Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

La nata montada y la lanzadera espacial Columbia

Cuando se coge un envase de nata montada del frigorífico y se vierte una porción del contenido sobre una cuchara se puede observar que tras salir del envase fluyendo suavemente como un líquido, poco después se convierte la nata en una masa mucho más rígida, casi sólida, en la cuchara. Y, aunque parezca extraño, la explicación científica del fenómeno guarda una estrecha relación con la lanzadera espacial Columbia y el terrible accidente que sufrió.

El sábado 1 de febrero del año 2003, exactamente en el momento previsto, y con toda la tripulación, 7 miembros, dentro de sus trajes de presión y atados a sus asientos, la lanzadera espacial Columbia iniciaba su regreso a la Tierra tras una misión de gran interés científico. Numerosos testigos observaban su espectacular y brillante paso por los cielos californianos. La humanidad quedó horrorizada al contemplar las imágenes de su estallido y destrucción. Transcurridos más de cinco años de aquel desastre los restos de un chamuscado disco duro de sus ordenadores siguen proporcionándonos datos de sumo interés científico.

RESTOS
Los primeros signos de que algo iba mal se presentaron a las 13:53 UTC de aquel día. La telemetría indicó una pérdida de lectura de los sensores de temperatura de los alerones del ala izquierda, mientras al mismo tiempo aumentaban la de la zona del tren de aterrizaje, en el mismo lado izquierdo. Unos siete minutos más tarde se perdía el contacto con la nave y las primeras comunicaciones exteriores de testigos y las lecturas del radar indicaban que la nave se había desintegrado. El desprendimiento, durante el despegue, de una loseta térmica aislante fue la causa de la tragedia.

La NASA lanzó varios mensajes relativos a los restos de la nave extendidos sobre una inmensa superficie terrestre, advirtiendo sobre su posible toxicidad, además del gran valor que tendrían para las investigaciones posteriores. Muchos de los restos fueron localizados dispersos en una amplia área que cubría varios estados y trasladados para su investigación a la Barksdale Air Force Base.

La expedición del Columbia comprendía más de 80 experimentos científicos, la mitad de ellos comerciales. Entre los experimentos figuraban el denominado CVX-2 cuyos datos se fueron almacenando en un disco duro comercial de 400 gigabytes, protegidos por una "caja de tarjetas" de metal y alojado junto con otros equipos electrónicos en un gran recipiente en la bodega de la lanzadera. Debido a los problemas de comunicaciones una parte de esos datos no se habían descargado a la Tierra y permanecían en el disco duro. Tras el accidente se creyó que el disco se habría salido de la caja y quemado, pero el análisis minucioso de todos los restos hallados hizo que en determinado momento los ingenieros del Centro Espacial Johnson encontrasen la caja en el hangar del Centro Espacial Kennedy se habían depositado gran parte de los restos del Columbia. La caja contenía un disco duro muy chamuscado que lo enviaron a la empresa Ontrack Data Recovery de Minneapolis, para intentar la recuperación de cualquier dato que se mantuviera en el mismo. Y, efectivamente, los datos recuperados supusieron un 99 por ciento del total, aunque los resultados eran tan complejos que se necesitaron varios años para su análisis y para dar lugar a la correspondiente publicación científica que ha visto la luz en uno de los últimos números de la revista PHYSCAL REVIEW B, tras unos resultados muy previos que se anunciaron en el año 2003.
CVX-2

El cambio en la apariencia de la nata montada se debe a un fenómeno físico conocido con el nombre de "adelgazamiento por corte" (shear thinning, en inglés); cuando una parte de la espuma se fuerza a resbalar o "cortar" a través del resto de la espumar con lo que ésta se hace más viscosa, se "adelgaza". El adelgazamiento por corte ocurre en muchas sustancias; por ejemplo, cpnsiguiendo que el ketchup fluya de la botella pero que no gotee o resbale demasiado sobre la superficie de las patatas fritas; ese adelgazamiento por corte también permite que una pintura fluya suavemente por la brocha pero que se quede pegada a la pared que pintamos; y es, asimismo, importante en la explicación de comportamientos de fluidos como la sangre, los polímeros líquidos (como los plásticos fundidos usados en la fabricación de moldes) o los aceites para motores. En este último caso el excesivo "adelgazamiento por corte" en el aceite de un motor es poco conveniente, porque ello afecta a su rendimiento.

¿Cuáles son las causas del fenómeno del "adelgazamiento por corte"?. Era una pregunta sin resolver por la Ciencia. Para investigar el problema se diseñó el experimento llamado "Viscosidad Crítica del Xenón-2" (Critical Viscosity of Xenon-2 o CVX-2, en idioma inglés) para ser realizado en las condiciones proporcionadas por lTransbordador Espacial Columbia. A diferencia de la nata montada, que está compuesta por largas y complejas moléculas orgánicas, el xenón es químicamente inerte, y sus moléculas están compuestas por un solo átomo por lo que sería relativamente más fácil de entender su comportamiento. Los fluidos como el xenón no experimentan "adelgazamiento por corte", pero la situación cambia si se ponen en condiciones cercanas a su "punto crítico" que es una combinación especial de temperatura y presión donde los fluidos pueden existir simultáneamente en estado líquido y gaseoso. En ese punto crítico, los fluidos simples pueden "adelgazar al ser cortados", exactamente como lo hace la nata montada.

COLUMBIA
El xenón en su punto crítico se parece a una niebla difusa, una mezcla de regiones microscópicas con densidades levemente más altas o más bajas. Estas minúsculas regiones de densidad variable aparecen y desaparecen constantemente en una agitada espuma, otorgando al xenón algunas de las complejidades estructurales de las mezclas con "adelgazamiento por corte". El experimento CVX-2 debería hacerse en el espacio, pues así los fluidos en punto crítico se comprimen fácilmente. En la Tierra colapsan bajo su propio peso y se vuelven más densos en los fondos de los recipientes.

En cambio, en condiciones de caída libre orbital, esas diferencias desaparecen, lo cual constituye un requisito clave. Para investigar el "adelgazamiento por corte", durante el experimento CVX-2, se ajustaron la temperatura y la presión en un pequeño cilindro hasta llevar al xenón a su punto crítico y se agitó cuidadosamente el fluido con una paleta de malla de níquel. Al medir la resistencia del fluido al movimiento de la paleta, el experimento podía determinar la viscosidad del xenón. Luego, se buscaron cambios de viscosidad conforme se cambiaba lentamente la velocidad de la paleta y la temperatura del fluido y se intentó comprobar la concordancia de los resultados obtenidos con los predichos por algunas hipótesis teóricas sobre el fenómeno.

Los resultados concordaron exactamente con las predicciones de una de las teorías, la del Acoplamiento Dinámico de Modos, lo que podría ayudar a usar esta teoría para predecir comportamientos y elaborar otras mejores teorías sobre el adelgazamiento por corte en fluidos más complejos, lo que tendría múltiples aplicaciones, entre ellas las industriales relacionadas con la elaboración de mejores pinturas o aceites para motores.