Novedades en la Física Medioambiental 2015 (II/II)

(Este artículo es continuación de Novedades en la Física Medioambiental 2015 (I/II). Te recomiendo que lo leas primero.)

Seguimos echando un vistazo a diversas maneras de combatir la degradación del medio ambiente mediante aplicaciones de la física.

Ahora se trata de mejorar la conversión de la luz solar en electricidad. Howard Branz se centra en la división espectral, que posiblemente sea el siguiente gran paso para utilizar la energía solar. Existe un grupo en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) que utiliza espejos especiales para dividir la luz blanca en sus longitudes de onda constituyentes, que posteriormente hacen confluir en aparatos fotovoltaicos optimizados para rangos específicos de longitudes de onda. Esta técnica podría aumentar la eficiencia de una célula solar de aproximadamente un 5% a un 50%.

División de la luz en el espectro visible. [Foto de Fir0002 (talk) 
(Uploads) (Fir0002 (talk) (Uploads)) [GFDL, CC-BY-SA-3.0, 
GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons]

Otros equipos de investigación están tratando de llevar la idea más allá. Por ejemplo, después de que la luz visible del sol se absorba, la radiación infrarroja que queda se dirige a un captador térmico. En un futuro, podríamos necesitar estos adelantos tecnológicos para los edificios, la energía solar o la limpieza en seco, por ejemplo.

Existen otros científicos para los que generar electricidad sin producir dióxido de carbono no es suficiente. Preocupado por la cantidad en aumento de gases de invernadero en la atmósfera, Klaus Lackner está desarrollando nuevos materiales de membrana para eliminar dióxido de carbono del aire. Está trabajando en un aparato que, teóricamente, puede absorber dióxido de carbono mil veces más rápido que un árbol.

El año pasado Lackner fundó el Centro de Emisiones Negativas de Carbono en la Universidad Estatal de Arizona, donde él y su equipo han estado trabajando en la creación de diferentes prototipos para eliminar dióxido de carbono de forma eficiente y económica.

Su equipo ha estado experimentando con diferentes diseños de aparatos y resinas de intercambio aniónico que se enlazan con el dióxido de carbono. Las resinas se usan actualmente en la purificación del agua, pero son ideales para la captura de CO₂ porque el dióxido de carbono se puede extraer en agua ordinaria para su almacenamiento y la resina se puede reutilizar.

El prototipo que ha estado desarrollando usa una estructura de entramado semejante a la tela metálica hexagonal, para maximizar la superficie. Espera tener pronto un prototipo funcional en el techo de su edificio. Este tipo de aparato tiene varias ventajas: es totalmente pasivo, está formado por unidades más pequeñas que se pueden producir en masa y el material básico es muy, muy barato.

Sin embargo, el reto de limpiar la atmósfera del exceso de carbono es tremendo. Lackner estima que se necesitarían cien millones de sus aparatos tamaño contenedor para contrarrestar completamente la cantidad de dióxido de carbono que se ha ido acumulando durante los últimos 200 años.


Concentraciones de CO2: altas en rojo y bajas en azul.   [Por NASA/Goddard Space Flight Center (Goddard Multimedia) [Public domain], undefined]
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201505/environmental.cfm

Novedades en la Física Medioambiental 2015 (I/II)

El clima de la Tierra no es algo estático, sino que está cambiando continuamente. En la antigüedad, poco podíamos hacer salvo tratar de aguantar cuando el clima era adverso. Sin embargo, ahora hay muchas formas en que podemos minimizar los posibles efectos catastróficos del cambio climático. Y los físicos tienen en esta lucha un papel importante: desde reducir las emisiones de carbono en los países en vías de desarrollo, hasta introducir nuevas técnicas para aprovechar la energía del sol, pasando por la extracción del dióxido de carbono del aire.

Veamos algunos ejemplos con nombre y apellidos que ya están poniendo su grano de arena.

Ashok Gadgil es un físico de Berkeley cuyo trabajo ayuda a mejorar la salud global y el medio ambiente. Uno de los proyectos que encabezó fue el horno de Darfur, una estufa de madera barata y con buen rendimiento que se distribuyó por primera vez a los refugiados de los campamentos de Sudán.

Ashok Gadgil. [Foto de Junkchumbak (Own work)
[CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons]

Ashok diseñó las estufas para maximizar su eficiencia energética, ahorrando el combustible de madera, un bien escaso que es peligroso de recolectar en la árida zona del norte de África. En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), Gadgil y su equipo diseñaron y probaron un horno de metal de 20 dólares que podía ser enviado a todo el mundo de forma muy económica.

Se estima que cocinar con estas estufas ahorra dos toneladas de carbono por estufa y por año comparado con el método tradicional de calentar una olla apoyada sobre tres piedras encima de un pequeño fuego. Hasta ahora, la empresa sin ánimo de lucro que manufactura y distribuye los hornos, Potential Energy, ha enviado más de 46 000 por toda la región y planea mandar otros 5000 antes de que acabe el año.

Ari Glezer (Instituto de Tecnología de Georgia) está desarrollando una fuente de energía limpia y renovable que aprovecha la potencia de los torbellinos en el desierto, lo que se conoce coloquialmente como diablos de polvo. Estos remolinos se forman espontáneamente, pero la idea del proyecto es crear un número determinado de ellos a voluntad.

Los diablos de polvo empiezan a generarse cuando una capa de aire caliente se forma justo encima de la superficie del suelo bañada por el sol. La capa de aire comienza a elevarse, pero pequeñas perturbaciones producen vórtices de aire cálido y frío.

Diablo de polvo en el desierto de Mojave (EE. UU.).
[Foto de Jeff T. Alu (Transferred from en.wikipedia to Commons.)
[GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons]

El montaje no gasta energía para crear el diablo de polvo artificial. Glezer y su equipo construyeron una estructura con paletas que se asemeja al interior de una turbina de agua y que dirije el aire caliente que sube hacia un vórtice que gira, induciendo artificialmente un diablo de polvo. Con un ventilador sujeto a un generador en la parte superior, el equipo ha sido capaz de acumular energía utilizable a partir del aire que se mueve hacia arriba. El vórtice se puede mantener siempre que se mantenga la estratificación térmica.

El equipo construyó la primera máquina Solar Vortex en Atlanta y después la envió en 2014 a Mesa (Arizona), donde se realizó con éxito la primera ronda de pruebas de mercado en el aire seco. La siguiente prueba utilizará una versión de cinco metros de diámetro. Posteriormente también se quiere probar si el aire húmedo funcionaría en el Solar Vortex.

Se espera que este tipo de generación de electricidad pueda llegar a competir en coste con la energía eólica convencional. Algunas otras de sus ventajas son que no se ve afectada por los cambios de velocidad del viento y que las nubes tienen sobre ella menos impacto que sobre la energía solar tradicional.

No te olvides de echar un vistazo a la segunda parte de este artículo para estar al tanto de más ejemplos de cómo los físicos luchan por reducir el impacto sobre el medio ambiente.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201505/environmental.cfm

Las palomitas y la física

Todos hemos visto alguna vez cómo se hacen las palomitas de maíz: cómo saltan, el sonido que hacen, el olor que desprenden. Parece fácil: cualquiera sin muchos conocimientos puede hacerlas; sin embargo, como demuestran Emmanuel Virot y Alexandre Ponomarenko (Escuela Politécnica de la Universidad de Grenoble y Universidad Pierre y Marie Curie), el proceso, que dura solo unos 100 ms, incluye una asombrosa cantidad de física.

Aquí van algunos datos de las diversas fases de este proceso:
La corteza de un grano de maíz se quiebra a una temperatura de unos 180 °C, cuando el vapor de agua interno alcanza una presión crítica. Muchas plantas utilizan procesos similares para proyectar sus semillas de forma explosiva. En un grano de maíz, la fractura permite que se expandan adiabáticamente gránulos de almidón, transformándose en copos esponjosos que, como las piernas de un gimnasta, hacen que el grano de maíz empiece a dar volteretas. Con una energía cinética inicial de unos 20 μJ, un grano de maíz puede alcanzar una altura de un centímetro aproximadamente y rotar hasta 500°.

En cuanto al sonido característico de la explosión del maíz, lo sorprendente es que aparece después de que se haya roto la corteza. Una de las hipótesis de los investigadores es que las fracturas provocan reducciones rápidas de la presión, lo que da lugar a la excitación de modos acústicos dentro del grano.

Como vemos, algo tan cotidiano y tan sorprendente al mismo tiempo.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/4/10.1063/PT.3.2758

Cómo hacer mejores robots (II/II)

(Este artículo es continuación de Cómo hacer mejores robots (I/II). Te recomiendo que lo leas primero).

El proceso de "selección natural" mencionado en la primera parte del artículo ya se ha usado para crear un sencillo robot que es capaz de permanecer dentro de un círculo. Y se puede imaginar que tal proceso podría funcionar para máquinas multiusos muy complejas. Al principio, estos cerebros artificiales serían como niños; y tal vez habría que esperar 10 o 15 años para que pudiéramos tomarlos en serio.

Sin embargo, una agencia gubernamental de Estados Unidos está tratando de obtener resultados útiles ahora, sin tener que esperar tanto tiempo. Se trata de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa (DARPA por sus siglas en inglés). La agencia está organizando un concurso de robótica. Se creó como respuesta al desastre de Fukushima y ofrece 2 millones de dólares al equipo con el robot que mejor pueda completar una serie de tareas básicas de búsqueda y rescate.

Los 25 participantes humanoides tendrán que llegar a una zona de desastre, atravesar terrenos difíciles, mover escombros, hacer un agujero en una pared, ajustar una válvula, subir escaleras y después completar una tarea sorpresa. Estos robots tendrán una autonomía supervisada: un controlador humano puede asignar tareas e invalidar las decisiones del robot.

Sin embargo, las malas opciones que tomen los robots con inteligencia artificial podrían llegar a ser un problema. Stuart Russell, científico informático de la Universidad de California en Berkeley, expresaba su preocupación de que los robots totalmente independientes podrían tomar malas decisiones (desde un punto de vista humano y moral) a la hora de completar las tareas. El año pasado Russell y Stephen Hawking escribieron un artículo en el que opinaban que la cuestión que plantea la película Transcendence (sobre robots con subjetividad) merece ser evaluada más detenidamente. ¿Puede convertirse una máquina hiperinteligente en una fuerza imparable contra la humanidad?

Según Russell, si le pides a un robot que realice algo tan sencillo como hacer clips o calcular dígitos del número pi, si eso es lo único que se le pide, el robot puede llegar a la conclusión de que la manera más óptima de hacerlo es convertir toda la masa del planeta Tierra en instalaciones computacionales. Obviamente, eso no es lo que querríamos.

No obstante, la imagen de robots inteligentes que pinta el proyecto de DARPA es más atractiva en lo relacionado a la inteligencia artificial. Se trataría de un robot y una persona trabajando como un equipo, cada uno tratando de hacer lo que mejor se les da. Y hay quien afirma que los robots pueden hacerse más hábiles e ingeniosos, pero nunca más inteligentes que los humanos. Algo que nos tranquiliza... de momento.

Humanoide de Bioloid en el Reto de Obstáculos de AAAI 2010. [Foto original de Jiuguang Wang (Own work) [CC BY-SA 3.0 or GFDL], via Wikimedia Commons]

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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201504/robot.cfm

Cómo hacer mejores robots (I/II)

A día de hoy, la verdadera inteligencia artificial solo prolifera en la ficción. Los que verdaderamente se dedican a investigar en la robótica aún debaten cómo vamos a conseguir robots inteligentes en la vida real... Y qué vamos  hacer con ellos una vez los tengamos. Existen robots que pueden pasar la aspiradora; otros que pueden vencer a los mejores jugadores de ajedrez; e incluso los hay que pueden conducir coches. Estos son ejemplos de lo que se puede denominar "inteligencia de propósito especial": robots que hacen bien una sola tarea complicada, pero poco más.

Actualmente, los ordenadores tienen dificultad para reconocer rostros y aprender lenguajes hablados, habilidades ambas que los niños adquieren rápidamente. Los bebés aprenden explorando su mundo: cuando mueven los brazos y las piernas, empiezan a encontrar unos movimientos más agradables que otros. De este modo, asimilan esa información sensorial a través de un grupo de neuronas y la enlazan mediante sinapsis con otras neuronas que controlan las acciones motoras.

Hay que decir que redes neuronales artificiales que operan de modo similar han existido desde hace décadas, aunque con diversos resultados. Sin embargo, Seyoung Kim (Centro de Investigación T.J. Watson de IBM) ha presentado una nueva pieza de hardware que permitiría hacer las redes neuronales artificiales más pequeñas y más eficientes que las versiones anteriores, las cuales requerían múltiples puertas digitales y circuitos de control para simular las sinapsis.

El componente de IBM en cuestión es un semiconductor con dos electrodos a ambos lados de un óxido metálico. Al hacer pasar una corriente por el aparato, se ajusta su resistencia y con ella la fuerza de las conexiones. Un conjunto de estas "sinapsis artificiales" enlazaría las señales sensoriales con las "neuronas" motoras.

En una simulación, los investigadores de IBM hicieron que las neuronas se activaran al azar, causando movimientos aleatorios de un robot parecido a los que se usan como aspirador. Como hace un bebé al explorar, el robot se mueve lentamente de un lado para otro. Sin embargo, algunos movimientos acercan el robot a un blanco, provocando una respuesta sensorial positiva. Cuando una neurona sensorial y una neurona motora se activan juntas, disminuye la resistencia del componente y adquieren una conexión más fuerte.

Sin embargo, un aparato de este tipo solo puede ampliarse hasta un límite. Y no es solo cuestión de obtener mejores componentes de hardware. La neurociencia todavía no comprende completamente el funcionamiento del cerebro como para tratar de reproducirlo en una máquina. Y por otra parte, algunos se preguntan si la evolución darwiniana podría crear cerebros artificiales capaces de sentir y experimentar subjetividad.

En las simulaciones, miles de grupos de "genes" de cerebro artificial determinan cada uno una red diferente. Cada cerebro se coloca en un robot simulado, donde controla el robot e intenta mantenerlo vivo. Al final del proceso, se transplanta el mejor cerebro (o cerebros) en robots reales. Es una especie de selección natural en un sistema artificial.

Pero, ¿qué se ha conseguido ya con este tipo de robots? ¿Cuál es el siguiente paso? ¿Qué podrían llegar a hacer en un futuro cercano? Todo esto y más en la segunda parte de este artículo.

Ejemplo de evolución de cooperación altruista en un grupo de robots. En la generación inicial, los robots apenas pueden realizar una navegación coordinada. Después de 240 generaciones de "selección darwiniana", la mayoría de los robots buscan los paquetes grandes y cooperan para llevarlos hacia la región donde está la pared blanca. [By Floreano D, Keller L [CC BY 3.0], via Wikimedia Commons]

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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201504/robot.cfm

Levitación mediante el sonido

Si hacemos rebotar una onda de sonido en un espejo acústico, la superposición de las ondas original y reflejada pueden dar lugar a una onda de presión estacionaria. Una partícula localizada en ese campo de presión sentirá una fuerza que la lleva a una posición de equilibrio estable. De hecho, una onda acústica estacionaria con suficiente amplitud puede incluso suspender una partícula en contra de la acción de la gravedad.

Onda estacionaria (en negro) frente a ondas que se desplazan (en rojo y azul).

Numerosos investigadores han utilizado aparatos acústicos de este tipo para estudiar el comportamiento de gotas líquidas sin las complicaciones de un recipiente contenedor. El problema con los aparatos convencionales es que la separación entre el generador de ondas y el reflector debe estar sintonizada de forma resonante para obtener una onda estacionaria.

Ahora Marco Andrade (Instituto de Física de la Universidad de São Paulo, Brasil) y sus compañeros han mostrado un aparato que puede hacer levitar partículas (y manipularlas) sin la necesidad de un ajuste fino. Su invento está basado en una propuesta de hace décadas de Charles Rey. Consiste en un transductor cilíndrico de 10 mm de diámetro que genera el sonido, y un reflector cóncavo algo más grande.

Para el caso de geometría coaxial que aparece a la izquierda de la representación gráfica, las bolas atrapadas permanecen a una distancia fija del espejo, incluso cuando la separación entre el transductor y el espejo varía de 50 mm a 100 mm. Además, cuando se desalinean los ejes del transductor y el espejo (como aparece en la representación de la derecha), las bolas ajustan sus posiciones permaneciendo confinadas todo el tiempo.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/3/10.1063/PT.3.2712

¿Cómo se formaron las galaxias enanas?

Las galaxias enanas esferoidales son pequeñas y antiguas, y contienen una proporción de materia oscura mayor que galaxias más grandes o los cúmulos globulares, que también son pequeños y antiguos. Como son poco brillantes, las galaxias enanas esferoidales que se pueden estudiar son solo las que rodean la Vía Láctea y la cercana galaxia de Andrómeda.

A pesar de sus peculiaridades, las enanas esferoidales son bastante similares al entorno galáctico en el que se hallan, de modo que es posible que se empezaran a formar al mismo tiempo. Aunque esta suposición deja en el aire algunos aspectos. Por ejemplo, alrededor del 60% de las enanas esferoidales de Andrómeda ocupan aproximadamente un halo esférico en torno a la galaxia; y el resto ocupa una delgada región con forma de torta que abarca el plano galáctico de Andrómeda. Una distribución de este tipo es difícil de producir si todas las enanas empezaron a formarse con la galaxia anfitriona cuando colapsó por primera vez.

Enana esferoidal Pegaso, galaxia satélite de
Andrómeda. [Imagen original de la NASA 
(http://apod.nasa.gov/apod/ap990122.html) 
[Public domain], via Wikimedia Commons]

Una posible alternativa supone que las enanas del plano galáctico se formaron después de las otras, a partir del material que se esparció por el sistema cuando Andrómeda se fusionó con otra galaxia. Para arrojar algo de luz sobre el misterio, Michelle Collins (Universidad Yale) y sus colaboradores han utilizado el instrumento DEIMOS del telescopio Keck II para observar dos de las enanas esferoidales que se hallan en el plano galáctico de Andrómeda. Después de determinar la composición química y otras propiedades de las enanas, los investigadores las compararon con otras observaciones que existen de 12 enanas esferoidales del plano galáctico y 17 del halo esférico, todas en la galaxia de Andrómeda.

Tras la comparación, no encontraron diferencias apreciables entre los dos tipos de enanas esferoidales, lo que sugiere que todas ellas se formaron al mismo tiempo y del mismo material. Con el marco cosmológico actual, no es fácil explicar una distribución tan claramente bimodal. Pero eso es lo bueno de la astronomía: siempre hay algo nuevo que explicar mejor.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/3/10.1063/PT.3.2710