La seguridad con el fuego y la radiacción ponen un nuevo énfasis de la investigación espacial

La seguridad con el fuego y la radiacción ponen un nuevo énfasis de la investigación espacial

Por :Liberto Brun Compte

Mientras los equipos de los Estados Unidos y sus asociados ensamblan la Estación Espacial Internacional (en ingles ISS), el observador casual podría perderse de algún énfasis sobre la seguridad que hace que el trabajo parezca realizarse sin ningún esfuer

Mientras los equipos de los Estados Unidos y sus asociados ensamblan la Estación Espacial Internacional (en ingles ISS), el observador casual podría perderse de algún énfasis sobre la seguridad que hace que el trabajo parezca realizarse sin ningún esfuerzo algunas veces.

'La seguridad es el punto central número uno en la NASA ', dice Kristen Erickson, administradora asociada para la dirección en la Oficina de Investigaciones Biológicas y Físicas (OBPR -- Office of Biological and Physical Research), la empresa más nueva de la NASA. 'Una de las cosas sobre la que estamos tratando de inculcar más, es que la seguridad tiene que ser un estado mental. No solo tenemos que poner toda una serie de carteles”. Anteriormente Erickson era directora de la oficina de presupuestos del trasbordador espacial y de evaluación de programas, donde la seguridad de vuelo tenía el más alto grado de importancia, “de manera que ya pueden darse cuenta por que soy tan fanática”, nos explica.

Mientras que el público en general puede preocuparse respecto de la seguridad en el espacio, solo después de una catástrofe o un accidente, la NASA tiene compromisos para asegurarse de que el equipo vital no falle en tierra o en vuelo y reduzca los peligros ocupacionales tanto para los equipos en tierra como para las tripulaciones de vuelo. Apoyando a la investigación de prevención de fuego en órbita, detecciones y extinción y de los efectos de la radiación y protección en el espacio es una manera como la NASA se enfrenta a estos compromisos. El fuego y la seguridad a la radiación van unidos por una necesidad común: mejorar nuestro conocimiento de la ciencia básica y utilizarla para desarrollar materiales avanzados. El fuego es una reacción química violenta, ya que el oxígeno se combina con otros materiales para producir humo, calor y compuestos químicos mortales. La radiación involucra partículas de alta energía (al igual que rayos X y gama) que pueden tener efectos devastadores y aún mortales sobre los seres vivientes. La NASA desea aplicar los resultados de la investigación en la ciencia básica y aplicada para reducir los peligros de cada una. Pero primero, los científicos deben comprender y definir completamente los problemas del fuego y de la radiación y después deberán atacar nuevos diseños para mitigar o eliminarlos. La OBPR jugará un papel muy importante en llevar a cabo ambas.

'Una cosa en la que esperamos invertir más es en investigación de la radiación en el espacio y sus efectos potenciales sobre los humanos”, continúa diciendo Erickson. Ella espera que adicionalmente a hacer más seguro el viaje al espacio, los estudios sobre el fuego y la radiación encontrarán aplicaciones benéficas en la Tierra.

Fuego

Hasta muy recientemente, la mayor parte del interés en la OBPR sobre el fuego, era utilizar la microgravedad como un laboratorio de pruebas que pudiera mejorar los sistemas de combustión en la Tierra. (Véase la barra titulada Fire in Space.) Aunque esto siga siendo una línea de trabajo muy valiosa, la OBPR ha puesto Nuevo énfasis en estudiar como comienzan y se propagan estos fuegos en la microgravedad y como pueden extinguirse rápidamente y con seguridad. El tema es mucho más complejo y sutil que simples excursionistas apagando una fogata hasta que desaparezcan las llamas y las chispas.

En Junio del 2001 y para enfrentarse al reto, la NASA condujo una mesa de trabajo dedicada exclusivamente a temas de inflamabilidad en el Centro de Investigaciones Glenn, el centro primario para investigación sobre combustión en microgravedad de la NASA (GRC – Glenn Research Center). Los participantes a esta primera mesa de trabajo en 15 años sobre este tema, incluían a miembros del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, el Laboratorio Naval de Investigaciones, los Laboratorios Nacionales Sandia y universidades, así como de la NASA. Los participantes enfocaron sobre prevención de fuego e inflamabilidad de materiales, detección de humo y fuego y respuesta al fuego y acción posterior. “Queríamos valorar lo ultimo sobre seguridad en fuego en naves espaciales, determinar lo conocido y lo desconocido e identificar las necesidades especiales de la investigación”, dijo Gary Ruff, de la GRC, quien dirigió la mesa de trabajo.

El primer y más importante paso que ha de tomarse, siempre que sea posible, en la seguridad contra el fuego, es la de seleccionar materiales que no quemen fácilmente en baja gravedad. El Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA tiene una dependencia para investigación de combustión de materiales que prueba éstos contra un rango de estándares de la industria y de la NASA. Como es imposible eliminar todos los materiales combustibles, tales como el papel sobre el cual van escritos los planes de vuelo y los procedimientos o los plásticos que son utilizados en casi todo, deben de tomarse los pasos para asegurarse de que un fuego podrá detectarse y extinguirse mientras se protege a la tripulación y al equipo. Los detectores de fuego de la ISS, desarrollados a través de experimentos auspiciados por la División de Ciencias Físicas de la OBPR y probados en el trasbordador, buscan partículas de humo con un rayo láser. Para apagar los fuegos, la tripulación está provista de extintores portátiles (de dióxido de carbono) y equipos portátiles de respiración. La NASA quiere un supresor no tóxico que no ensucie el sistema de sustentación vital o que requiera una limpieza excesiva. El grupo de trabajo recomendó conducir experimentos de microgravedad adicionales a continuar aquellos utilizados en las bases en tierra, sobre objetos susceptibles de quemarse en el espacio. La investigación también se requiere en las dinámicas de flujo de computación para entender a donde va un fuego dentro de un compartimiento en microgravedad, como son transportados los agentes anti-fuego y como interactúan estos agentes con el aire y el combustible.

'Una cosa que surgió de las sesiones de trabajo fue un nuevo esquema para la investigación de seguridad contra el fuego en los vuelos espaciales”, dijo Ruff. “Después de las sesiones, revisamos nuestros proyectos existentes y los planes, para asegurarnos que no dejábamos nada y cambiamos algunas prioridades. Realmente nos ayudó a definir y enfocar mejor nuestra actual investigación”. Los resultados de la mesa de trabajo están reenfocando los proyectos existentes y afectarán a los futuros comunicados de Investigación de la NASA respecto de las ciencias de combustión. (NASA Research Announcements [NRA]).

En el pasado, varias misiones del trasbordador llevaron a cabo experimentos para examinar la micro escala física y química de la combustión bajo condiciones de baja gravedad, donde el flujo de convección es casi eliminado, aclarando la visión de lo que está sucediendo. Se espera que la ISS lleve a cabo un rango más amplio de experimentos de combustión durante los próximos 10 a 15 años. La atención ahora está cambiando a entender la física y la química de la extinción de fuegos para aplicaciones tanto en la Tierra, como en órbita. La misión espacial Research-1 (STS-107, programada para lanzamiento en 2002) del trasbordador tomará los primeros pasos en esta dirección con el experimento de Bruma de Agua.



'Tratamos de entender lo fundamental”, dice Frank Schowengerdt, director del Centro para Aplicaciones Comerciales de la Combustión en el Espacio (CCACS en inglés)), un centro comercial de la NASA localizado en la Escuela de Minas de Colorado. 'Queremos conocer como depende la extinción del fuego, del tamaño de las partículas de agua, concentración del agua, distribución de las gotas y radiación desde el fuego”. El CCACS es parte del programa de OBPR. La Bruma de agua es un acercamiento diferente para el centro, ya que la CCACS se estableció para desarrollar tecnologías mejoradas para la combustión, no para estudiar como parar los fuegos.

'Cuando establecimos este centro por primera vez, Tom [McKinnon, un ingeniero químico en la CCACS], dijo que siempre había estado intrigado por sobre exactamente cómo el agua extingue un fuego”, dice Schowengerdt. 'Hace cinco años, no fue tomado en serio. Otra agencia federal dijo que ellos hicieron algunas investigaciones hace tres o cuatro años pero que lo dejaron. Pero lo hicieron de la manera equivocada, a través de probar y fallar”. McKinnon insistió y desarrolló experimentos y modelos más analíticos. Él es el principal investigador para la Bruma de Agua. 'Sin realizar la ciencia fundamental no pueden hacerse avances”, continua Schowengerdt. 'Puede llegarse a tener suerte en las pruebas de probar y fallar pero se gasta gran cantidad de dinero”.

Schowengerdt y sus asociados quieren saber el absoluto mínimo requerido para extinguir un fuego de manera que la limpieza sea más fácil, que se reduzca el daño de después del fuego y que las tripulaciones están expuestas a menores tóxicos por los productos. Los científicos están regresando al agua como el principal supresor.

Las gotas de agua tienen una mayor área de superficie que un chorro de agua del mismo volumen que sale de una manguera. Las gotas pueden absorber más calor y cubren más combustible. Pero los detalles exactos de la física y química permanecen evasivos, principalmente porque las reacciones ocurren con mucha rapidez en la gravedad de la Tierra. Las gotas se asientan, de modo que una nube uniforme y controlada de ellas no puede mantenerse para ver que es lo que sucede cuando las flamas interactúan con ellas. En la micro gravedad las gotas permanecen suspendidas, de manera que se puede llevar a cabo un mejor experimento. Por tanto, McKinnon miró hacia las órbitas, donde los experimentos pueden ir más lentos y con menos turbulencia. Así los científicos pueden enfocarse en un rango más estrecho de variables y estudiarlas por un período de tiempo más amplio.

El CCACS ha llevado a cabo pruebas extensivas en tierra, incluyendo algunas en la torre de caída de la Escuela de Minas. Ahora ya es tiempo de moverse hacia arriba, literalmente. “Estamos viendo algunas de las cosas que podremos hacer mucho mejor en la microgravedad”, explicó Schowengerdt.

La Bruma de Agua utilizará una boquilla pequeña para salpicar agua dentro de una cámara a través de la cual se moverá la flama. “No estamos hablando aquí de los sistemas de aspersión que todos tienen”, dice Schowengerdt . Como una línea de agua de alta presión sería difícil de colocarse en lo limitado del modulo experimental, con ultrasonido se parte el agua en gotas de aproximadamente 10 micrones de diámetro. 'Probablemente no podríamos utilizar esto en una situación real, porque se requieren altas presiones”, dice Schowengerdt. Aunque para experimentos fundamentales la bruma debería de ser suficiente. De esto, los científicos podrían comenzar a desarrollar métodos para optimizar las aspersiones de agua para los distintos tipos de fuegos. El CCACS también esta buscando aditivos que eviten que el agua conduzca la electricidad. Después del STS-107, Schowengerdt espera realizar experimentos más amplios a bordo de la ISS.

El trabajo del CCACS está llamando la atención de muchos usuarios terrestres potenciales, incluidas la Administración Federal de Aviación , la Marina de los Estados Unidos, los operadores de sistemas de computación y aún los restaurantes. La NASA está igualmente interesada en la Bruma de Agua como parte de una mayor investigación sobre seguridad contra el fuego en las naves espaciales.

Radiación



El ultimo ARN busca protección contra uno de los peligros inicialmente conocidos del espacio. La radiación nos trae un diferente juego de complejidades y sutilezas respecto al problema de protección a las tripulaciones. El espacio “vacío” está fuertemente cubierto por radiaciones que pueden enfermar o matar a cualquier forma de vida conocida. Mientras que las tripulaciones de la ISS están relativamente protegidos por la magnetosfera de la Tierra, se encuentran más expuestos que las personas que viven a nivel del mar abajo en la Tierra bajo su protección de aire. Las tripulaciones que viajen a Marte estarán expuestos por mucho más tiempo que las tripulaciones del Apolo yendo a la Luna – años en lugar de días. La agencia quiere que los temas sobre radiación sean discutidos abiertamente por directores y astronautas de la misma manera: “ Estamos muy preocupados de que la aceptación del riesgo es un tema ético importante que debe ser revisado continuamente”, dice Erickson.

Al igual que con la seguridad contra el fuego en el espacio, la OBPR está trabajando simultáneamente para definir el problema en su totalidad, aún cuando siga trabajando sobre posibles soluciones. Su Plan de Programa Estratégico para la Investigación de la Radiación en el Espacio perfila un acercamiento comprensible para desarrollar estas soluciones. Adicionalmente, la NASA trabaja de cerca con el Consejo de Investigación Nacional de la Academia Nacional de Ciencias y con el Consejo Nacional de Protección de la Radiación y Mediciones para mantener al día las directrices de las comunidades científicas de protección a la radiación.

Desde una perspectiva de empresa, la protección de la radiación es un problema cruzado interdisciplinario e interdivisional que involucra ciencias de la vida, biología espacial y las ciencias físicas. Para estudiar sistemáticamente los efectos biológicos de la radiación espacial, la NASA ha estado desarrollando una nueva empresa en tierra para simular la radiación espacial, la Booster Applications Facility. Esta ubicación, que se espera esté comisionada durante el año 2003, está siendo construida en colaboración con el Departamento de Energía y utilizará aceleradores de alta energía en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Cuando la compañía esté totalmente operativa, los átomos de varios elementos serán destripados de sus electrones y acelerados a gran velocidad para producir el rango total de partículas y energías que están presentes en el espacio.

Los estudios realizados en localidades existentes en tierra han demostrado que los efectos de la radiación espacial son significativamente diferentes de los efectos de los rayos X y de otro tipo de radiaciones comunes en la Tierra. Las partículas cargadas de alta energía de la radiación espacial, hiladas a través de una molécula de ADN enroscada, pueden romperla fácilmente en más de un sitio. Un estudio del tamaño de las piezas rotas ha conducido a un nuevo entendimiento de la manera como el ADN se enrosca en sí mismo para alojarse en la célula. Otra manera cómo la radiación espacial puede verse que es diferente es por la intensificación de “inestabilidad genómica”, un resultado de irradiar células vivas que conducen algunas de las células hijas divisibles, tantas como 10 o 20 divisiones después, para cambiar en la dirección de convertirse en células cancerígenas, a una velocidad mayor que las células de control.

Por estos y otros peligros a los viajeros espaciales humanos, la radiación en el espacio debe de evitarse lo más posible. Al presente, la exposición a la radiación es reducida de una de dos maneras: el uso de materiales “escudo” interpuestos entre los humanos y la radiación externa para atenuar su intensidad y la programación cuidadosa de las actividades espaciales para que coincidan con los lapsos en que la radiación es menos intensa.

Los materiales con una masa atómica pequeña, tales como el hidruro de litio (Li), forman los mejores escudos para los astronautas. Los materiales tienen una mayor densidad del núcleo y son mejores para bloquear la radiación entrante. También tienden a producir menos partículas secundarias peligrosas después del impacto con la radiación entrante.



Para construir un mayor escudo, la NASA debe comprender totalmente que es lo que sucede cuando la radiación golpea diferentes materiales, incluida la carne. (Ver barra lateral titulada The ABCs - and Xs and Zs - of Radiation.) 'Necesitamos conocer la interacción entre una nave espacial y sus escudos y también que sucede después de que las partículas pasan a través de algo”, dice Michael Wargo, científico de la disciplina de materiales científicos de la División de Ciencias Físicas de la OBPR. 'Ciencia de los materiales es responsable de [dirigirse] una parte del problema. Lo estamos atacando desde dos frentes: Necesitamos modelos y programas de cómputo para predecir y necesitamos experimentos para validar y mejorar los modelos y los programas”.

Una mesa de trabajo en el Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en el año 2000 desarrolló un mapa de caminos para planear una solución al problema. Sus investigaciones están incorporadas en 'Materials Science: Ground-Based Research Opportunities in Biomaterials and Radiation Shielding' (NRA-01-OBPR-05), publicado el 24 de Agosto del 2001.

'Hay tres cosas que necesitamos saber”, dice Walter Schimmerling, de la sede de la NASA, quien desarrolló el plan estratégico y es uno de los principales autores del mapa de caminos. “Primero, debemos ser capaces de predecir los riesgos, al igual que los posibles efectos a la salud que pudieran ocurrir y el porcentaje de tiempo que ocurrirán. Segundo, debemos reducir la incertidumbre de riesgo. Necesitamos predicciones precisas. Tercero, tenemos que moderar el riesgo”.

La protección de la Radiación involucrará una serie de pasos, no una sola solución. 'Una manera [de limitar los riesgos de los efectos de la radiación] es tomando el tiempo de la exposición”, explica Schimmerling. Por ejemplo, la actividad extra vehicular está programada para evitar los pasos a través de la Anomalía del Atlántico Sur, una porción de baja latitud de los cinturones de Radiación de Van Allen sobre la costa de Brasil, donde la radiación prevalece más que en otras secciones de la órbita terrestre.



'Lo siguiente, reducir la cantidad de radiación que les llega a la gente”, continua Schimmerling. Eso significa introducir materiales que interponen sus átomos entre la tripulación y el exterior. Los átomos son espacio amplio vacío, con electrones que giran alrededor de un núcleo como planetas remotos circulando alrededor del Sol. Los rayos cósmicos entrantes serán desacelerados por la fricción con los electrones y, de vez en cuando, podrán golpear un núcleo, aunque hay mucho espacio para que los rayos cósmicos fallen en tocar materia sólida.
Idealmente a uno le gustaría que los rayos cósmicos entrantes perdieran tanta energía en el material del escudo como para que se quedaran en él. Desdichadamente, la cantidad de material requerido para parar a las partículas más ligeras y rápidas – su “rango” – requiere de una cantidad de material más grande que cualquier cosa que pueda llevarse dentro de una nave espacial. Adicionalmente, los rayos cósmicos más pesados que si chocan tienden a separarse en piezas más ligeras con la misma velocidad y de ahí que, con un mayor “rango”.

Aún así, biológicamente, desacelerar algunos tipos de rayos cósmicos los vuelve más dañinos, de manera que es preferible tener estas colisiones. Al contrario, desacelerando los rayos cósmicos más pesados, algunas veces da como resultado menor daño biológico. Por lo tanto, la evaluación de la efectividad de los escudos de protección es un asunto complejo que depende mucho de la composición real de la radiación. Schimmerling acredita al Langley Research Center de la NASA por su trabajo en los finales de los 1980’s sobre cálculos de transportación de radiación que mostraban que los materiales que contienen una alta proporción de hidrógeno son los mejores escudos. Uno de los materiales más prácticos es el polietileno, un polímero de una cadena de carbonos, cada una conectada a dos átomos de hidrógeno – que es el material plástico que encontramos en las tiendas de comestibles y en las cocinas.

Las áreas más importantes a proteger en una nave espacial son los compartimentos de la tripulación, la galería y otras áreas donde la tripulación pasa un tercio o más de su tiempo. (Ver barra titulada The Christmas Radiation Brick.) 'Pero no podemos bloquearlo todo”, continua Schimmerling. 'Después de un 40 o 50 por ciento se alcanza el punto de disminución de resultados”. Si un espesor de protección reduce la intensidad de la radiación en la mitad de la mitad, o una cuarta parte, la tercera capa sólo contribuye un octavo a la protección y así sucesivamente. Por tanto, el siguiente nivel de protección es entender que es lo que sucede en el ámbito biológico cuando la radiación pasa a través de una célula y determinar como ayudar a los sistemas naturales del cuerpo a repararlo. “A la larga, estamos tratando de proveer alguna intervención biomédica”, dice Schimmerling.

'Complicando el asunto de la exposición está el hecho de que no todas las personas reaccionan de la misma manera a la misma dosis”, dice Francis Cucinotta, de la Dirección de Ciencias de la Vida del Johnson Space Center. 'La gente joven es más susceptible al daño porque tienen más años por delante para que se desarrolle el mal y sus células están aún dividiéndose más activamente para reemplazarse a sí mismas. Las mujeres están sujetas a mayor riesgo de cáncer inducido por radiación porque tienen dos órganos sensitivos a la radiación (pechos y ovarios) y una expectativa de vida mayor”.

A medida que la revolución por el entendimiento de la biología continua, está claro que, eventualmente, se encontrarán caminos para mejorar la habilidad de las células dañadas en los cuerpos humanos para que se reparen por sí mismas y para ayudar al cuerpo a deshacerse, por sí mismo, de las células demasiado dañadas para ser reparadas, y entender las diferencias entre individuos que resulten ser menos resistentes a la radiación que otros y desarrollar herramientas para diagnosticar los cambios, tales como los que conducen al cáncer, mucho más temprano, cuando las posibilidades de un tratamiento exitoso son siempre mucho mejores.

Mientras tanto, el cuantificar mejor los riesgos y las exposiciones actuales permitirá a los directores de la NASA determinar cuantas misiones puede llevar a cabo un individuo con seguridad. “Lo que quisiéramos hacer, en términos muy claros, es ser capaces de valorar dentro de un margen apropiado de seguridad la posibilidad que cada astronauta pueda tener tres misiones de 180 días en la ISS”, dice Schimmerling. Este nivel podría ser alcanzado por varones mayores ahora, pero la NASA quiere poder ofrecer iguales oportunidades para las misiones a todos los astronautas. Adicionalmente al siempre importante punto de la seguridad de las tripulaciones de la NASA, el ser capaz de asegurar misiones más extensas y múltiples puede ayudar a la NASA a obtener substanciales ahorros, permitiendo la programación de menos misiones de reemplazo y limitando el tamaño del grupo de astronautas que se necesita para el mantenimiento. Las limitaciones en la carrera son también un punto importante para los astronautas, cuya experiencia duramente ganada no puede ser utilizada por más de una o dos veces en las misiones a la ISS.

Schimmerling espera que la actual revolución en la biología permitirá avances significativos. “¿Puede darles una medicina a la gente para que inspeccione y repare las células?” pregunta. “Existen mecanismos en el cuerpo que ya hacen esto. Sólo que no sabemos cómo lo hacen o cómo utilizarlos para deshacer el daño de la radiación”. Pero otorgando tiempo e investigación – la investigación radiobiológica en la División de Investigación de Bioastronáutica y la investigación de materiales en la División de Ciencias Físicas – los científicos de la OBPR tienen esperanzas de encontrar una respuesta.

Escrito por Dave Dooling para el boletín de noticias de Otoño del 2001 en el Space Research