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¿Para qué sirve un láser?

Por José Vicente García Ramos (CSIC)*

Cuando se inventó, en 1960, el láser no servía para nada. De hecho, en aquellos tiempos algunos científicos se referían a él como “una solución en busca de problema”. Entonces, ¿para qué lo inventaron? Parece que querían probar, experimentalmente, que el mecanismo de amplificación de la luz por emisión estimulada, predicho por Einstein en 1917 y demostrado con microondas en 1954, podía extenderse a la luz visible.

Hoy, sin embargo, la situación es muy diferente y el láser ha encontrado tantas aplicaciones que nos resulta casi imposible enumerarlas. Las tres características que diferencian la luz de un láser de la luz del Sol o de la generada por una bombilla son que, en el caso del láser, se trata de un haz de luz monodireccional, monocromático y coherente.

Hoy día los láseres tienen numerosas y variadas aplicaciones. / Wikimedia Commons

Hoy día los láseres tienen numerosas y variadas aplicaciones. / Wikimedia Commons

Cualquier láser contiene al menos tres elementos fundamentales: un medio activo, un sistema de bombeo y una cavidad resonante. El medio activo es el material (sólido, líquido o gaseoso) que emite la luz. Para que este medio activo emita luz hay que excitarlo de alguna manera, del mismo modo que el filamento de una bombilla necesita una corriente eléctrica que pase por él. En el caso de un láser se trata del sistema de bombeo, que puede consistir en otro láser, una lámpara convencional o una corriente o descarga eléctrica. El medio activo se coloca entre dos espejos que forman una cavidad resonante donde la luz rebota entre ellos y ayuda a la amplificación, como lo que ocurre en la caja de resonancia de una guitarra que amplifica las ondas acústicas. Uno de los espejos es semirreflectante, por lo que parte de la luz amplificada sale de la cavidad resonante en forma de haz.

El volumen de información que transmite una onda electromagnética depende de su frecuencia; en este sentido, la luz de un rayo láser resulta idónea para la transmisión de señales. Por eso, entre sus aplicaciones más usadas está la lectura de discos compactos, la fabricación de circuitos integrados y la lectura de códigos de barras. En el ámbito de la medicina, la tecnología láser se aplica a los bisturís cauterizantes, ya que permite realizar cortes muy finos de gran precisión, evitar cualquier riesgo de contagio y cauterizar de manera inmediata, alejando el peligro de hemorragias.

Fibra óptica, impresoras o espionaje

Sin embargo, muchas de las aplicaciones del láser no dependen tanto de su capacidad para generar un rayo de luz como del hecho de que representa una concentración extremadamente intensa de energía. Basándonos en esta propiedad, podemos enumerar tres aplicaciones sumamente importantes en el terreno de la óptica. Una de ellas son las telecomunicaciones mediante fibra óptica. En este caso, las señales eléctricas que hasta hace poco tiempo se desplazaban a través de conductores metálicos han sido reemplazadas por pulsos ópticos que se transmiten a través de fibra de vidrio del grosor de un cabello. Como potente fuente de luz, el láser confiere a estas fibras una elevada capacidad de transmisión.

Espectáculo de luces con láseres. / kpr2 - Pixabay

Espectáculo de luces con láseres. / kpr2 – Pixabay

La segunda aplicación óptica importante está en la holografía, que es una técnica para crear imágenes tridimensionales, inventada en 1947 por el ingeniero eléctrico húngaro Dennis Gabor (1900-1979), que obtuvo por ello el Premio Nobel en 1971. Esta técnica se basa en la interferencia entre dos rayos de luz. Uno de los aspectos básicos del sistema es la necesidad de utilizar luz coherente, y cuando se inventó solo se disponía de fuentes relativamente débiles de este tipo de luz. La llegada del láser transformó la situación, porque la generación de una poderosa fuente de luz coherente es su esencia. Con el tiempo, la holografía llegó a hacerse muy familiar en una variedad de formas, como en la marca de seguridad de las tarjetas de crédito y en publicidad.

La tercera aplicación importante está en las impresoras de los ordenadores, donde, controlando un haz láser, se dibujan las palabras que se quieren imprimir.

También podemos destacar las aplicaciones que dependen de su capacidad para concentrar una gran cantidad de energía sobre una superficie muy pequeña (alrededor de un millón de vatios por centímetro cuadrado) durante un periodo de tiempo extremadamente breve. Algunas de las más importantes aplicaciones industriales de los láseres son fruto de esta capacidad: la perforación, la soldadura y el corte de distintos materiales.

Además, puesto que un rayo láser es muy fino y prácticamente no sufre divergencias, se puede usar para medir largas distancias con gran precisión. La técnica (semejante a la del radar) consiste en captar el rayo reflejado por el objeto distante y medir el tiempo transcurrido desde el envío de la señal hasta la recepción de su reflejo. Conociendo la velocidad de la luz, resulta fácil calcular la distancia. En los años setenta, este método se empleó para determinar con precisión la distancia de la Luna, utilizando los reflectores que habían instalado allí los astronautas norteamericanos.

Pero eso no es todo, también se han empleado láseres hasta para temas relacionados con el espionaje. En 1968 se descubrió que un láser puede detectar perfectamente desde el exterior las vibraciones del cristal de las ventanas producidas por las conversaciones en el interior de una casa. Vemos cómo el láser, que en un principio era como “un invento en busca de un empleo”, tiene en la actualidad un sinfín de variadas aplicaciones.

 

* José Vicente García Ramos es Vocal del Comité de Ética del CSIC y autor del libro Las moléculas: cuando la luz te ayuda a vibrar (Editorial CSIC-Los Libros de la Catarata). Hasta su jubilación en 2016 fue investigador en el Instituto de Estructura de la Materia del CSIC.

Ventanas inteligentes contra el calor

Por Mario Hoyos y Marta Marcos*

Estamos inmersos en una sofocante ola de calor que nos tiene encerrados en el interior de nuestras casas o pegados en la oficina al aparato de aire acondicionado, lo que ha provocado una punta de demanda eléctrica en España que ya ha superado el máximo registrado en los últimos cuatro años. Con estas condiciones climatológicas, conseguir un nivel de confort en los edificios suele estar ligado fundamentalmente a los sistemas convencionales de climatización. Apenas se presta importancia a la influencia del aspecto arquitectónico. La ‘arquitectura bioclimática’, basada en el modo tradicional de diseñar y construir edificios y viviendas, utiliza los recursos naturales disponibles para disminuir el impacto ambiental y el consumo de energía a la hora de crear hogares cálidos en invierno y frescos en verano. La planificación y construcción de un edificio de estas características pueden resultar más costosas que el de una vivienda convencional, pero el ahorro de energía del hogar durante los siguientes 40 o 50 años compensará con creces la inversión inicial.

Funcionamiento ventana inteligente.

Funcionamiento de una ventana inteligente.

Las ventanas son uno de los elementos que mayor impacto tienen en el consumo de energía: posibilitar la máxima iluminación con luz solar y garantizar la visibilidad del exterior se contraponen con el aislamiento térmico, ya que en verano permiten la entrada de un exceso de radiaciones y en invierno son un punto de fuga de calor. Una vivienda bien aislada puede reducir hasta casi la mitad el consumo de energía en su calefacción y refrigeración que una que no lo está.

En los últimos años se han realizado numerosos avances en un nuevo concepto de ventanas dinámicas que pueden modular su color y transparencia y, por tanto, controlar la temperatura y la luz que pasan a través de ellas. Este tipo de ventanas se conocen como ‘ventanas o vidrios inteligentes’. Se encuentran en el mercado desde hace varios años y, aunque su comercialización está siendo lenta, las expectativas de crecimiento son elevadas.

Estudios realizados sobre una ventana inteligente en un clima templado confirman una reducción de entre el 39 y el 40% del consumo eléctrico. Pero estos datos hay que tomarlos con precaución, ya que pueden variar mucho en función de la climatología, la orientación de la fachada en la que se coloca la ventana y las propiedades del edificio (tamaño, sistemas de climatización e iluminación). Por ejemplo, según un estudio en la ciudad de Quebec, las reducciones de consumo en las ventanas con orientación este oscilaron entre un 8 y un 52%, entre un 10 y un 53% en aquellas con orientación sur, y entre un 11 y un 51% en las orientadas al oeste.

Ventana inteligente del CSIC

Simulación de ventana inteligente desarrollada por investigadores del CSIC.

Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC podría contribuir a que las ventanas inteligentes lleguen finalmente a nuestras casas gracias a un nuevo sistema que abarata espectacularmente esta tecnología. El investigador del CSIC David Levy asegura que el precio podría descender desde los miles de euros por metro cuadrado que estas ventanas cuestan en la actualidad a unos cuantos céntimos. Esta tecnología consiste en un recubrimiento poroso que consume agua (de ahí que sea asequible), situado entre dos láminas de vidrio. Al ser expuesto al aire húmedo o seco cambia su transmisión óptica, lo que produce, como si se tratara de un interruptor, el paso del estado transparente a uno opaco.

Pero la ‘inteligencia’ de las ventanas podría ir más allá. Investigaciones recientes apuntan a que las ventanas de las casas y los coches podrían generar electricidad a partir del viento y de la lluvia. Se trataría de un sistema de dos capas, donde la primera, más superficial, tendría un revestimiento de un tipo de silicona -el polidimetilsiloxano– con una estructura en forma de pirámides de dimensiones nanoscópicas cargada negativamente. Las gotas de lluvia, cargadas positivamente al contacto con el aire, generarían una corriente eléctrica al caer sobre esta capa del cristal. La segunda capa, formada por nanogeneradores, tendría la función de recuperar la energía del viento. La combinación de estos dos procesos podría no sólo suministrar energía al cristal ‘electrocrómico’ para que se volviera opaco, sino también producir hasta 130 milivatios por metro cuadrado, lo que sería suficiente para alimentar un teléfono inteligente en el modo de espera o un marcapasos.

El potencial de las ventanas inteligentes es enorme. Si se van puliendo las limitaciones tecnológicas y se reducen los costes, serán sin duda un elemento clave en la edificación sostenible del futuro.

 

*Mario Hoyos es investigador Marie Sklodowska-Curie del grupo Hempol del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC y Marta Marcos es Responsable I+D en Intercomet S.L.

Superconductividad: física cuántica que puedes ver

María José CalderónPor María José Calderón*

Hace 104 años, el 8 de abril de 1911, en un laboratorio de Leiden (Holanda) se descubrió un fenómeno que aún no comprendemos completamente: la superconductividad. Unos años antes, Heike Kamerlingh Onnes había conseguido condensar el helio y de esta forma bajar la temperatura hasta -269ºC, muy cerca del cero absoluto (a -273ºC). Este logro, por el que Onnes recibiría el premio Nobel en 1913, permitió la realización de experimentos a temperaturas muy bajas que abrió nuevos horizontes en el estudio de las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales.

Onnes centró su atención en estudiar cómo conducían la electricidad los metales a temperaturas extremadamente bajas. Eligió el mercurio, que es sólido a esas temperaturas, y encontró un comportamiento completamente inesperado: a casi -269ºC, y de forma abrupta, los aparatos de medida no registraban ninguna resistencia al paso de la corriente.

Los metales normales siempre presentan resistencia debido a la interacción de los electrones entre ellos y con el movimiento de los átomos del sólido. Dicha resistencia produce una pérdida de la energía de los electrones en forma de calor. Este es el efecto Joule, que puede resultar muy útil para hacer un calefactor eléctrico o un secador, pero que también es el responsable de una significativa pérdida de energía eléctrica en su transporte desde los puntos de producción a los de consumo. Para contrarrestar la pérdida de energía tenemos que conectar los metales a pilas u otras fuentes de voltaje. Sin embargo, en un superconductor, una vez que se ha establecido el paso de corriente, esta persiste para siempre.

Otra propiedad de los superconductores, asociada de forma fundamental a la conducción sin resistencia, es que expulsan los campos magnéticos. Este es el efecto Meissner, descubierto en 1933. Una consecuencia espectacular de este efecto es que un superconductor levita sobre un imán (o viceversa).

Aunque parezca extraño, la superconductividad es mucho más común de lo que parece. ¡Los materiales superconductores se cuentan por cientos! Sin embargo, todos ellos son metales a temperatura ambiente y tenemos que enfriarlos mucho, a temperaturas muy por debajo de las que se registran en los lugares más fríos de la Tierra, para que sean superconductores. Afortunadamente, la temperatura crítica máxima por debajo de la cual los materiales superconducen está ahora muy por encima de los -269ºC del mercurio. Los materiales cupratos, descubiertos en 1986, superconducen por encima de la temperatura del nitrógeno líquido (-196ºC), por lo que es relativamente fácil enfriarlos.

Levitacion

Imán levitando sobre un superconductor enfriado con nitrógeno líquido durante una actividad de divulgación del CSIC.

Los superconductores ya se usan en múltiples aplicaciones y se prevé que jueguen un papel fundamental en las tecnologías del futuro en campos como la energía, el medio ambiente, el transporte, la nanotecnología y la salud. Precisamente en este ámbito, ya se utilizan potentes electroimanes fabricados con cables superconductores en equipos de resonancia magnética.

Las aplicaciones podrán ser aún más amplias cuanto más se conozca la naturaleza de estos materiales, cuyas claves se han ido desgranando poco a poco a lo largo de la historia. Por ejemplo, la primera explicación microscópica de la superconductividad data de 1957. Bardeen, Cooper y Schrieffer dieron con la clave para explicar por qué los electrones en los superconductores se comportaban de forma diferente y se les distinguió con el premio Nobel de Física de 1972 por ello. Esta es la llamada teoría BCS. En pocas palabras, los electrones se asocian formando los llamados pares de Cooper. Estos pares no son independientes unos de otros sino que todos saben lo que están haciendo los demás, como en una danza bien ensayada, y así pueden moverse sin encontrar ningún tipo de resistencia a su movimiento. Aunque contado así parezca trivial, fue necesario el desarrollo de la física cuántica para llegar a entender este comportamiento colectivo de los electrones.

Pero, ¿por qué se asocian los electrones para formar parejas? ¿No se supone que dos cargas eléctricas iguales se repelen? Así es, pero los electrones que conducen la electricidad están inmersos en un material por lo que están sometidos a otros tipos de interacciones. En los llamados superconductores convencionales, que se descubrieron en las primeras décadas del siglo XX, los iones vibran de tal forma que los electrones prefieren formar parejas (porque minimizan su energía). Hay otros muchos superconductores, los no convencionales, en los que los electrones también forman parejas, pero aún no sabemos qué les empuja a ello.

La última gran familia de superconductores, basados en hierro, se descubrió en 2008. Tras 104 años de investigación en este campo aún quedan incógnitas por resolver y mucha tecnología por desarrollar.

*María José Calderón investiga, junto con Belén Valenzuela y Leni Bascones, los nuevos superconductores de hierro en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC. Puedes saber más sobre superconductividad en su web de divulgación y seguir sus noticias a través de su twitter.

No más peleas por el aire acondicionado gracias a las termitas

Por Mario HoyosMario Hoyos*

¿Estas harto o harta de discutir con tus compañeros de oficina por la temperatura del aire acondicionado? No desesperes: la solución la tienen las termitas. En el centro comercial Easter de Harare, en Zimbabue, hay un edificio muy conocido en arquitectura: el Eastgate Centre. Abarca media manzana y combina un complejo de oficinas con un centro comercial. Al igual que los termiteros de la termita africana Macrotermes michaelseni (un característico túmulo en forma de chimenea que puede medir varios metros de diámetro y altura), el Eastgate está ventilado, refrigerado y calentado por medios totalmente naturales.

Eastgate Centre. Mandy Patter.

Eastgate Centre /Mandy Patter

Las termitas edifican sus nidos teniendo en cuenta los principios básicos de la termorregulación, ya que necesitan una temperatura constante para sobrevivir. Construyen sus ‘hogares’ orientados en el eje norte-sur. Su forma de chimenea disipa el aire caliente, menos pesado, renovando el aire más frío en la base, gracias a una corriente iniciada en la red de conductos subterráneos que, excavados por legiones de termitas, actúan como fuente de refrigeración.

El equipo de investigación del profesor Scott Turner, de la State University de Nueva York, escaneó los termiteros y creó modelos tridimensionales a partir del diseño de los nidos. Los investigadores concluyeron que el diseño podía aplicarse a escala humana e influir en los sistemas de refrigeración pasiva. En el Eastgate, el aire exterior entra a través de múltiples ventilaciones y la misma masa del edificio lo calienta o lo enfría en función de qué esté más caliente: el hormigón de la estructura o el aire. La altitud de Harare convierte su clima en templado y, pese a estar emplazada cerca de los trópicos, su temperatura exterior varía desde los 10 a los 40ºC.

Algunos termiteros pueden llegar a medir varios metros de altura y diámetro. Jeff Attaway.

Algunos termiteros alcanzan varios metros de altura / Jeff Attaway

La ventilación del Eastgate cuesta una décima parte que la de un edificio equipado con aire acondicionado estándar y consume un 35% menos de energía que seis edificios convencionales. Durante los primeros cinco años de su construcción, se ahorraron alrededor de 3,5 millones de dólares (más de 2,5 millones de euros) en gasto energético gracias a su diseño.

Otro ejemplo de ventilación pasiva lo podemos encontrar en el edificio Portcullis House de Londres, construido en 2001 frente al palacio de Westminster.

Portcullis House

El Portcullis House, frente al Palacio de Westmister, en Londres, alberga las oficinas de los parlamentarios /UK Parliament

En esta ocasión fueron algunos de los investigadores del proyecto TERMES, dirigido desde la Universidad de Harvard, los que estudiaron digitalmente los termiteros para conocer en detalle cómo los túneles y conductos de aire gestionan la ventilación de los gases y la humedad y mantienen la temperatura.

El proyecto TERMES podría proporcionar a la sociedad valiosos patrones para la construcción de edificios energéticamente sostenibles, dado que el consumo de energía de los edificios representa en la actualidad alrededor del 40% de la energía usada por la humanidad.

 

*Mario Hoyos es investigador Marie Curie del grupo Hempol del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC.