Crean método para entender la evolución molecular del universo: UNAM

 
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29 de octubre de 2015

Al nacer el Universo, era hidrógeno y helio. ¿Cómo pasamos de uno sin metales a otro con todos los elementos de la tabla periódica? ¿Cómo de una estrella con sólo los elementos referidos surgió una Tierra con oxígeno y agua?Para develar esa incógnita, Ary Rodríguez, del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN) de la UNAM, en su estudio La evolución de las moléculas en el Universo, desarrolla un método numérico para resolver la variación molecular en atmósferas planetarias y “explicarla en el medio interestelar o más allá”.

En este proyecto PAPIIT, el académico trabaja con Rafael Navarro, también de esa entidad. Uno se aboca a la parte teórica (de números y computacional), el otro a la fase experimental en el Laboratorio de Plasmas y Sistemas Planetarios del ICN.

El investigador y algunos miembros del instituto —Alejandro Raga, Antonio Castellanos y Pedro Rivera— han creado un método numérico que resuelve al mismo tiempo la cinética de reacciones químicas (ciencia sobre la velocidad con que éstas suceden) en códigos y la hidrodinámica de fluidos o gases.

“Juntarlas es difícil porque están en diferentes velocidades o tiempos”, apuntó.

Las reacciones suelen ser rápidas; de hecho, la transformación de nitrógeno molecular en nitrógeno atómico es de fracciones de segundos. En cambio, la dinámica de gases (modelarlos en un cuarto generado por un ventilador, por ejemplo) sucede de forma más lenta.

Uno de los objetivos es que el método numérico desglose cómo y por qué suceden éstas en un medio de movimiento más pausado. Juntar los aspectos referidos permitirá determinar “cómo evolucionaron las especies químicas en nuestro Universo”.

Antes del cómputo moderno esta cinética se estudiaba en laboratorio (en un matraz pongo una sustancia y veo cuánto tarda en formar tal cosa). Por otro lado, el modelado era poco eficiente: los sistemas de las reacciones son tan complejos que los recursos informáticos de antaño no eran los óptimos para este tipo de problemas.

“Ni siquiera es factible hacerlo manualmente, con lápiz y papel, pues debes resolver sistemas de decenas, centenas o miles de ecuaciones”.

Hoy, la cinética de reacciones aplicada a hidrodinámica ha ganado importancia mundial porque el cómputo pesado mejoró la velocidad y capacidad de procesamiento. El grupo de Rodríguez no es único, pero hay pocos en el orbe que trabajan en esta vertiente científica.

Otra fase del proyecto es probar el método numérico hasta lograr su convergencia con lo observado en el laboratorio. Con ese fin se inyectarán las condiciones de una atmósfera y se introducirá una perturbación: un relámpago, por ejemplo, para ver a qué velocidad evolucionan las especies químicas.

“Después se comprobará si nuestras propuestas son adecuadas o si requieren modificaciones”.

A nivel experimental, ciertas reacciones “deben sucederse porque desde hace tiempo están bien analizadas”. Se espera que ocurran al aplicar un láser (suficiente energía como la de un relámpago) en el centro de un matraz o región con características únicas.

Aunque hay mucho control, nunca se sabe cuánta energía de dicha luz amplificada obtuvo el gas ni cuánto se dispersó como fotones. En la fase numérica, además de determinar cuánto se utilizó y cuánto se perdió; es preciso considerar la presión atmosférica, la temperatura, la densidad, el movimiento del gas y otros parámetros.

Pruebas preliminares indican que el planteamiento de Rodríguez funciona. “Se observa el mismo comportamiento que en el laboratorio, pero aún hay dudas sobre algunos parámetros iniciales: no nos queda claro cómo modelarlos para subir la precisión”.

El siguiente paso es hacer algunos ajustes en el desarrollo del método, se reconsiderarán ciertos sistemas de ecuaciones con más rigor matemático para abordar mejor el problema y reproducirlo.

De lograr la convergencia, se obtendrá un código numérico para resolver cualquier problema de cinética, no sólo de moléculas, sino de átomos e iones.

Entonces propondrá cómo era antes y cómo se llegó a lo que hoy es una atmósfera planetaria y a la formación de las moléculas en otros cuerpos estelares (en la Tierra primigenia, por ejemplo) o en satélites de nuestro Sistema Solar, como Titán o la Luna.

Actualmente, Rodríguez enseña con éxito su método en prácticas a alumnos de la Facultad de Ciencias de la UNAM, el cual permite resolver al mismo tiempo la cinética de reacciones y la dinámica del gas (en simulaciones se observa cómo se junta este último y se forman las especies químicas), y que además podría tener otras aplicaciones.

Serviría para determinar la viabilidad de aprovechar el hidrógeno de la Luna para generar agua y combustible para misiones espaciales o habitar el satélite de la Tierra.

La idea no es nueva, en los años 80 y 90 la NASA realizó estudios experimentales de cómo el viento solar que interactúa con el polvo lunar puede producir dihidrógeno “que podría ocuparse para producción hídrica y de comburente para diversas misiones”.

Este también es un proyecto en la mira del grupo de Navarro, Raga y Rodríguez. La idea sería contar con un poco de simulante lunar para analizarlo en laboratorio. Con nuestro programa numérico emularemos un viento solar que impacta con una pared de polvo lunar, para saber cuánto hidrógeno se forma. El objetivo es tener un estimado de si se obtendría suficiente para “no ir a ciegas a explotar algo y ver que no se produce suficiente combustible en este proceso”.

Pero para esto lo primero es obtener financiamiento por parte de la agencia espacial mexicana y comenzar los estudios.

Finalmente, dijo que contar con un código de cinética de reacciones químicas también podría tener un impacto comercial porque este tipo de programas se aplican, por ejemplo, en meteorología y en ciencias de la Tierra para estudiar nuestra atmósfera, el movimiento de las capas o la evolución del ozono.

El desarrollo de métodos numéricos propicia el tecnológico, como pasó con el dispositivo de carga acoplada (CCD, por sus siglas en inglés), herramienta que permite a las cámaras digitales tomar fotos y grabarlas en una memoria, creada a partir de una vía para vaciar información de una matriz en un dispositivo de memoria de manera rápida y eficiente.

A nivel científico, planteó, podría revelar en qué ambiente y cómo se formaron las primeras moléculas, cómo se mezclaron los átomos para formar las moléculas y cómo éstas se hicieron tan complejas como las del humano.

Rodríguez busca explicar cómo llegamos hasta acá a partir del hidrógeno y el helio. El astrofísico teórico subrayó que piensa dedicar toda su vida al estudio de la evolución molecular del Universo.

UNAM-DGCS-620-2015

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