6. CIENCIA Y MEDICINA

A) CIENCIA

Física de altas energía

            La física de altas energías o física de partículas intenta descubrir y comprender la naturaleza de las partículas elementales. Las partículas elementales son los componentes básicos de toda la materia, como protones, electrones y neutrones.

            La información que nos proporciona la física de altas temperaturas es útil para comprender el modo en que la materia y la energía interactúan y se transforman, así como comprender el origen del universo.

            Los físicos emplean máquinas para estudiar estas partículas, que son confinadas y dirigidas por medio de imanes. La primera máquina que se empleó fue el acelerador de partículas.

            El acelerador de partículas es un dispositivo que sirve para acelerar partículas eléctricamente cargadas (electrones y protones) mediante campos magnéticos. La mayoría de estos aceleradores son de forma circular y tienen muchos anillos electromagnéticos. Las partículas son pulsadas de forma sincronizada, de manera que se aceleran alcanzando velocidades próximas a las de la luz. Así, se hacen colisionar partículas entre sí, apareciendo otras partículas y materiales. Los primeros aceleradores que se diseñaron para hacer colisionar partículas se denominaron colliders. Actualmente los físicos creen que toda la materia está compuesta de dos tipos de partículas elementales: quarks y leptones.

            Los electroimanes superconductores se utilizan en los grandes aceleradores debido a que proporcionan la mejor forma de obtener los potentes campos electromagnéticos necesarios. El Tevatrón (un gran acelerador estadounidense), es un anillo circular de 6,4 Km de longitud que contiene cerca de 1000 imanes superconductores independientes.

            Los hilos superconductores que forman los electroimanes están hechos de una aleación de niobio y titanio, y necesitan un sistema de refrigeración de helio-líquido. Los hilos están agrupados en cables de unos 6 mm. De grosor que forman anillos.

            Los aceleradores actuales han servido para darnos mucha información acerca de la física de las partículas elementales, pero la superconductividad permitirá la construcción de aceleradores mucho mayores y más potentes que el Tevatrón.

Mass Drivers

            Los mass drivers se emplean para acelerar objetos a grandes velocidades. Los objetos son lanzados a gran distancia. La carga se coloca en un contenedor magnético, como en un cubo. El contenedor es rápidamente acelerado sobre un raíl empleando bobinas electromagnéticas superconductoras. Una vez alcanza cierta aceleración, el contenedor se frena bruscamente, saliendo la carga despedida por la abertura hacia el destino elegido.

            Los mass drivers podrían ser utilizados como armas, para lanzar proyectiles a altas velocidades. Hasta podrían servir para lanzar cargas desde una base lunar a una estación espacial terrestre.

Fusión

            La fusión de produce cuando átomos ligeros se unen, o fusionan, para formar un átomo más pesado, liberándose energía en el proceso. Estas reacciones también se llaman termonucleares, ya que se producen a unas temperaturas próximas a los 100.000.000 ºC.

            La energía que se desprende en el proceso de fusión de puede calcular estudiando los productos obtenidos en la reacción (átomos pesados), que tienen una masa inferior a la suma de las masas de los átomos ligeros originales. La masa perdida se transforma en energía. Estas reacciones sólo pueden tener lugar en un plasma, que es un gas formado por electrones y núcleos libres. Los núcleos se repelen normalmente entre sí (pues tienen la misma carga), pero si se calienta el plasma a unos 100.000.000 ºC, los núcleos tienen suficiente energía como para romper las barreras eléctricas y fusionarse.

            Para los experimentos por fusión, se suelen emplear dos isótopos (átomos de un elemento particular que tienen distinta masa) de hidrógeno. Uno de los isótopos es el tritio y el otro el deuterio.

            Todavía no se ha logrado una reacción de fusión para producir energía útil. Recordemos que la bomba de hidrógeno produce una reacción de fusión incontrolada.

            La dificultad de contener y controlar una reacción de fusión se encuentra en que el plasma caliente tiende a expandirse. El plasma debe permanecer comprimido pero el calor que desprende es tal que puede fundir casi todos los materiales conocidos. Por ello, las paredes que contienen el plasma deben refrigerarse. Para mayor seguridad, el plasma se confina dentro de las paredes mediante una botella magnética. El campo magnético se configura de modo que empuja al plasma hacia el centro, creando así un recipiente de contención.

            Existen dos tipos de confinamiento magnético: el de espejo y el de toroidal. Las máquinas de espejo presentan pérdidas, incluso en los mejores diseños. Casi todos los sistemas toroidales, más versátiles que los de espejo, son tokomaks. Tokomak significa en ruso “corriente fuerte”.

            La Unión Soviética fue el primer país en poner en funcionamiento una máquina de fusión con bobinas electromagnéticas superconductoras. Esta máquina, llamada T7, tiene 48 bobinas superconductoras hechas con una aleación de niobio-titanio.

Aisladores magnéticos

            Los aisladores magnéticos se utilizan para aislar un mineral u otra sustancia determinada basándose en su densidad y propiedades magnéticas.

            Los materiales a aislar se mezclan con un fluido magnético. La mezcla se vierte en un dispositivo tubular rotatorio, rodeado por una bobina superconductora que genera un potente campo magnético. Este campo empuja hacia el exterior del fluido, causando que las partículas más densas se muevan hacia el tubo, mientras las de menor densidad se mantienen en el centro. En el fondo del tubo hay una membrana que dirige las partículas del borde hacia el interior de un recipiente. Las partículas que hay en el centro del tubo se dirigen hacia otro recipiente.

            El proceso puede repetirse reciclando bien las partículas más densas o bien las más ligeras. También se pueden aislar partículas magnéticas. En este caso, no es necesario hacer girar el tubo, y las partículas más fuertemente imantadas se desplazan hacia el borde.

SQUIDs

            SQUID es el acrónimo de Superconducting Quantum Interference Device (dispositivo superconductor de interferencia cuántica). Un SQUID consta de dos uniones Josephson acopladas formando un anillo. Como se recordará, una unión Josephson consiste en una delgada línea aislante entre dos superconductores. Los electrones atraviesan la lámina debido al efecto túnel.

            Si se sitúa un SQUID en un campo magnético, el voltaje que genera la corriente que fluye a través de él cambia según la intensidad del campo. El SQUID es el dispositivo más sensible que se conoces para medir campos magnéticos. También es llamado magnetómetro.

            Con un SQUID se pueden medir las propiedades de las ondas electromagnéticas reflejadas al incidir en la superficie de la Tierra. Las características de las ondas reflejadas dependen de las propiedades que se encuentran bajo la superficie. Las medidas aportadas por los SQUIDs pueden dar información sobre materiales que se encuentran a una profundidad como la del petróleo. La señal reflejada es muy débil, por lo que se necesita un SQUID para detectarla.

            Los SQUIDs se emplean para registrar las señales electromagnéticas generadas por el cerebro (magnetoencefalogramas) o registrar los campos magnéticos generados por las corrientes eléctricas del corazón (magnetocardiogramas).

B) MEDICINA

MRI

            MRI son las siglas de Magnetic Resonance Imaging, u obtención de imágenes por resonancia magnética. MRI es un método no invasivo que permite observar el interior del cuerpo humano.

            Las imágenes por MRI son similares en muchos aspectos a las obtenidas por CAT. CAT (Tomografía Axial Computerizada) consiste en un sistema en el que se recogen datos por rayos X desde muchos ángulos distintos, que se reconstruyen para dar imágenes de alguna parte del cuerpo. Sin embargo, el CAT no es sensible a los tejidos blandos y expone al paciente a radiación. El MRI es sensible a estos tejidos y no expone al paciente a radiaciones.

            El sistema MRI funciona aplicando al cuerpo humano un campo magnético intenso generado por una bobina electromagnética superconductora. Cuando el cuerpo humano se expone a este campo magnético, las moléculas del agua y los tejidos se orientan siguiendo la dirección del campo. Luego se aplica un pulso de radioondas con la frecuencia de resonancia apropiada, haciendo que los átomos pasen a estados excitados. Cuando el pulso decae, los átomos vuelven a su estado anterior, liberándose energía. Esta energía es detectada y empleada para generar una imagen.

            Algunos científicos utilizan este sistema para hacer medidas del flujo sanguíneo en la red de arterias y venas del cuello y la cabeza.

            Esta técnica MRI se llama angiografía de proyección. Cuanto más rápido es el flujo de sangre a través de un vaso capilar, más brillante aparece éste en la pantalla del MRI.

            Si un vaso sanguíneo no aparece tan brillante como debería, es flujo de sangre es anormalmente lento. Esto podría indicar que algo obstruye el paso de la sangre, como en un arterioesclerosis. Este sistema puede salvar muchas vidas y tiene la ventaja de que puede ser observado desde todos los ángulos posibles, sin mover siquiera al paciente.

            También existe un método para detectar las anomalías del sistema circulatorio, una técnica de rayos X denominada angiografía de sustracción. Una sustancia que absorbe rayos X es inyectada en la corriente sanguínea del paciente, de forma que la radiación X hace brillar los vasos sanguíneos y los puntos con falta de flujo. Este método produce algunas molestias. Con la técnica MRI solo se debe colocar dentro de un imán superconductor hueco.

            Otro sistema MRI, denominado espectroscopia por resonancia magnética de resolución profunda, permitió realizar el primer análisis químico de un corazón humano in vivo por técnicas no invasivas.

            Esta técnica podría convertirse en un herramienta de diagnóstico para evaluar enfermedades cardíacas.

            Mediante este método, las señales de resonancia procedentes del corazón son aisladas del tejido que le rodea mediante una antena colocada directamente sobre el corazón. Los datos recibidos son procesados para obtener un espectro que muestra las cantidades relativas de los  distintos compuestos químicos que se encuentran en el órgano.Esta técnica se puede aplicar también por ejemplo en plantas, para observar su crecimiento.