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Fibra óptica: cómo tus ‘mails’ pueden viajar a 200.000 km/s

Por Mar Gulis (CSIC)*

Cable de fibra óptica iluminado con un puntero láser / Hustvedt

Sabemos que la velocidad de la luz alcanza los 300.000 kilómetros por segundo en el vacío. Ese es el límite máximo que determinan las leyes físicas. Nada en el universo puede viajar más rápido. Por eso, el reto de las tecnologías de telecomunicaciones es alcanzar ese límite: lograr que la información, los millones de datos que intercambiamos cada día en mails, llamadas, compras on line y transacciones de todo tipo, ‘viajen’ a la velocidad de la luz.

De momento, la fibra óptica es la tecnología que más se ha acercado. A partir de la herencia del telégrafo y el teléfono, “los cables de fibra óptica han reemplazado a los hilos de cobre porque pueden transportar una mayor cantidad de datos y más deprisa que su contraparte electrónica”, explica el libro Descubriendo la luz. Experimentos divertidos de óptica (CSIC-Los libros de la Catarata). Aun así, las fibras ópticas tienen limitaciones. No pueden reproducir el vacío del espacio, donde, al no existir atmósfera, la luz se mueve sin resistencia, de ahí que a través de la fibra los datos viajen a ‘tan solo’ 200.000 kilómetros por segundo (la cifra es aproximada).

En las comunicaciones ópticas se envía información codificada en un haz de luz por un hilo de vidrio o de plástico muy procesado. “Este sistema fue originalmente desarrollado para los endoscopios en la década de los 50, con el objetivo de ayudar a los médicos a ver el interior del cuerpo humano sin necesidad de abrirlo. En 1960, los ingenieros encontraron una forma de utilizar esta misma tecnología para transmitir llamadas telefónicas a la velocidad de la luz”, continúa el libro.

Sin embargo, las leyes físicas que explican el funcionamiento de esta tecnología se descubrieron tiempo atrás. Ya en el siglo XIX, el físico irlandés John Tyndall demostró a la Royal Society en Londres que la luz podía viajar a través de un chorro de agua. En óptica, este fenómeno se conoce como reflexión interna, y se produce cuando un rayo de luz atraviesa un medio con un índice de refracción menor que el índice de refracción en el que este se encuentra. Así, el haz luminoso se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios, reflejándose completamente. La reflexión interna total solo se produce en rayos que están viajando de un medio de alto índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción. Precisamente este principio explica la conducción de la luz a través de la fibra sin que haya fugas.

La reflexión total puede realizarse mediante el experimento de Tyndall. En la imagen, un puntero láser (a la dcha.) atraviesa el plástico del recipiente y el agua que hay en su interior, para ‘salir’ por el agujero realizado previamente en el recipiente. Al atravesar los dos medios, la luz queda confinada dentro del chorro viajando con su misma curvatura / Juan Aballe / CSIC-IOSA

Una fibra óptica está formada por un núcleo, que es por donde viajan las señales luminosas, y una cubierta o revestimiento transparente. Intuitivamente, cualquiera pensaría que la luz que transita por este tipo de hilos transparentes se saldría por los bordes. Sin embargo, los fotones (partículas elementales en que se puede dividir un rayo de luz) viajan por el núcleo de la fibra óptica rebotando contras sus paredes constantemente, como una pelota entre las paredes de vidrio de una pista de squash. De este modo el haz de luz  queda confinado y se propaga sin que se produzcan pérdidas de información. Esto es posible porque el material interno tiene un índice de refracción más grande que el material que lo rodea.

Ocurre algo parecido con el agua: si un haz de luz incide en un chorro de agua bajo un cierto ángulo, la luz quedará confinada dentro del chorro, viajando con su misma curvatura, tal y como demostró Tyndall en su experimento. La superficie agua-aire actuaría como un espejo en el que la luz se refleja y, por tanto, sigue la trayectoria del líquido. En una fibra óptica la luz viaja de forma similar: va rebotando por sus paredes internas, pero manteniendo la dirección del cable, sin detenerse y pudiendo recorrer miles de kilómetros en segundos.

 

*Este post se basa en varios fragmentos del libro Descubriendo la luz. Experimentos divertidos de óptica (CSIC-Los libros de la catarata), coordinado por María Viñas Peña.

11 de febrero: un día para rescatar a nuestras inventoras del olvido

Por Eulalia Pérez Sedeño (CSIC) *

El próximo domingo 11 de febrero de 2018 se celebra el Día Internacional de la Mujer y la Niña en la Ciencia con el objetivo de romper las barreras de género en el ámbito científico. Una de esas barreras es la poca visibilidad de las científicas y la existencia de estereotipos que hacen que las niñas se interesen menos que los niños por algunas disciplinas como la física y las ingenierías, y que producen sesgos involuntarios en la evaluación de los méritos de las investigadoras.

Entre las muchas mujeres invisibilizadas en la historia de la ciencia y la tecnología, también se encuentran las inventoras y, entre ellas, cómo no, las inventoras españolas.

Ángela Ruiz Robles, con su enciclopedia mecánica.

En una ocasión dijo Voltaire que había conocido muchas mujeres ‘científicas’ muy inteligentes, pero ninguna inventora. Parecía así negarles capacidad inventiva, algo que se ha perpetuado en la falsa creencia de la incapacidad de las mujeres para la ingeniería. Los hechos históricos nos demuestran lo erróneo de esa idea: Josephine Cochran (lavavajillas), Mary Anderson (limpiaparabrisas), Rachel Fuller Brown y Elizabeth Lee Hazen (el antibiótico nistatina), Gertrude Ellion (los fármacos Inmuran y Zovirax, entre otros), Hedy Lamarr (cifrado de comunicaciones y más) o Stephanie Kwolek (fibra Kevlar) son algunos ejemplos significativos.

También aquí hemos tenido y tenemos inventoras desde hace mucho tiempo. La primera mujer en registrar un invento fue Fermina Orduña, quien en 1865 patentó un carro especial para vender en la calle leche de burra, vaca o cabra. Pero quiero traer aquí el caso de dos inventos que, al igual que sus inventoras, siguieron suertes muy distintas: la fregona y el libro mecánico.

Se suele señalar a Manuel Jalón, en 1964, como el inventor español de la fregona (había habido una patente semejante en EEUU en 1901). Pero Julia Montoussé Frages (de origen francés, aunque avilesina de adopción) y su hija Julia (Julita) Rodríguez-Montussé obtuvieron, en 1953, una patente muchos años antes que el mecánico de aviones. La patente de modelo de utilidad nº 34.262 se denominaba “dispositivo acoplable a toda clase de recipientes tal como baldes, cubos, calderos y similares, para facilitar el fregado, lavado y secado de pisos, suelos, pasillos, zócalos y locales en general”. ¡Un nombre mucho más difícil de recordar que el sencillo ‘fregona’! Desde luego, si examinamos los planos que figuran en la solicitud, no cabe duda de que se trata de una auténtica fregona.

Poco se sabe de estas mujeres, más allá de su parentesco y de la fecha de sus muertes: la madre en 1971 y la hija en 2005; o que eran de familia acomodada y sin estudios superiores, lo que muestra que la creatividad, inventiva y preocupación por situaciones humanas (el hecho de que las mujeres tuvieran que fregar los suelos de rodillas, día tras día) puede ser un buen acicate para encontrar soluciones.

La otra mujer que quiero sacar a la luz es Ángela Ruiz Robles (1895-1975), una leonesa de familia acomodada, con estudios superiores de magisterio, de gran capacidad innovadora y creativa, y siempre preocupada por mejorar la educación de sus compatriotas. Autora prolífica (dieciséis libros de texto), sus inventos fueron muchos y variados, pero quizás el más interesante fuera el del libro mecánico.

Extracto de la patente presentada por Julia Montoussé Frages y Julia Rodríguez-Montoussé.

En 1949 registró la patente nº 190.968, titulada “Procedimiento mecánico, eléctrico y a presión de aire para lectura de libros”. Las lecciones de cada asignatura estaban separadas en diversas hojas. Cuando se apretaban unos pulsadores, subían mecánicamente o por aire comprimido y el o la alumna podía ver la lección. Además, se podía aumentar el tamaño e incluso iluminar.

Posteriormente, Ángela Ruiz Robles perfeccionó el libro mecánico creando la Enciclopedia Mecánica, un dispositivo para mejorar las enciclopedias que usaban los escolares. La patentó en 1962 (nº 276.346), pero aunque se construyó un prototipo en bronce, madera y zinc, nunca llegó a comercializarse. En 1970 recibió una oferta de EEUU para explotarla en ese país, pero ella quería que los beneficios fueran especialmente para los españoles. Aunque hubo alguna empresa española que se interesó por la comercialización, la cantidad de dinero que tenía que aportar la inventora lo hizo inviable. No obstante, Ángela fue muy reconocida en su época y recibió un montón de distinciones y premios en diversos certámenes de inventores y exposiciones nacionales e internacionales.

Son dos casos muy distintos los de estas mujeres. Las primeras, Julia Montoussé y Julia Rodríguez-Montussé, han quedado ocultas como muchas otras mujeres en la historia, siendo reemplazadas, como tantas veces, por un varón. La última fue reconocida en su época, pero sus logros también han quedado oscurecidos, aunque ahora se la reconoce, al menos en nuestro país, como la precursora del libro electrónico. Así, una de las salas de trabajo del Museo Nacional de Ciencia y Tecnología lleva su nombre.

 

* Eulalia Pérez Sedeño es investigadora del CSIC en el Instituto de Filosofía y co-autora del libro Las ‘mentiras’ científicas sobre las mujeres (Catarata).

¿Quieres construir un microscopio casero o crear un holograma?

Por Mar Gulis (CSIC)

Construir un microscopio casero con materiales más o menos habituales en nuestros hogares no sólo es posible sino que es fácil. Tan sólo necesitamos un poco de agua, una jeringa grande (sin aguja), cinta adhesiva, algún soporte, un puntero láser, una pinza de tender la ropa y una pared sobre la que proyectar. Hay que montar esos elementos de tal modo que la luz del puntero láser incida sobre una muestra suspendida en una gota de agua, como en el ejemplo que vemos en el dibujo.

microscopioLa muestra que queramos observar dependerá de nuestra imaginación. Puede ser nuestra saliva, el agua de una maceta o el bebedero de una mascota. La luz del puntero atravesará la gota y se reflejará en la pared, donde podremos ver el contenido de la muestra a gran tamaño, como si lo observáramos a través de un microscopio. En la imagen se podrá apreciar el movimiento de los microorganismos e incluso diferenciar algunas partes de las células.

El microscopio casero es una de las diez propuestas que se pueden realizar en casa o en el aula con las nuevas fichas de experimentos sobre la luz que ha elaborado el CSIC –con apoyo de la FECYT– en el marco del Año Internacional de la Luz, celebrado durante 2015. Estas fichas son un nuevo recurso educativo, especialmente dirigido a niños y niñas de Primaria y Secundaria, que se pone a disposición de profesores, estudiantes y familias y que complementa la exposición itinerante Un universo de Luz y sus unidades didácticas.

FichaOtro de los experimentos propone ‘crear un holograma’ con una pirámide de plástico transparente y un dispositivo móvil (teléfono o tableta), en el que reproduciremos un ‘vídeo holográfico’. Este tipo de audiovisuales están compuestos por una imagen repetida cuatro veces que genera una ilusión óptica. Lo que sucede es lo siguiente: las cuatro imágenes del vídeo proyectadas por nuestro dispositivo móvil se reflejan en los cuatro lados de la pirámide transparente que hemos construido. Como resultado vemos una imagen tridimensional en movimiento dentro de nuestra pirámide. Sin embargo, aunque lo parezca, esta imagen no es propiamente un holograma, ya que los hologramas se generan con la luz de un láser.

Con los experimentos de la luz también se puede aprender a crear un arcoíris y construir un caleidoscopio o un espectroscopio utilizando cajas de cereales, tubos de cartón y DVD viejos. ¡Descárgate las fichas de experimentos aquí!

Este edificio se come la contaminación

Por Mar Gulis

Aunque lo parezca, no es ciencia ficción. Entre el sinfín de aplicaciones de la nanotecnología, esta es una más: la construcción de edificios capaces de absorber los gases nocivos del aire. La iglesia del Jubileo en Roma es un buen ejemplo.

Igleisa

Fachada de la iglesia del Jubileo de Roma, obra del arquitecto Richard Meier

Inaugurada en 2003, el artífice de esta obra fue el arquitecto norteamericano Richard Meier, que resultó ganador de un concurso después de competir con colegas de la talla de Fran Gehry, Peter Eisenmman o Tadao Ando. En un simple vistazo, lo que llama la atención de este edificio son sus líneas simples, su armonía y el dominio absoluto del color blanco. La elección de este tono no fue casual. Además de ser el favorito de Meier, el blanco simboliza la pureza, por lo que pareció el más idóneo para caracterizar una iglesia con la que además se pretendía revitalizar el barrio romano de Tor Tre Teste. Pero se planteaba un problema: ¿cómo evitar que la blancura inicial se echase a perder con el paso del tiempo? Esto, en un enclave como Roma, una ciudad con elevados índices de contaminación, era una cuestión de primer orden.

La solución vino de la mano de TX Millenium, un cemento que, al contener dióxido de titanio, garantiza la blancura del material a pesar de la polución y las inclemencias meteorológicas.

¿Cómo se consigue esto? Los avances en la nanotecnología obran el ‘milagro’. La superficie de este tipo de edificios ‘verdes’ se recubre con un material -en este caso el cemento TX Millenium- que es un fotocatalizador, es decir, descompone los óxidos nitrosos de la atmósfera. En la iglesia de Meier son las nanopartículas de dióxido de titanio las que atrapan la suciedad y luego la descomponen en contacto con la luz solar. De este modo el edificio se convierte en una especie de gran ambientador, tal y como explica el experto en nanomateriales Pedro Serena.

El problema es que, al tratarse de una tecnología en pleno desarrollo, conlleva unos elevados costes de fabricación. Son precisamente los catalizadores incrustados en formato de nanopartículas lo que encarece estos cementos. Aún hace falta producirlos en masa, pero la idea, según señala el investigador, es que toda una ciudad pudiese ser un gran sistema descontaminante.

La nanotecnología es una ciencia relativamente nueva que, al trabajar en una escala sumamente pequeña (un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro) permite la manipulación de los materiales a nivel molecular. Propiedades como la masa, la fuerza, la conductividad o la elasticidad pueden ser alteradas para crear materiales totalmente diferentes. Y no es un milagro, es ciencia.

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre nanomateriales, consulta el libro de Pedro Serena Nanotecnología (CSIC-Catarata).