El espectr贸metro de infrarrojos y la exploraci贸n de Marte
Otorgado a la Universidad de California, en Berkeley, el 15 de mayo de 2017.
Con todo lo que sabemos hoy en d铆a sobre los planetas del sistema solar, nos parece inconcebible que hace apenas 50 a帽os apenas los conoci茅ramos. Las observaciones de Marte y Venus, nuestros vecinos planetarios m谩s cercanos, a trav茅s de telescopios terrestres solo nos proporcionaron la informaci贸n m谩s rudimentaria sobre sus caracter铆sticas f铆sicas y pr谩cticamente ninguna informaci贸n sobre las propiedades qu铆micas de estos planetas y sus atm贸sferas.
Esto cambi贸 radicalmente a mediados de 1969, cuando dos naves gemelas de la NASA, las Mariner 6 y 7, sobrevolaron Marte a unos pocos miles de kil贸metros de distancia. Cada nave llevaba cuatro instrumentos, entre ellos un espectr贸metro de infrarrojos (IR) dise帽ado y construido por un equipo de la Facultad de Qu铆mica y el Laboratorio de Ciencias Espaciales de la Universidad de California Berkeley. El resto de instrumentos a bordo eran c谩maras de televisi贸n, un radi贸metro infrarrojo y un espectr贸metro ultravioleta. El equipo estaba dirigido por el profesor de qu铆mica George Pimentel (1922-1989) y Kenneth Herr贸 (1937-2015), que se hab铆a doctorado en qu铆mica en 1964 trabajando en el laboratorio de Pimentel. Estos espectr贸metros de infrarrojos fueron los primeros instrumentos en volar en una misi贸n de la NASA sin haber sido construidos en las instalaciones de la propia NASA o en empresas aeroespaciales, sino en una universidad. En la actualidad esto sigue siendo una excepci贸n y no la norma.
Entre los descubrimientos revolucionarios que nos han dejado los espectr贸metros se encuentra que la fina atm贸sfera marciana est谩 compuesta casi en su totalidad por di贸xido de carbono, con trazas de vapor de agua. Adem谩s, observaron que existe CO2 s贸lido en la atm贸sfera superior del planeta. Los espectr贸metros IR tambi茅n detectaron hielo e hidratos en la superficie marciana, as铆 como goethita, un oxihidrato de hierro oxidado que se forma en los procesos de desgaste y corrosi贸n causados por el agua. Se trata de la primera prueba de que hubo agua l铆quida en la superficie marciana.
Mirando al cielo
Desde la prehistoria, los seres humanos hemos observado el cielo nocturno. Anot谩bamos las posiciones de las estrellas y sus movimientos con las estaciones. Nuestros antepasados se fijaron especialmente en un pu帽ado de habitantes del cielo nocturno que se mov铆an independientemente de otras estrellas y entre ellos. Los griegos y los romanos les otorgaron a estos cuerpos celestes errantes la condici贸n de dioses: Mercurio, Venus, Marte, J煤piter y Saturno.
Los astr贸nomos llevan m谩s de 3000 a帽os registrando los movimientos de Marte. Con la invenci贸n del telescopio, el ser humano comenz贸 a investigar las caracter铆sticas de los planetas con mayor profundidad. En 1610, Galileo Galilei (1564-1642) fue el primero en observar Marte a trav茅s de un telescopio. A mediados del siglo XIX, la resoluci贸n de los telescopios era suficiente para descifrar las caracter铆sticas de la superficie del planeta. Entre muchos otros rasgos distintivos, los astr贸nomos creyeron detectar "canales": marcas largas y rectas en la superficie marciana, que algunos pensaron que eran producto de seres inteligentes.
Pocos a帽os despu茅s del lanzamiento del Sputnik en 1957, el primer sat茅lite artificial en 贸rbita alrededor de la Tierra, los cient铆ficos espaciales de la URSS y de Estados Unidos empezaron a pensar en enviar naves espaciales sin tripulaci贸n a Marte y Venus. Estas misiones pretend铆an sondear las caracter铆sticas de estos vecinos cercanos m谩s de cerca de lo que podr铆a hacerlo cualquier telescopio. Entre 1960 y 1962, los sovi茅ticos lanzaron cinco naves espaciales sin 茅xito al planeta rojo. Los Estados Unidos lanzaron el Mariner 3, su primer intento de volar cerca de Marte, en 1964; sin embargo, los paneles solares de la nave no se abrieron, impidiendo su sobrevuelo. En 1967, el Mariner 4 pas贸 a 10.000 kil贸metros de la superficie del planeta y proporcion贸 las primeras im谩genes de Marte desde cerca. Las naves Mariner 6 y 7 fueron dise帽adas para continuar esta misi贸n.
Infograf铆a sobre el espectr贸metro infrarrojo de Marte.
Mariner 6 y 7
Los espectr贸metros de infrarrojos que volaron a bordo de las Mariner 6 y 7 nacieron a ra铆z de una conversaci贸n entre Pimentel, de la Universidad de California Berkeley, y Urner Liddel (1905-79), un viejo amigo, mentor y experto en ciencias planetarias. Liddel qued贸 impresionado con un espectr贸metro IR de barrido r谩pido que hab铆a en el laboratorio de Pimentel. Un espectr贸metro IR mide c贸mo una muestra absorbe la radiaci贸n infrarroja; el espectro IR resultante es caracter铆stico de las sustancias qu铆micas presentes en la muestra, como una "huella dactilar". Como recordaba Pimentel en una entrevista concedida en 1989 a la Sociedad Qu铆mica Americana (ACS), Liddel le dijo: "Si puedes medir el espectro infrarrojo de una muestra en una millon茅sima de segundo, deber铆as ser capaz de decirnos c贸mo hacerlo para la atm贸sfera de Marte".
Pimentel indic贸 en la entrevista que, un par de semanas despu茅s, estaba en un avi贸n de vuelta de Washington, D.C., y "decid铆 pasar el viaje de vuelta intentando averiguar c贸mo lo podr铆a hacer. Se me ocurri贸 un espectr贸metro de infrarrojos bastante novedoso, una forma de hacerlo que a煤n no se hab铆a descubierto.鈥�
El espectr贸metro que imagin贸 Pimentel utilizaba un filtro de interferencia como elemento dispersivo para generar el espectro IR, en lugar de un prisma o una rejilla. Este enfoque simplificaba el espectr贸metro y hac铆a posible que dicho instrumento fuera lo suficientemente ligero como para cumplir el peso m谩ximo de 11 kilogramos establecido por la NASA. Pimentel y Herr obtuvieron una subvenci贸n de la NASA en 1964 para desarrollar un prototipo, y en 1966 fue aceptado para las misiones Mars Mariner.
Pimentel, Herr y su equipo de la Universidad de California Berkeley dise帽aron y construyeron el nuevo espectr贸metro IR. Pimentel y Herr determinaron que las mejores longitudes de onda a explorar se encontraban en la regi贸n de 2 a 15 micras, que captar铆an tanto la luz solar reflejada como la emisi贸n t茅rmica de Marte. Al ser qu铆micos, entendieron que las huellas dactilares de varias mol茅culas importantes ser铆an absorbidas en estas longitudes de onda. Para utilizar los detectores m谩s sensibles 鈥揺l seleniuro de plomo y el germanio dopado con mercurio (Hg-Ge)鈥� en esta regi贸n del espectro, era necesario un sistema de refrigeraci贸n innovador y eficaz, ya que el detector de Hg-Ge deb铆a mantenerse por debajo de 22 grados sobre el cero absoluto (unos 250 grados cent铆grados bajo cero, N. del T.). Los investigadores decidieron utilizar una novedosa unidad de refrigeraci贸n que utilizaba un sistema de gas a alta presi贸n y que s贸lo funcionar铆a durante los 30 minutos de sobrevuelo de Marte. M谩s adelante, esta decisi贸n provocar铆a momentos angustiosos.
Tensiones con la NASA
Para los bur贸cratas de la NASA, el grupo de la UC Berkeley era distinto a lo que sol铆an estar acostumbrados, y la relaci贸n entre ellos era a veces dif铆cil. Como dijo Jeanne Pimentel (nacida en 1935), viuda de George, en un art铆culo publicado en el a帽o 2000 en The Chemical Intelligencer: "Los reclutas, con los ojos brillantes, se embarcaron en su misi贸n, sin darse cuenta de las dificultades que encontrar铆an con sus monol铆ticos jefes, la NASA y su contratista, el Laboratorio de Propulsi贸n (JPL). [...] La personalidad y el modo de operar fueron en parte responsables de esta brecha, pero en el centro de la cuesti贸n estaba el enfoque de las tareas cient铆ficas. George y Ken estaban decididos a impulsar el estado del arte del dise帽o de instrumentos para obtener los mejores resultados cient铆ficos posibles; mientras la NASA y el JPL quer铆an un enfoque m谩s seguro y menos ambicioso."
Sin embargo, las Mariner 6 y 7 fueron lanzadas en febrero y marzo de 1969 y llegaron a Marte a finales de julio y principios de agosto para examinar diferentes zonas del planeta. S贸lo unos d铆as antes de que el Mariner 6 llegara a Marte, el JPL perdi贸 el contacto con el Mariner 7 y sospech贸 que la culpa era de una rotura en el tanque de refrigeraci贸n de alta presi贸n del espectr贸metro. El JPL recuper贸 el contacto con el Mariner 7, pero Pimentel y Herr no sab铆an si el espectr贸metro del Mariner 7 funcionar铆a hasta que la unidad se encendiera durante el sobrevuelo. Su ansiedad es evidente en las grabaciones de v铆deo realizadas en el JPL durante la misi贸n real. Finalmente, los instrumentos de ambas naves exploraron con 茅xito la qu铆mica atmosf茅rica y superficial de Marte.听
"George y Ken estaban decididos a impulsar el estado del arte del dise帽o de instrumentos para obtener los mejores resultados cient铆ficos posibles; la NASA y el JPL quer铆an un enfoque m谩s seguro y menos ambicioso".
鈥� Jeanne Pimentel, The Chemical Intelligencer, 2000
Descubrimientos cient铆ficos
Las novedosas mediciones qu铆micas realizadas por los espectr贸metros de infrarrojos incluyen:
- La primera prueba de la existencia de CO2 s贸lido en la atm贸sfera marciana.
- La determinaci贸n de la composici贸n de la atm贸sfera marciana.
- La detecci贸n de hielo e hidratos en la superficie marciana.
- La determinaci贸n de la concentraci贸n de vapor de agua en la atm贸sfera marciana.
- La detecci贸n de goethita, que se forma en los procesos de meteorizaci贸n acuosa, la primera prueba de que en alg煤n momento hubo agua l铆quida en la superficie marciana.
Ambas naves transmitieron sus datos espectrales IR a la Tierra, junto con fotos y datos de los dem谩s instrumentos cient铆ficos. Dado que los encuentros reales con Marte fueron tan extraordinariamente breves, Pimentel dise帽贸 un equipo para realizar experimentos de seguimiento en la Tierra utilizando los datos en condiciones espaciales simuladas, que verificaron y ampliaron los hallazgos.
Redescubrimiento de las cintas del espectr贸metro
Sorprendentemente, las cintas que conten铆an los datos espectrales de infrarrojos de Marte acabaron guardadas en un s贸tano de la Universidad de California Berkeley, y all铆 se habr铆an quedado, de no ser por los esfuerzos de Laurel Kirkland (nacida en 1962), que a mediados de la d茅cada de 1990 estaba realizando su doctorado en geof铆sica en la Universidad de Rice. Kirkland qued贸 muy impresionada por un espectro de la superficie marciana procedente de una de las misiones Mariner, y se qued贸 at贸nita al descubrir que faltaban la mayor铆a de los datos recogidos por los espectr贸metros IR. Se puso en contacto con Jeanne Pimentel, y entre ambas acabaron encontrando las cintas. Gracias a los esfuerzos de Kirkland, se leyeron las cintas y se descifraron los datos con la ayuda de Herr y otros antiguos miembros del equipo del espectr贸metro, que luego terminaron los borradores de documentos anteriores y publicaron algunos nuevos.
El espectr贸metro de infrarrojos ten铆a un dise帽o innovador de sensibilidad, estabilidad mec谩nica y robustez ambiental sin precedentes, lo que le permiti贸 realizar las primeras mediciones qu铆micas de la composici贸n de la superficie y la atm贸sfera de Marte."
鈥斕齊ichard A. Mathies, profesor de qu铆mica de la Universidad de California Berkeley, 2016
Dedicatoria y agradecimientos
Dedicatoria
La Sociedad Americana de Qu铆mica (ACS) otorg贸 al dise帽o de George Pimentel y Kenneth Herr de un revolucionario espectr贸metro infrarrojo el reconocimiento como Lugar Emblem谩tico en la Historia de la Qu铆mica (NHCL) en una ceremonia en la Universidad de California Berkeley, el 15 de mayo de 2017. La placa conmemorativa dice:
En la d茅cada de 1960, George Pimentel, de la Universidad de California Berkeley, y su equipo, incluido Kenneth Herr, desarrollaron un revolucionario espectr贸metro de infrarrojos en la Facultad de Qu铆mica y el Laboratorio de Ciencias Espaciales de la universidad. Dos de estos instrumentos pasaron por Marte a bordo de las naves Mariner 6 y 7 en 1969. Enviaron nuevos datos sobre la qu铆mica de Marte, incluyendo mediciones de di贸xido de carbono, mon贸xido de carbono y vapor de agua en su atm贸sfera. Se detect贸 di贸xido de carbono s贸lido y hielo de agua en el casquete polar sur, mientras que las firmas vibracionales de los oxihidratos de hierro mostraron que alguna vez existi贸 agua l铆quida en Marte. El dise帽o y el rendimiento de estos instrumentos establecen un nuevo est谩ndar para los estudios espectrosc贸picos de nuestro sistema solar.
Agradecimientos
Adaptado para internet de "A Novel Infrared Spectrometer and the Exploration of Mars", producido por el programa National Historic Chemical Landmarks de la American Chemical 中国365bet中文官网 en 2017.
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