Mientras ponemos la mira en futuras misiones a Marte y la Luna, nos enfrentamos a un enemigo sorprendentemente problemático: el polvo cargado eléctricamente. En la superficie lunar, el polvo ultrafino y dentado actúa como un abrasivo fuerte. Se adhiere obstinadamente a los paneles solares, daña los trajes espaciales e incluso representa un grave peligro de inhalación para los astronautas.
En Marte, la fricción entre partículas de polvo en el aire puede provocar chispas, creando un riesgo importante para los circuitos sensibles. El culpable de estos encuentros extraterrestres es el conocido choque de electricidad estática. La palabra “electricidad” en sí misma deriva de la palabra griega que significa ámbar, un material que los primeros eruditos utilizaban a menudo para demostrar el fenómeno.
Sin embargo, a pesar de ser uno de los fenómenos físicos observados más antiguos, su mecánica exacta sigue siendo notablemente difícil de alcanzar.
“Cuando dos objetos se tocan, intercambian carga eléctrica y los científicos no tienen idea de por qué”, dijo a Discover Scott Waitukaitis, físico del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria.
Ahora, Waitukaitis y un equipo internacional de investigadores han identificado un factor oculto que rige cómo las partículas transfieren carga en el aire. En un artículo histórico publicado en Nature, descubrieron que una capa invisible de carbono ambiental puede dictar todo el efecto de carga en ciertos casos.
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Comprensión de las partículas de óxido en colisión
Este avance es particularmente crítico para los óxidos aislantes, una clase de materiales rocosos que constituyen la mayor parte de la corteza de nuestro planeta, así como el polvo de la Luna y Marte.
“Desde las perturbaciones eléctricas en las tormentas de polvo del Sahara hasta los relámpagos volcánicos”, dijo Waitukaitis a Discover, “la carga entre partículas de óxido es quizás la manifestación más importante de la electricidad estática en la naturaleza”.
Un enigma central en el estudio de estos materiales ha sido la cuestión de la simetría. Ya sea en tormentas de arena extraterrestres o en columnas volcánicas terrestres, las partículas de óxido que chocan suelen ser químicamente idénticas.
“Si dos granos están hechos del mismo material, ¿cómo es posible que uno cargue positivo y el otro negativo?” explicó Galien Grosjean a Discover, físico de la Universidad Autónoma de Barcelona y coautor del estudio.
Uso de levitación acústica para medir la carga eléctrica
Dentro de la cámara experimental
(Imagen cortesía de Galien Grosjean)
Para descubrir el mecanismo, los físicos necesitaban medir el intercambio eléctrico durante una única colisión microscópica. A esta escala diminuta, cualquier manipulación física por parte de instrumentos tradicionales corrompería instantáneamente los datos con una carga no deseada.
El equipo superó esta grave limitación optando por la levitación acústica. Al utilizar ondas sonoras altamente controladas para crear una base de presión en el aire, los científicos pudieron suspender una esfera de medio milímetro para un experimento completamente sin contacto.
Para simular una colisión, los investigadores detuvieron brevemente el sonido y dejaron caer la partícula sobre una placa objetivo del mismo material. Después de que intercambió carga al hacer contacto, reactivaron la levitación para atraparlo en el rebote hacia arriba. Luego, las computadoras medirían con precisión la carga recién adquirida de la partícula.
Como esta secuencia estaba completamente automatizada, el sistema registró miles de colisiones consecutivas. Los resultados revelaron que el “rompedor de simetría” crítico que permite que rocas idénticas se carguen de manera diferente no era una propiedad de la roca en sí, sino más bien un cóctel de moléculas ubicuas conocidas como carbono adventicio que a menudo se pasa por alto y que forman capas delgadas sobre casi cualquier superficie.
“Adventicio es sólo una palabra elegante para ‘materiales aleatorios del medio ambiente'”, dijo Grosjean a Discover.
La espectroscopía ha confirmado la presencia de estas moléculas basadas en carbono en Marte, la Luna e incluso en sistemas solares en formación distante.
Proporcionar el marco de ingeniería para proteger contra el polvo espacial
Partículas que rebotan
(Imagen cortesía de Galien Grosjean)
Cuando los investigadores extrajeron este carbono de una sola muestra, la partícula adoptó constantemente una carga negativa después de rebotar. Si eliminaban el carbono de ambos objetos en colisión, la transferencia de carga desaparecía.
“Una capa de menos de una molécula de espesor es suficiente para invertir completamente el signo de carga”, dijo Grosjean a Discover.
A medida que el carbono se reasentaba sobre la superficie del óxido en el transcurso de un día, la carga de la partícula evolucionó exactamente al mismo ritmo. Debido a que esta capa de carbono ambiental nunca es perfectamente uniforme, nunca hay dos partículas verdaderamente idénticas a nivel molecular.
La identificación de esta variable atmosférica podría proporcionar un marco para que los ingenieros desarrollen estrategias de mitigación de los peligros del polvo. Los planificadores de misiones ahora pueden basar los diseños de sus equipos en los mecanismos reales de transferencia de carga.
Pero las implicaciones van mucho más allá de la ingeniería y ofrecen información sobre la formación de nuestro mundo. En los caóticos primeros días de nuestro Sistema Solar, se teoriza firmemente que la carga estática entre las partículas de silicato y óxido arremolinadas impulsó la acumulación inicial de polvo en los protoplanetas. Las interacciones eléctricas en la atmósfera primitiva pueden incluso haber creado ingredientes importantes para la vida, allanando el camino para las primeras células.
“Antes ni siquiera podíamos identificar lo que importaba en la electrificación por contacto”, dijo Waitukaitis a Discover. “Ahora que hemos identificado el papel del carbono adventicio, podemos empezar a preguntar por qué”.
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