Las grandes cosas vienen en pequeños paquetes: miniaturizando la detección de compuestos químicos

Las grandes cosas vienen en pequeños paquetes: miniaturizando la detección de compuestos químicos

Por :José Manuel García Estevez

la miniaturización responde a la necesidad de ahorrar espacio en las naves asi como a la necesidad de disponer de diversos aparatos que garanticen su seguridad.

La necesidad de ahorrar espacio a bordo de las naves ha inspirado un espectrómetro de masas miniaturizado que será utilizado para proteger a los astronautas de gases peligrosos y para hacer los detectores químicos más transportables en la Tierra. Una pieza crucial en el equipamiento de seguridad espacial fue encogida desde el tamaño de un frigorífico repleto de electrónica hasta el volumen de una caja de zapatos.

Agosto de 2003: En las vastas extensiones del espacio exterior, el ahorro de “espacio interior” en las zonas habitables para los astronautas ha sido siempre un desafío. Los astronautas son los viajeros más ahorradores: cada parte del equipo que necesitan en sus permanencias prolongadas debe ser lo más compacto posible. Así, la miniaturización es un desafío continuo para los científicos e ingenieros de la NASA.

Un reciente triunfo en ingeniería ha sido el reducir una pieza crucial del equipo de seguridad espacial, un espectrómetro de masas, desde el tamaño de un frigorífico repleto de electrónica hasta el volumen de una caja de zapatos. Haciendo esto, el Investigador Principal Ara Chutjian, jefe del Grupo de Colisiones Atómicas y Moleculares del Jet Propulsion Laboratory de la NASA (JPL, Pasadena, California), y su equipo han desarrollado un espectrómetro de masas cuadrupolo de alta eficiencia que resulta ser el más pequeño y ligero del mundo. Los espectrómetros de masas son esenciales en las misiones espaciales tripuladas para monitorizar el entorno, tanto dentro como fuera de la nave, en busca de toxinas y fugas de fluidos que puedan amenazar la seguridad de los astronautas.|

El espectrómetro de masas cuadrupolo de Chutjian es el corazón de un instrumento llamado Analizador de Trazas de Gas (Trace Gas Analyzer, TGA). El TGA mide 10 x 15 x 20 centímetros (4 x 6 x 8 pulgadas), pesa unos 2 kilogramos (5 libras) y consume sólo 15 vatios de potencia – suficientemente pequeño para ser colocado en la mochila de un astronauta para paseos espaciales y monitorizar el entorno exterior. Chutjian y su equipo están trabajando en una versión para monitorizar también la atmósfera más compleja de la cabina.

El espectrómetro de masas en miniatura de Chutjian fue inspirado por sus esfuerzos para reunir los requisitos de “más rápido, mejor, más barato” del anterior Administrador de la NASA, Dan Goldin. Chutjian dice que su equipo “añadió el corolario ‘más pequeño’ “.

Sus razones para hacerlo más pequeño fueron dobles. “Hay una tendencia general a hacer los sistemas de vuelo [de las naves] mayores – mayores cabinas y más módulos. Pero nosotros argumentamos que la miniaturización de los componentes es otra manera de añadir espacio sin añadir módulos adicionales,” dice. Además, “en misiones a Marte o a los planetas exteriores – tanto sondas no tripuladas como vuelos tripulados de larga duración – la masa, el volumen y la potencia son un lujo. No puedes transportar demasiado de casi nada.”

Hacia de 1992, el equipo de Chutjian ayudó a ponerse de acuerdo a un panel del JPL creado al efecto para hacer una lista de instrumentos que podían ser miniaturizados. “Desde entonces nos interesamos en la óptica de partículas cargadas y en la espectrometría de masas,” recuerda Chutjian, “decidimos que los espectrómetros de masas serían los mejores candidatos.”

De hecho, hay tres espectrómetros de masas en la Estación Espacial Internacional (ISS). “Son sistemas bastante grandes, ocupan varios módulos de equipo electrónico,” hace notar Chutjian. “Pensamos que los tres podrían ser sustituidos por un solo sistema en miniatura que requeriría tal vez sólo un tercio de uno de los módulos de electrónica.”

Un Poderoso Detector

Un espectrómetro de masas es una herramienta poderosa para detectar e identificar trazas de sustancias químicas. Los espectrómetros de masas son sensibles y resistentes, por lo que son ideales para ser usados en entornos extremos.

Un espectrómetro de masas funciona tomando una pequeña muestra de la atmósfera externa, ionizando (quitando los electrones exteriores y por tanto dando una carga) a los componentes gaseosos con un rayo de electrones, y luego analizando la proporción entre carga y masa de las especies iónicas mediante la acción de un filtro de radiofrecuencia. En un espectrómetro de masas cuadrupolo, la muestra es ionizada mediante un voltaje aplicado a cuatro barras paralelas, o polos. Ajustando la proporción entre el voltaje de la corriente continua y la amplitud de la radiofrecuencia dentro del instrumento, los iones de una proporción específica entre carga y masa pueden ser separados de las otras especies cargadas. El espectro de masas resultante, que muestra la proporción entre carga y masa y la abundancia relativa de todas las especies de iones en la muestra, permite a los científicos determinar la identidad de los compuestos de la muestra.

Los espectrómetros de masas cuadrupolos son relativamente robustos y pueden ser usados para una monitorización continua. El desafío de miniaturizar el instrumento consistía en mantener la sensibilidad suficiente para detectar los contaminantes de la nave en sus niveles críticos – un desafío que el TGA ha afrontado con éxito.

El TGA de Chutjian fue desarrollado para examinar el entorno exterior de la nave, donde hay pocos gases. “Lo hemos calibrado [el TGA] para detectar siete tipos de gas. Todo lo que el astronauta tiene que hacer es leer las barras del histograma en la pantalla del instrumento. “ El instrumento muestra un histograma activo; el astronauta lo mira y puede ver cuándo se recoge un máximo en la señal y el momento del máximo para así poder detectar la fuga. El tipo de gas monitorizado puede cambiarse usando interruptores en el panel frontal.

La NASA está específicamente preocupada en lo referente a la monitorización de amoníaco e hidracina en el exterior de la ISS. El amoníaco es usado en la refrigeración de las paredes externas de la estación espacial para mantener una temperatura constante en el interior. (El exterior de la estación puede alcanzar temperaturas tan altas como 121 ºC o 250 ºF y tan bajas como –157 ºC o –250 ºF, dependiendo de la exposición al Sol). Dado que la estación aún está construyéndose, con módulos adicionales que acoplar, los astronautas deben reconducir las tuberías de amoníaco, que están acopladas entre si por uniones de conexión fácil y rápida. Se han encontrado fugas a menudo en estas uniones, y el amoníaco que se pierde puede causar el taponamiento de las uniones por congelación. Los astronautas necesitan una manera de comprobar que las nuevas conexiones no tienen escapes que pongan en peligro el control de temperatura de la estación.

La hidracina, un componente del propelente de los motores que es tóxico para los humanos, está siempre presente fuera de la estación. Puede adsorberse (adherirse) a los trajes espaciales y ser llevado al interior de la estación después de un paseo espacial. Si el TGA alerta a los astronautas de que ha detectado hidracina fuera de la ISS o dentro de sus cámaras de presión, los astronautas pueden tomar medidas para eliminarlo antes de reentrar en la estación.

El TGA fue llevado a la ISS a bordo del Transbordador Espacial Atlantis en Febrero de 2001 y permaneció a bordo de la estación 14 meses antes de ser devuelto a la Tierra. Volará a la ISS de nuevo cuando su construcción prosiga y se requieran nuevas uniones de conexión rápida en las tuberías de amoníaco.

Se requiere: aire limpio

Dentro de la estación espacial (o de cualquier nave), el aire debe ser continuamente examinado con relación a 45 diferentes componentes químicos, incluyendo gases tóxicos tales como monóxido de carbono, benceno y formaldehído. Para este trabajo, el equipo de Chutjian ha desarrollado un cromatógrafo de gases en miniatura para ser acoplado al TGA.

Un cromatógrafo de gases usa un transportador de gas para dispersar una muestra a lo largo de una columna de material especial, diseñado para separar la muestra en varios componentes sobre la base de su tamaño y reactividad química. Cada clase de sustancias químicas – como alcoholes, compuestos aromáticos, o cetonas – sale de la columna en un momento ligeramente diferente y entra directamente en el espectrómetro de masas, que identifica entonces compuestos específicos. Para una mezcla compleja como el aire de la cabina de una nave, la preseparación del cromatógrafo de gases permite al espectrómetro de masas trabajar con un número menor de moléculas en un momento dado, simplificando la tarea de identificar compuestos químicos específicos.

Chutjian y su equipo están trabajando para determinar los límites de la sensibilidad de su sistema cromatógrafo de gases - espectrómetro de masas y si puede detectar y mejorar la detección de los límites de concentración máxima permitida en la estación por un factor de 10, implicando que el instrumento debe ser capaz de detectar contaminantes a concentraciones de un décimo del máximo permisible en la atmósfera de la cabina. Si el nuevo sistema puede hacerlo, Chutjian cree que será un sustituto adecuado de segunda generación para los sistemas más grandes actualmente en uso.

Siempre más pequeño

Chutjian tiene planes posteriores para mejorar el TGA. Después de construir el espectrómetro de masas a partir de piezas comerciales, el equipo descubrió que la parte de electrónica era unas cuatro veces más grande que el propio sistema detector. Chutjian dice, “Ahora el desafío es moverse más allá de la miniaturización continuada del sensor del espectrómetro de masas en si mismo, lo cual podría comprometer la sensibilidad y resolución del instrumento, y en lugar de eso concentrarse en reducir el tamaño de la electrónica.” El primer paso del equipo es reunir el suministro de alimentación en un chip. Chutjian estima que reduciendo el tamaño de la electrónica, lo cual puede llevar dos años, disminuirá el tamaño del instrumento por un factor de tres y el consumo de energía por un factor de dos.

En el Espacio y en la Tierra

Los espectrómetros de masas miniaturizados podrían tener varios usos en la Tierra así como en el espacio. Los instrumentos portátiles podrían ser útiles en aplicaciones como análisis de campo del medio ambiente, datación geológica (datación por carbono), seguridad en centrales de energía (detección de explosivos), actividades antiterroristas (detección de agentes nerviosos, agentes irritantes, y armas de destrucción masiva) y seguridad medioambiental (detección de bifenil policlorado [PCB] y compuestos trazadores de perfluorocarbonos y, potencialmente, pesticidas).

“En este punto, consideramos al espectrómetro de masas como si fuese película en una cámara – en cierto modo, es simplemente el detector”, dice Chutjian. “Ahora el área de interés a desarrollar es la ‘interfase’ – no sólo la cromatografía de gases, sino también los esquemas de ionización tales como la ionización negativa, la ionización de campo, la nanodifusión, y el acoplamiento electrónico a energía cero.” Él cree que las mejoras en estas áreas podrían llevar a mejoras en factores de 10 con relación a la sensibilidad y eficiencia.

Con nuevas interfases para espectrómetros de masas miniaturizados, Chutjian ve usos adicionales en el espacio, no sólo para la detección de compuestos en el aire sino también para la detección en el agua potable de la nave (detectando compuestos volátiles disueltos, tanto orgánicos como inorgánicos) y, finalmente, también para la detección de bacterias perjudiciales (al nivel de células individuales) en superficies.

Aparte de para cuestiones de seguridad humana, la NASA puede también encontrar usos para los espectrómetros de masas en la exploración planetaria. La NASA buscará sistemas de análisis de baja masa, volumen y potencia para misiones a planetas distantes. Chutjian y su equipo están esperando aplicar su trabajo en el vuelo espacial humano al programa robótico – usando estos instrumentos miniaturizados en sondas robóticas para estudiar Marte y Venus, así como para un sobrevuelo de Europa.

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Enlaces a páginas web

Tecnologías avanzadas de soporte humano – El programa OBPR que ha patrocinado este trabajo informa de que Chutjian y su equipo han publicado varios artículos sobre su trabajo: Chutjian, A., et al. (2000). A miniature quadrupole mass spectrometer array and GC for spaceflight: astronaut EVA and cabin-air monitoring. SAE Technical Paper Series 2000-01-2300. Orient, O.J., and Chutjian, A. (2002). A compact, high-resolution Paul ion trap mass spectrometer with electron-impact ionization. Rev. Sci. Instr. 73, 2157. Orient, O.J., Chutjian, A., and Garkanian, V. (1997). Miniature, high-resolution quadrupole mass spectrometer array. Rev. Sci. Instr., 68, 1393.
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Autor: Julie K. Poudrier
Editor: SpaceResearch Editorial Board