Hablemos de CIENCIA

ITER significa camino en latín, un nombre que remite a una dirección y un destino, puesto que de conseguirse significaría que hemos encontrado una fuente de energía limpia e inagotable, ya que el hidrógeno es una de las sustancias que más abundan en el universo. Las cifras de una investigación de semejante tamaño son igualmente apabullantes: miles de ingenieros y científicos han trabajado desde el lanzamiento de la idea en 1985, hay 35 países colaborando en las investigaciones (todos los de la Unión Europea más Estados Unidos, Japón, Rusia, China, India y Corea del Sur), las inversiones superarán los 20.000 millones de euros, el reactor experimental (llamado Tokamak) se está construyendo en una parcela de 42 hectáreas en el sur de Francia, y para terminarlo se necesitará el ensamblaje de más de un millón de piezas diferentes según Bigot. “Ningún país del mundo en solitario puede permitirse proveer este equipo en un tiempo razonable” asegura el director general; de hecho uno de los mayores riesgos que afronta el proyecto, dice, es que alguno de los países miembros decida abandonarlo o no cumpla sus compromisos.

El descubrimiento de las proteínas CTLA-4 y PD-1
La propiedad fundamental del sistema inmune es la capacidad de discriminar entre «sí mismo» y «no uno mismo», de modo que las bacterias invasoras, los virus y otros peligros puedan ser atacados y eliminados. Las células T, un tipo de glóbulo blanco, son jugadores clave en esta defensa. Se demostró que las células T tienen receptores que se unen a estructuras reconocidas como no propias y tales interacciones provocan que el sistema inmune se comprometa en la defensa. Pero también se requieren proteínas adicionales que actúen como aceleradores de células T para desencadenar una respuesta inmune en toda regla.
Durante la década de 1990, en su laboratorio en la Universidad de California, Berkeley, James P. Allison -que el pasado mes de enero fue distinguido con el Premio Fronteras del Conocimiento, que concede la Fundación BBVA, en la categoría de Biomedicina- estudió la proteína de células T CTLA-4. Desarrolló un cuerpo que podría unirse a ella y bloquear su función, de forma que el freno de las células T se desconectara y el sistema inmune pudiera liberarse para atacar las células cancerosas.
Allison y su equipo realizaron un primer experimento a finales de 1994 y los resultados fueron espectaculares, en ratones y en humanos. Unos años antes del descubrimiento de Allison, Tasuku Honjo descubrió PD-1, otra proteína expresada en la superficie de las células T. Exploró meticulosamente su función en una serie de experimentos realizados durante muchos años en su laboratorio de la Universidad de Kyoto. Los resultados mostraron que PD-1, similar a CTLA-4, funciona como un freno de células T, pero opera por un mecanismo diferente.
En experimentos con animales, el bloqueo PD-1 también demostró ser una estrategia prometedora en la lucha contra el cáncer, tal y como demostraron Honjo y otros grupos. Esto allanó el camino para utilizar PD-1 como un objetivo en el tratamiento de pacientes. El desarrollo clínico se produjo y en 2012 un estudio clave demostró una clara eficacia en el tratamiento de pacientes con diferentes tipos de cáncer.

La ciencia ficción popular de principios del siglo XX describía a Venus como una especie de país de las maravillas con temperaturas cálidas y agradables, bosques, pantanos e incluso dinosaurios. En 1950, el Planetario Hayden del Museo Americano de Historia Natural ofrecía reservas para la primera misión turística espacial, mucho antes de la época moderna de Blue Origins, SpaceX y Virgin Galactic. Lo único que uno tenía que hacer era facilitar su dirección y marcar la casilla de su destino preferido, entre los que estaba Venus.

Hoy en día, es poco probable que los que quieren ser turistas espaciales sueñen con ir a Venus. Como han demostrado numerosas misiones en las últimas décadas, el planeta no es un paraíso, sino más bien un mundo infernal de temperaturas extremas, con una atmósfera tóxica y corrosiva y unas presiones aplastantes en la superficie. A pesar de ello, la NASA trabaja actualmente en una misión tripulada conceptual a Venus llamada HAVOC (siglas en inglés de Concepto Operacional a Gran Altitud en Venus).

Pero ¿cómo puede ser siquiera posible esta misión? Las temperaturas en la superficie del planeta (unos 460°C) son en realidad más elevadas que las de Mercurio, aunque Venus está aproximadamente al doble de distancia del sol. Son más elevadas que el punto de fusión de muchos metales, incluidos el bismuto y el plomo, que incluso pueden caer como “nieve” sobre los picos montañosos más altos. La superficie es un paisaje árido y rocoso formado por extensas llanuras de roca basáltica salpicadas de formaciones volcánicas, y varias regiones montañosas tan grandes como continentes.

El planeta no es un paraíso, sino más bien un mundo infernal de temperaturas extremas, con una atmósfera tóxica y corrosiva y unas presiones aplastantes en la superficie

También es joven desde el punto de vista geológico y ha sufrido episodios de renovaciones de la superficie catastróficas. Estos episodios extremos están causados por la acumulación de calor debajo de la superficie, que al final hace que se funda, expulse el calor y se vuelva a solidificar. Sin duda, es una perspectiva aterradora para cualquier visitante.

Flotar en la atmósfera
Por suerte, la idea que hay detrás de la nueva misión de la NASA no es desembarcar a gente en la superficie, sino usar su densa atmósfera como base para la exploración. Todavía no se ha anunciado públicamente una fecha exacta para una misión tipo HAVOC. Es un plan a largo plazo que dependerá primero de que las pequeñas misiones de prueba tengan éxito. Ahora mismo, con la tecnología actual, esta misión es realmente posible. El plan es utilizar naves espaciales que pueden mantenerse volando en la atmósfera superior durante largos periodos de tiempo.

Por sorprendente que pueda parecer, la atmósfera superior de Venus es el lugar más parecido a la Tierra en el sistema solar. Entre 50 y 60 km de altitud, la presión y la temperatura pueden ser comparables a las de algunas regiones de la atmósfera inferior de la Tierra. La presión atmosférica en la atmósfera venusiana a 55 km es aproximadamente la mitad que la de la presión al nivel del mar en la Tierra. De hecho, se estaría bien sin un traje de presión porque equivale más o menos a la presión del aire que hay en la cumbre del monte Kilimanjaro. Y tampoco haría falta aislarse ya que la temperatura allí oscila entre los 20º y los 30° C.

La atmósfera por encima de esta altitud también es suficientemente densa para proteger a los astronautas de la radiación ionizante del espacio. El hecho de que el Sol esté más próximo permite que haya una mayor radiación solar que en la Tierra, la cual se puede emplear para generar energía (aproximadamente 1,4 veces más).

La nave espacial conceptual flotaría alrededor del planeta empujada por el viento. Para facilitar esto, se podría llenar con una mezcla de gases respirables como el oxígeno y el nitrógeno, lo que le proporcionaría flotabilidad. Esto es posible porque el aire respirable es menos denso que en la atmósfera de Venus y, por tanto, sería un gas de elevación.

La atmósfera de Venus está formada por un 97% de dióxido de carbono, aproximadamente un 3% de nitrógeno y cantidades traza de otros gases. Como todo el mundo sabe, contiene una pizca de ácido sulfúrico que forma nubes densas, y es uno de los principales elementos que crean su visible brillo cuando se observa desde la Tierra. De hecho, el planeta refleja más o menos el 75% de la luz que recibe del Sol. Esta capa de nubes muy reflectante se encuentra a una altitud de entre 45 y 65 km, con una bruma de gotitas de ácido sulfúrico por debajo hasta unos 30 km. Por tanto, el diseño de la nave especial tendría que resistir el efecto corrosivo de este ácido.

Afortunadamente, ya disponemos de la tecnología necesaria para solucionar el problema de la acidez. Varios materiales que se comercializan, como el teflón y algunos plásticos, tienen una alta resistencia al ácido y podrían utilizarse para el revestimiento exterior de la aeronave. Teniendo en cuenta todos estos elementos, sería posible pasearse por una plataforma fuera de la aeronave, llevando solo una reserva de aire y un traje de protección química.

¿Vida en Venus?
La superficie de Venus se cartografió desde su órbita con un radar en la misión Magallanes estadounidense. Sin embargo, solo se visitaron algunos lugares de la superficie durante la serie de misiones Venera de sondas soviéticas a finales de la década de 1970. Estas sondas trajeron las primeras – y hasta el momento únicas – imágenes de la superficie de Venus. Desde luego, las condiciones en la superficie parecen totalmente inhabitables para cualquier tipo de vida.

No obstante, la atmósfera superior es otra historia. Algunos tipos de organismos extremófilos que ya existen en la Tierra podrían soportar las condiciones en la atmósfera a la altitud a la que podría volar la HAVOC. Ciertas especies como el Acidianus infernus se pueden encontrar en lagos altamente ácidos de Islandia e Italia. También se ha descubierto que existen microbios aéreos en las nubes de la Tierra. Nada de esto demuestra que exista vida en la atmósfera de Venus, pero es una posibilidad que podría investigar una misión como la HAVOC.

Las condiciones climáticas actuales y la composición de la atmósfera se deben a un efecto invernadero desbocado (un efecto invernadero extremo que no se puede cambiar) que transformó el planeta, un mundo “gemelo” acogedor como la Tierra al principio de su historia. Aunque actualmente no se prevé que la Tierra se enfrente a un escenario extremo parecido, demuestra que se pueden producir cambios drásticos en un clima planetario cuando se dan ciertas condiciones físicas.

Si probamos nuestros modelos climáticos actuales usando los extremos que se observan en Venus, podemos determinar con más precisión cómo los diferentes efectos que alteran el clima pueden producir cambios drásticos. Por tanto, Venus nos proporciona un medio para probar los extremos de nuestros modelos climáticos actuales, con todas las consecuencias inherentes para la salud ecológica de nuestro planeta.

Inmersos en el siglo XXI tenemos a nuestro alcance muchos conocimientos que hemos heredado de nuestros antecesores. Sin mirar a gran distancia disponemos de avanzada tecnología que no seria posible sin las aportaciones básicas que han ido aportando diferentes científicos a lo largo de la historia.

Poder explicar los fenómenos físicos en los que estamos implicados día a día, constituye todo un reto, nada fácil de asumir, en el que los grandes cambios sociales y tecnológicos que se producen últimamente a un ritmo frenético, casi no dan tiempo a seguirlos. Aún así, hay que aprovecharlo para educar adecuadamente en este nuevo mundo cambiante, y saber sacar provecho de estas tecnologías con raciocinio.

Siempre se hace difícil explicar ciertas experiencias de gran relevancia científica y que por su complejidad y gran envergadura parecen reservadas a unos pocos, con este trabajo se pretende aproximar al gran público, de manera sencilla, un mega acontecimiento como es el experimento más grande realizado por la humanidad, el ACELERADOR DE PARTÍCULAS.

Finalidad

Con éste proyecto podemos introducir, de manera símil e intuitiva el fundamento y la estructura funcional del acelerador de partículas que ha sido construido en Ginebra “CERN”.

El reto ha sido el de obtener una maqueta real en la que se aprecie el comportamiento de aceleración de una partícula física visible, alrededor de un anillo por la que circulará a una velocidad controlable electrónicamente.

El desafío no es fácil, pero con tenacidad y constancia ha llegado a buen puerto. A lo largo del documento vamos a detallar la construcción de este prototipo didáctico.

Finalmente hemos conseguido acelerar una bola de acero alrededor de un anillo hecho con tubo transparente de plástico, controlando de manera efectiva su velocidad de rotación. La esfera, pretende simular una “gran partícula” visible, imitando lo que sucede en un acelerador real. Modestamente se trata de una pequeña maqueta didáctica auto construida con materiales de fácil abasto.

Fundamentos físicos de la maqueta.

Idea base, electromagnetismo.

Que sucede cuando con un hilo conductor construimos un solenoide por el que hacemos circular una corriente eléctrica?

Es de todos conocido que hemos construido un ELECTROIMÁN, con el podemos obtener un campo magnético a nuestro antojo, conectando o desconectando de la corriente eléctrica dicho dispositivo.

Hasta aquí la cosa parece fácil, pero ¿como podemos impulsar una bola de acero aprovechando la fuerza electromagnética?

Tal como nos indica la segunda ley de Newton (F = m.a). Podemos inducir una aceleración física de una masa a partir de una fuerza aplicada.

Bien, como hemos indicado al principio, con un electroimán podemos obtener una fuerza electromagnética de diferente magnitud. Si ésta la aplicamos adecuadamente sobre una masa ferromagnética, esta fuerza producirá una aceleración, tal como nos indica la segunda Ley de Newton.

Si observamos la “figura 1”, vemos como al conectar a la corriente eléctrica el electroimán, éste produce un campo magnético que a su vez provocará una fuerza de atracción sobre la esfera, que a su vez se acelerará hasta colisionar con el clavo.
Diseñando adecuadamente el tamaño de la bobina del electroimán, como su número de vueltas y el voltaje aplicado, conseguiremos una fuerza de atracción de mayor o menor magnitud.

¿Por que una esfera?

En nuestro proyecto pretendemos simular la aceleración de una partícula, que la haremos circular por un tubo. Por coherencia y su bajo coeficiente de rozamiento hemos basado nuestro proyecto en este objeto. Como representamos gráficamente siempre una partícula atómica ¿

Como continuará el recorrido la esfera?

En la imagen de la “fig1” la esfera queda inmóvil una vez ha colisionado con el clavo. En nuestra maqueta hemos construido una bobina “hueca” para que pueda continuar su recorrido sin que colisione con nada a lo largo del anillo, es como decir que circulará por un túnel construido con la bobina,

Funcionamiento básico de la maqueta

La idea base de este artilugio se basa en el gran experimento del acelerador de partículas de Ginebra CERN, en que se lanzan por un anillo a una velocidad próxima a la de la luz.
Nuestra discreta propuesta la hacemos sobre un tubo de plástico transparente, en la que hacemos circular una bola de acero de tamaño visible, impulsada por dos bobinas situadas en 180 º de la circunferencia del anillo.
Con la ayuda de la circuiteria electrónica que hemos diseñado nosotros mismos, podemos controlar la duración del impulso eléctrico que llega en cada bobina, ello conlleva una regulación estable de la velocidad a la que circulara la bola.

Hemos añadido dos potenciómetros de control para poder ajustar dicha velocidad entre un rango máximo y mínimo. Ver la fig.3

*** Atención, aclaración:

Somos plenamente conscientes que en el acelerador de partículas de Ginebra, la aceleración se produce por campo eléctrico y las inmensas bobinas allí presentes a lo largo del anillo solo tienen la función deflectora de desviar un pequeño ángulo para obtener una trayectoria circular de 27Km.

En nuestro proyecto aprovechamos el campo electromagnético para impulsar la bola de acero, por efectos prácticos, didácticos y por la facilidad que todo ello implica.

Electrónica de control
¿Control electrónico, por qué?
Evidentemente la bobina no puede estar accionada todo el tiempo, hay que accionarla en el momento preciso y desconectarla con precisión para que no frene la bola a la salida de la bobina.

Para ello necesitamos elementos precisos que solamente los podemos obtener con la ayuda de circuitería electrónica.

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¿Cuándo accionaremos el electroimán?
En nuestro proyecto accionamos el electroimán en el preciso instante en que la bola entra en la bobina, para ello hemos instalado una barrera de luz que nos detecta el paso de la esfera, ello provoca el accionamiento de dicha bobina para que cree un fuerte campo magnético.

La barrera electrónica de luz esta formada por un diodo emisor y un fototransistor que actúa como receptor. El receptor envía la señal correspondiente a la placa de control que a su vez acciona el electroimán.

¿Durante cuanto tiempo?, ¿Por qué?

Cabe recordar que la fuerza que ejerce la bobina sobre el material ferromagnético es siempre de atracción. Si mantenemos conectada la bobina mientras la bola está saliendo de ella, se producirá una fuerza de atracción opuesta al desplazamiento de la misma, es decir, frenaremos su dinámica de movimiento, cosa que no pretendemos en este proyecto.

¿Solución?

Una vez más utilizaremos la electrónica para conseguir un tiempo de accionamiento preciso. Experimentando y ajustando el tiempo de accionamiento hemos llegado a la conclusión que dicho accionamiento tiene que oscilar entre 3… 30 ms. Para ello hemos utilizado un temporizador basado en chip NE555, eficaz, fácil de utilizar y económico para este propósito.

Para regular ésta temporizacion hemos intercalado un potenciómetro “RV1” que servirá para variar la velocidad a la que se desplaza la bola.

En la figura inferior “fig.5” mostramos el esquema utilizado para el control de este proyecto.

¿Detección de partículas?

Todo acelerador que se precie tiene que tener un detector. Para analizar las colisiones y sus efectos.

En este modesto proyecto no se produce ninguna colisión ni partícula subatómica, pero para aproximar dicho efecto hemos incorporado un LED de alta potencia sincronizado con la barrera de luz. Con todo ello conseguimos un efecto ESTROBOSCOPICO que nos hace ver como si la esfera estuviera parada al paso por ese punto concreto. Curioso, no ¡¡¡.

Para dicho control se encarga el chip PIC12F675 junto con los componentes auxiliares de la parte superior del esquema (fig5).

¿Cuánta energía necesitamos?

Estamos proyectando un artilugio a pequeña escala, pero que absorberá una energía considerable a pesar de su tamaño. No es fácil conseguir una velocidad digna de la esfera, para ello el impulso electromagnético a aplicar es de cierta envergadura. Hechas las pruebas correspondientes hemos obtenido buenos resultados aplicando impulsos de 30A /24V sobre cada bobina.

Fabricar una fuente de estas características no es pan comido, para ello hemos utilizado un transformador 12V + 12V / 10A que carga unos grandes condensadores de 6800uF/35V, gracias a ellos podemos almacenar la suficiente energía que aplicaremos sobre las bobinas.

Construcción de la maqueta

Construcción de la bobina final:

Cable de cobre esmaltado de 1mm de diámetro.

60 espiras en dos capas de grosor ( 30 espiras por capa). Finalmente pusimos un pequeño ventilador para refrigerar.

PDF para circuito impreso:

PDF_cara_pistas *** Hay ERRORES ¡¡¡ (Alguna pista no sale). Mirar foto anterior del circuito impreso.

Abstenerse a replicar el circuito si no se tienen unos conocimientos mínimos de Electrónica.

Como mínimo hay que saber utilizar con soltura el Osciloscopio y el Tester.

Hay que medir con pulcritud la anchura de pulso que entrega el 555, así como verificar si los transistores MOSFET se activan correctamente y así mismo la bobina.

La anchura del pulso se puede ajustar con los potenciometros.