Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Láser: la luz que revolucionó nuestras vidas

La expresión Láser es una acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, es decir luz amplificada por emisión estimulada de radiación. Sus fundamentos fueron propuestos por Einstein, en 1916, aunque hasta 1960 no funcionó el primer sistema. En sus inicios se le achacaba que era un dispositivo en busca de un problema, pero en la actualidad se ha convertido en una herramienta universal, de propósito general.

Láser: la luz que revolucionó nuestras vidas
Ilustración :: ÁLEX

APLICACIONES

Una vez conseguida su construcción, rápidamente han ido apareciendo múltiples aplicaciones. En Medicina, por ejemplo, cauterizando tejidos, reparando lesiones, cortando con precisión, esterilizando material quirúrgico, perforando el cráneo; en Dermatología tratando defectos de la piel; en Oftalmología, eliminando capas submicrométricas de la córnea, modificando la curvatura, o en desprendimiento de retina, soldando la misma; en terapias fotodinámicas, introduciendo un colorante que se fija a un tejido canceroso y desde fuera con un láser se provoca la reacción interna que, generalmente libera oxígeno y quema el tejido enfermo circundante.

En computación, con la lectura de códigos de barras, hoy tan extendida; la lectura o grabación de CD y DVD; en fotocopiadoras; en comunicaciones, disfrutando de las ventajas de la alta frecuencia y transportando hasta 1000 veces más canales de televisión a través de fibra óptica que a través de microondas; en computación cuántica, que hoy por hoy es el único futuro instrumental de la computación, para lograr velocidades y capacidades que permitan abordar los grandes problemas de cálculo, desde el meteorológico, hasta el cosmológico o la predicción de mareas y efectos desastrosos de gran alcance. En nuestra vida ordinaria, la medición de distancias ha cambiado sustancialmente, realizándose con alta velocidad y alcance.

Otra aplicación es la holografía, que permite que un objeto bidimensional contenga codificada toda la información propia de una imagen tridimensional, es decir es como una fotografía que registra la interferencia de ondas, de forma que iluminando posteriormente se reconstruye la imagen tridimensional; además de producir bellísimos registros, tiene una utilidad mecánica porque analizar objetos tridimensionales, permite localizar comportamientos dinámicos y reparar averías: los neumáticos son un campo de aplicación genuino. El Universo holográfico es una alternativa que hoy conforma la propuesta cosmológica más audaz y que nos introduce en dimensiones superiores a las tres convencionales, para formular una explicación cabal de nuestra existencia.

En Industria, el láser posibilita realizar soldaduras o tratar superficies, cortes, taladrado o marcado, vaporizado de materiales, modelado de máquinas herramienta, etc. Y la grabación de chips, cortado de patrones, síntesis de nuevos materiales, fotografías de alta velocidad, la fusión controlada, como mecanismo de producción de energía a niveles rentables y de forma prácticamente inagotable, son algunos de los numerosos campos en los que es aplicable.

ENERGÍA

La equivalencia entre masa y energía establecida por Einstein permite predecir que cuando una reacción ocurre con una diferencia de masa, libera energía. Mientras que en la fisión un elemento pesado se transforma en uno ligero, en la fusión, núcleos ligeros se transforman en pesados; esto es lo que ocurre en el interior del Sol y de las estrellas.

Para provocar esta reacción artificialmente, hay que tener en cuenta que los núcleos atómicos son partículas cargadas positivamente, de forma que hay una fuerza de repulsión entre ellos. Así pues, los mejores materiales para la fusión son los que solamente tienen una carga positiva, un protón, en el núcleo, como es el hidrógeno. El deuterio (D) es un isótopo el hidrógeno (misma carga y distinta masa) con un protón y un neutrón en el núcleo. Es abundante en la Tierra, en cantidad suficiente para abastecernos de energía miles de millones de años. Está en el agua y es asequible su extracción. El tritio (T) es otro isótopo con un protón y dos neutrones en el núcleo. No se encuentra en la naturaleza, es radiactivo y tiene 13.2 años de vida media. Se produce en reacciones nucleares.

Las combinaciones D + T, D + D y otras combinaciones, liberan grandes cantidades de energía, muy superiores a las suministradas para superar la repulsión entre los núcleos que hemos descrito. Pero si se pretende lograrlo acelerando con aceleradores los núcleos para que su energía cinética al chocar sea capaz de vencer la repulsión en la colisión, no es posible porque los aceleradores precisan de tal cantidad de energía que hace inviable el proceso desde el punto de vista energético.

Otra alternativa es la termonuclear, es decir que la energía cinética se suministre no acelerando las partículas, sino elevando la temperatura, hasta unos 100 millones de grados centígrados, que es la temperatura en el interior del Sol. A estas temperaturas los átomos se separan en núcleos por un lado y electrones libres por otro, estado denominado plasma. Una de las características del plasma es que pierde energía por irradiación electromagnética, ya que los electrones se ven frenados por los campos eléctricos de los núcleos. A una temperatura llamada de ignición la producción de energía iguala a la pérdida del plasma. Esto requiere el confinamiento del plasma, con el problema añadido de que no hay materiales, ni naturales ni artificiales que aguanten estas temperaturas.

Los láseres pueden ser la solución. Combinando densidad del plasma y tiempo de confinamiento se logra la fusión controlada. A presión atmosférica el tamaño corresponde a una bola de 1 milímetro de diámetro y el tiempo de confinamiento es de 10 nanosegundos, obteniéndose en este tiempo la energía de las reacciones de fusión.  A presiones muy superiores a la atmosférica los tiempos llegan a ser de picosegundo. La energía es limpia y el combustible está en todas partes. El suministro de la energía para elevar la temperatura se consigue con muchos láseres focalizados cobre el blanco, para comprimir la bola de fusión y como resultado producir la ignición, a la que sigue la explosión que libera la energía, funcionando como una bomba de hidrógeno en miniatura.

CIENCIA

En Ciencia el láser tiene un presente muy prometedor. Las cualidades que impulsan su aplicación son: monocromaticidad (intervalo de frecuencias muy estrecho), coherencia (misma fase con lo que no se producen las interferencias destructivas características de la luz convencional), linealidad (el dispositivo en que se monta hace que emerja un haz en una dirección) y brillo (intensidad, energía del haz que puede acumularse y producirse en grandes cantidades).

El resultado es la posibilidad de un cúmulo de aplicaciones. En Ciencia es muy importante la monocromaticidad, porque permite sintonizar con los tránsitos moleculares que son muy específicos e intransferibles. En cuanto la frecuencia con que se emite puede ser realmente pequeña, alcanzando hoy hasta el attosegundo (una trillonésima de segundo), menor (mil veces) que el tiempo genuino de las moléculas, el femtosegundo (una milbillonésima parte de segundo, con el concepto europeo, no americano, de billón).

Este logro sería como disponer de un reloj muy preciso que ayude a ver las moléculas en directo y no en diferido, observando cómo se forman y rompen los enlaces, lo que el Nobel de 1999, Ahmed Zewail, denominó Femtoquímica. Es el presente y futuro de la Química.

Más en:

Laser applications in Medicine and Biology; ed. Myron L. Wolbarsht; Springer; 1991