha descrito, desde una perspectiva personal, como la generación de personas que nació hace 50-70 años, ha visto hacerse realidad una vieja aspiración de la humanidad: salir de su hábitat natural, la Tierra, comenzando así una exploración espacial en la que misiones tripuladas y no tripuladas se han ido adentrando cada vez más lejos en planetas, satélites, asteroides y cometas, mostrándonos la infinita variedad de condiciones que existen en nuestro universo, incluso en el más cercano a nosotros. La investigación espacial, impulsada inicialmente por la competición entre la URSS y los EE.UU., requiere de la aportación de múltiples tecnologías para satisfacer los requisitos que imponen las misiones, cada vez más ambiciosas. 

Una de estas tecnologías, actualmente en fase de expansión, es la que nos permite controlar la materia a escala atómica, la nanotecnología, que debido a su carácter multidisciplinar y transversal tiene aplicaciones en diferentes áreas de aplicación, incluyendo, evidentemente, al sector aeroespacial. Se ha visto como la llegada de la nanotecnología a las aplicaciones espaciales se ha hecho en base a una planificación muy detallada, ajustada a las necesidades de las diferentes misiones que se han puesto en marcha en las últimas dos décadas. Estas necesidades están muy conectadas, en el fondo, con las que ahora tenemos todos los habitantes del planeta, que nos encontramos embarcados en busca de una sostenibilidad que parece lejana. Por ello, los avances que se están haciendo por parte de la nanotecnología en temas como la búsqueda de materiales más ligeros y resistente, la gestión del agua, la generación de energía, baterías de mayor capacidad, nuevos fármacos y sistemas de diagnóstico, etc. van a tener un doble uso, civil y espacial, es decir tanto para los habitantes del planeta Tierra como para aquellas personas que vayan algún día a Marte. En cualquier caso, de lo que hay que estar seguros es que el conocimiento bien orientado servirá para garantizarnos “larga vida y prosperidad” como nos recordaba el vulcaniano Mr. Spok hace ya muchos años.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido posible gracias a la infinita paciencia de mi familia, Agradezco a los componentes de Aviador Dro su invitación para unirme a su proyecto de seguir soñando con un mundo mejor gracias al aporte del conocimiento humano. 

Referencias

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Presentación descargable en pdf

música y marte en otro mundo mejor

Pedro A. Serena Domingo

Investigador Científico

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM)

Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

c/ Sor Juana Inés de la Cruz, 3. Campus de Cantoblanco, E-28049-Madrid, España

e-mail: pedro.serena@icmm.csic.es

Conferencias del evento concierto Marte y Música en Otro Mundo Mejor, que precedieron al concierto, filmadas por Ignacio R Rosillo. Los conferenciantes Manuel Toharia. Pedro SDerena. José Antonio Rodríguez Manfredi