Para muchos, las imágenes del espacio exterior son maravillosamente pictóricas, vislumbres del pasado primordial hecho posible con la tecnología del futuro. En realidad, la necesidad de mitigar los riesgos de las misiones espaciales multimillonarias puede amortiguar la prisa por adoptar nuevas tecnologías. Pero las herramientas antiguas no siempre pueden ofrecer nuevos trucos, y los esfuerzos para desarrollar nuevos equipos y metodologías para lograr mediciones sin precedentes en territorio extraterrestre desconocido continúan atrayendo inversiones considerables. Los nanomateriales están muy por encima de su peso en términos de funcionalidad. Mundo de la física analiza si esto es suficiente para ganarse su lugar en el espacio.
Para la industria aeroespacial, cada kilo tiene que contar. Meyya Meyyappan, científico jefe de tecnología de exploración en el Centro de Investigación Ames, calculó el costo de cada kilogramo lanzado a la órbita cercana a la Tierra en cerca de USD $ 25,000. Apunte a un campo más lejano y esa cifra se multiplicará por 10. Las demandas de instrumentación que deben cumplirse dentro de estos requisitos son extremas, tanto para controlar y mantener la nave espacial como para monitorear la salud de los humanos que puedan estar en ella. junta. Más allá de la subsistencia básica de la nave y la tripulación, está la razón de ser de la misión: tomar medidas sin precedentes con una precisión y confiabilidad tales que los resultados se suman a la suma total del conocimiento humano de una manera que justifica el costo. de la misión en primer lugar. No es de extrañar entonces que las misiones espaciales continúen invirtiendo en nuevas tecnologías.
mirando al espacio
Un aspecto emocionante de la detección de fotones en misiones espaciales es la vista que brinda no solo del espacio distante sino también del pasado distante, ya que los fotones de los extremos más lejanos del Universo tardan mucho tiempo en llegar hasta nosotros. La captura de estos fotones requiere detectores para intensidades de fotones extremadamente bajas. Los nanocables superconductores han sido una opción popular para explorar aquí, ya que son muy sensibles a los fotones, que rompen los pares de Cooper. De esta manera, los nanocables superconductores pueden detectar intensidades tan bajas como fotones individuales. Aunque los dispositivos superconductores tienen requisitos de refrigeración estrictos, Robert Hadfield de la Universidad de Glasgow y sus colegas del Laboratorio STFC Rutherford Appleton del Reino Unido, Single Quantum BV de los Países Bajos y KTH Royal Institute of Technology de Suecia ya han miniaturizó una plataforma para detectores de fotones superconductores que operan a 4 K, y lo vio lanzado a bordo del cohete Ariane 5 en 2009 como parte de la misión Planck.
¿Pueden los nanomateriales enfrentarse a los extremos del espacio?
El problema con los detectores de fotones superconductores ha sido que la sensibilidad disminuye rápidamente a medida que disminuye la energía del fotón, lo que limita su rango dentro del espectro electromagnético. Para abordar esto, un equipo dirigido por Dirk Englund en el MIT desarrolló un dispositivo basado en grafeno contactado en ambos extremos por un material superconductor. El dispositivo, una forma de unión de Josephson, puede sostener una corriente superconductora a menos que los fotones incidentes calienten el grafeno y rompan los pares de Cooper. Es importante destacar que este dispositivo es más sensible a los fotones de baja frecuencia. “Primero, el grafeno puede absorber luz en casi cualquier longitud de onda en el espectro electromagnético. En segundo lugar, debido a que el grafeno es bidimensional, puede integrarse fácilmente en estructuras que pueden mejorar aún más su absorción de luz”, dijo Englund.. Esta vista de la radiación de baja energía proporciona observaciones de algunos de los objetos más débiles del universo.
Resulta que el grafeno también es útil a energías más altas. La radiación en el rango de 10 a 200 nm puede brindar información sobre las tormentas solares y la forma en que se expanden las nebulosas, pero la tecnología actual para detectar en este rango (cromatógrafos violetas y placas de microcanales) no solo es pesada y aumenta los costos de carga útil, sino que también consume mucha energía. . Los dispositivos fotovoltaicos que requieren energía cero son la alternativa ideal, y los informes de China de un dispositivo de heterounión basado en grafeno tipo p podría representar un gran avance para este tipo de detector. “El nuevo dispositivo de detección de luz VUV, al ser mucho más liviano que los detectores existentes, también podría ayudar a reducir los costos de lanzamiento de la nave espacial que lo transporta”, dijo Feng Huang, del Escuela de Materiales de la Universidad Sun Yat-Sen de Guangzhou.
Si bien se ha logrado un gran progreso en la sensibilidad de los detectores de radiación superconductora, según los investigadores de la Universidad de Jyväskylä, el próximo objetivo es aumentar la cantidad de píxeles del detector en dispositivos individuales, que hasta ahora se ha visto limitado por el calentamiento del dispositivo. Habiendo tropezado con el efecto termoeléctrico gigante, estos investigadores ahora lideran el consorcio SUPERTED para usar el fenómeno para resolver problemas de calor en la detección de radiación. “La idea es vieja, pero el problema ha sido encontrar un efecto termoeléctrico lo suficientemente fuerte”, dice el líder del consorcio Tero Heikkilä del departamento de física de la Universidad de Jyväskylä. “Lo encontramos en 2014 por accidente mientras estudiábamos las propiedades de las estructuras híbridas de superconductores e imanes. Nuestra predicción teórica se demostró experimentalmente en 2016”. El consorcio ha atraído el apoyo de la Comisión Europea que invierte 3 millones de euros de financiación desarrollar sensores ultrasensibles de radiación electromagnética basados en estructuras híbridas de superconductores e imanes.
Olfateando en el espacio
Sondear datos biológicos y químicos desde el espacio, así como monitorear a la tripulación, su comida y su entorno, requiere biosensores químicos y biosensores que sean idealmente pequeños, livianos, específicos, resistentes a diferentes entornos y energéticamente eficientes. Muchos sensores actuales consumen mucha energía y tienen altos requisitos ambientales, como temperaturas de funcionamiento de 200 °C, tomando como ejemplo los sensores de película delgada de óxido de estaño ampliamente utilizados. Como resultado, ha habido mucha investigación sobre la explotación de nanomateriales, con su alta relación área superficial/volumen y la sensibilidad de sus propiedades a los analitos químicos y biológicos.
El potencial de los nanotubos de carbono para aplicaciones de detección ha llamado la atención desde hace mucho tiempo. Los nanotubos de carbono han demostrado potencial para detectar una amplia gama de sustancias, incluida la glucosa, un indicador importante de la salud metabólica. Ya en 2013, AT Charlie Johnson y sus colegas pudieron demostrar sensibilidad a la glucosa en concentraciones tan bajas como 1 μM mediante la funcionalización de los nanotubos con ácido pireno borónico altamente cargado negativamente. “Estas bajas concentraciones se encuentran dentro del rango en el que se encuentra la glucosa en la saliva”, dijo Johnson.. Los CNT también pueden detectar gases nocivos en la atmósfera con dispositivos simples que distinguen entre monóxido de carbono y dióxido de carbono en función de la facilidad con la que las moléculas se adhieren a los nanotubos.
Aprovechando la amplia gama de analitos que pueden detectar los sensores CNT, Meyya Meyyappan y sus colegas han combinado 16 sensores CNT en un chip. “Además de los SWCNT purificados, las variaciones en el material del sensor pueden incluir dopaje, carga de metal, revestimiento o funcionalización de los nanotubos y el uso de nanocables o nanopartículas de óxido metálico para obtener una señal del analito de interés, ya que los SWCNT puros podrían no responder. a todo gas o vapor”, explican en un informe referente a la obra. Luego entrenan los dispositivos en el laboratorio para distinguir diferentes gases en función del efecto sobre la resistencia de cada sensor y, como resultado, el patrón de resistencia en el chip, produciendo así una "nariz electrónica".
Lanzamiento de nanotecnología
Las herramientas de caracterización clave que primero pusieron a la vista las nanoestructuras fueron el microscopio de túnel de barrido para muestras conductoras y el microscopio de fuerza atómica desarrollado poco después para obtener imágenes de muestras no conductoras. Treinta años después, estas herramientas siguen siendo herramientas de análisis cruciales. para la caracterización de nanoestructuras tanto dentro como fuera del planeta Tierra.
Cuando el orbitador Rosetta se lanzó en 2014, llevaba un sistema de análisis de polvo de microimágenes (MIDAS) con un microscopio de fuerza atómica. Mientras el orbitador seguía al cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, pudo recopilar datos sobre la estructura de las muestras de polvo del cometa con la ayuda de MIDAS. La comparación de la estructura con las predicciones de los modelos de acreción planetaria ha ayudado a obtener información sobre los escenarios probables de cómo se formó el sistema solar, proporcionando otro vistazo al pasado.
A pesar de los costos restrictivos de la carga útil, no solo los nanomateriales, sino también sus dispositivos de caracterización, ya han llegado a las misiones espaciales. Dado el ajuste de los requisitos de la misión espacial y lo que los nanomateriales tienen para ofrecer, parece razonable esperar que el papel de los nanomateriales en el equipamiento de las misiones espaciales literalmente se dispare.
