Materiales en ITER


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales e investigadora en CIEMAT

Esta entrada hace referencia a ITER, uno de los mayores proyectos científicos, en el que intervienen varios países. Su objetivo es demostrar que es posible la fusión nuclear y que se puede aprovechar de una manera comercial. El reactor de fusión ITER que se está construyendo actualmente en Francia alcanzará su “primer plasma” en 2025, cinco años después de lo previsto.

El objetivo es generar energía de un modo similar al que se genera en el sol, mediante la fusión de dos núcleos de hidrógeno para generar helio: dos núcleos atómicos se unen para dar lugar a otro núcleo con mayor masa. Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón) y energía.

Reacción de fusión

Por lo tanto el combustible para los reactores de fusión será una mezcla de deuterio y tritio. Este combustible se calentará a millones de grados formando un plasma caliente. El dispositivo central del ITER es un tokamak, es decir el plasma se confina magnéticamente en una cámara de vacío toroidal. Los fuertes campos magnéticos son producidos por bobinas superconductoras que rodean la cámara.

La elección de los materiales para ITER ha sido una tarea complicada y controvertida. Hay que tener en cuenta la complejidad de la operación y los múltiples factores que hay que estudiar para validar su uso en ITER. La evolución de la microestructura en un reactor de fusión puede llevar a la degradación de las propiedades físicas: disminución de la conductividad térmica y eléctrica y degradación de las propiedades mecánicas. La formación de gas puede causar un hinchamiento macroscópico del material, dando lugar a una pérdida de estabilidad dimensional. Estos efectos son los principales factores que limitan la elección de los materiales candidatos para los reactores de fusión. Además de una buena resistencia al daño por radiación, los materiales deben mostrar alta capacidad de resistencia térmica, larga vida útil, alta fiabilidad y fabricación sencilla con un coste razonable.

Sección transversal de la vasija del ITER y componentes más importantes

Vasija de vacío

 La vasija de vacío es  una estructura de doble pared con forma de toroide de acero en cuyo espacio interior se confina el plasma, confinado mediante intensos campos magnéticos producidos por bobinas superconductoras. La primera pared se fabricará de berilio. A continuación habrá una pared  de cobre para  refrigerar el berilio y todo ello estará acoplado a una estructura de acero inoxidable.

Este componente proporciona una barrera adecuada para la generación y el mantenimiento de vacío, necesario para limitar la cantidad de impurezas dentro del plasma. Actúa como escudo contra los neutrones y consta de diversas aperturas para los sistemas de calentamiento, equipos de vacío o refrigeración y puertos de control del plasma.

Divertor

La parte inferior, el divertor, estará constituido por una serie de piezas desmontables que tendrán contacto directo con el plasma. Se encargará de limpiar el plasma de impurezas, como pueden ser las que se produzcan por la interacción entre el plasma y la primera pared. Esta parte del reactor es la que tendrá que aguantar la mayor carga energética de toda la vasija de vacío y para ello se recubrirá de wolframio. Estos elementos se encuentran rodeados por una gran estructura de acero, el criostato, que mantiene el conjunto térmicamente aislado.

Sistema magnético

 

Para confinar el plasma se utilizan campos magnéticos producidos por varios electroimanes incluyendo un solenoide central alrededor de la vasija. Se espera que sea necesario un campo magnético elevado, por lo que los solenoides (o bobinas) de los electroimanes se construyen con materiales superconductores y para conseguir la superconductividad están refrigerados por helio líquido a –268,5ºC mediante bombas de circulación que operan a temperaturas criogénicas.

Sistemas de instrumentación de ITER

Hay una serie de sistemas de instrumentación que son necesarios para lograr tener plasma en el interior del reactor y para el correcto funcionamiento de los componentes de ITER. Entre ellos destacamos los sistemas de diagnóstico. Estos sistemas usan mayoritariamente materiales cerámicos como elementos aislantes en cables, bobinas, sondas y pasa-muros o como medio de transmisión para señales ópticas y magnéticas.

Breeder blanket

No es objetivo de ITER el uso de un manto fértil (generador de tritio por bombardeo neutrónico del litio), pero habrá módulos de prueba para probar la generación de tritio al final del proyecto candidatos a ser usados después en el proyecto DEMO (siguiente paso tras el proyecto ITER). Este elemento es clave para el proceso de fusión, puesto que deberá autogenerar la cantidad de tritio necesaria para el funcionamiento del reactor, haciendo viable la fusión como fuente de energía.

El tritio, que apenas está presente en los recursos naturales, se obtiene mediante la reacción nuclear de un medio que contiene Li con los neutrones rápidos procedentes del plasma.

El manto (blanket) consiste en una serie de módulos con un sistema de anclaje mecánico que permite su unión con la vasija de vacío y cuyas principales funciones son la protección para los electroimanes y demás elementos contra las altas temperaturas y la radiación, además de ser el elemento donde se frenan los neutrones, transformándose su energía cinética en calor, que será recogido por el sistema de refrigeración.

El acero que se va a emplear como material estructural de estos módulos es el acero inoxidable 316LN y se harán pruebas con el acero ferrítico/martensítico Eurofer.

Para ITER se han propuesto varios tipos diferentes de envolturas con distintos materiales:

Ciclo del Tritio en un reactor de fusión

Fuentes en la web:

http://www.iter.org/ (Web del proyecto ITER)

http://fusionforenergy.europa.eu/

http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2016/05/03/133018

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Los materiales de las Olimpiadas


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales e investigadora en CIEMAT

Con motivo de las Olimpiadas de Río de este verano, en esta entrada hemos querido hablar de la importancia que tienen los materiales, ya sea de los trajes de los deportistas o de los útiles que se utilizan en los mismos. La introducción de nuevos materiales en algunos deportes ayudó a batir records, cambió la forma de practicar dicho deporte y, lo más importante, mejoró la seguridad de los deportistas. Aunque son muchos los materiales utilizados dada la diversidad de los deportes, aquí presentamos algunos de los casos más controvertidos.

Trajes de baño de poliuretano que baten records

En 2010 la Federación Internacional de Natación (FINA) prohibió los trajes confeccionados con poliuretano y desde entonces no se pueden utilizar trajes enteros. Este material, empezó a usarse en 2008, en forma de placas, permitiendo que los nadadores que usaban bañador fabricado con ese material mejoraran sus marcas de un modo considerable (en 18 meses se rompieron más de 100 récords de natación), que hizo replantearse su uso. El Poliuretano, se basa en la combinación de dioles (HO-R-OH) y diisocianatos (NCO-R’-NCO). Los dioles proporcionan un carácter elástico, flexible y tenaz al material, que es menos denso que el agua. Esto hace que ofrezca mayor flotabilidad. Además los trajes se fabricaban con una estructura que presionaba al cuerpo en la posición central facilitando al nadador adquirir una posición más hidrodinámica.

Phelps ganó ocho medallas de oro en Beijing 2008 vistiendo el bañador con poliuretano.

Balón Jabulani: reaprender a jugar

Ingenieros de la Universidad de Loughborough, en Reino Unido, diseñaron el balón Adidas Jabulani, oficial en la Copa Mundial de la FIFA en Sudáfrica. El balón Jabulani se moldea a partir de paneles de etileno-acetato de vinilo y otros materiales como poliuretanos termoplásticos, otro grupo de plásticos flexibles. Los ocho paneles que lo forman están unidos térmicamente en lugar de ser cosidos. El resultado es la redondez muy cercana a la de una esfera perfecta. Pasó cuatro años de pruebas, como por ejemplo de lanzamiento en un túnel de viento para ver cómo la pelota respondía a inestabilidades aerodinámicas. Se investigó cómo la anchura de la ranura, la profundidad y la forma pueden afectar a las fuerzas aerodinámicas laterales. El diseño final introduce una nueva textura, marca registrada como “Grip ‘n’ Groove”, y un nuevo proceso de fabricación. Según los investigadores, es una pelota que viaja 5% más rápido que las anteriores. Sin embargo los jugadores expresaron la impredecibilidad del objeto en el aire, sus piques extraños al caer al suelo, demasiada ligereza y trayectorias irregulares. Finalmente, la marca Adidas desarrolló nuevos modelos.

Balón Adidas Jabulani.

Materiales en las raquetas de tenis

La evolución de los materiales en algunos deportes, ha hecho cambiar la forma de juego. Un buen ejemplo es el tenis. Al principio las raquetas se fabricaban de madera y eran menos manejables. Al ser el marco más pesado, el tamaño era menor, lo que hacía muy importante la técnica. Al ir variando los materiales hasta llegar a las de material compuesto (con refuerzo de fibra de carbono o incluso de titanio y otros refuerzos adicionales como partículas cerámicas) de hoy cuyo peso se ha visto reducido notablemente, la fuerza aplicada es mayor y el juego es más rápido y dinámico.
Resumiendo rápidamente, la evolución de los materiales: la madera se usaba en las primeras raquetas siendo la más común la de fresno. El principal problema era el peso y la poca durabilidad. Por ello se introduce el acero que le da más durabilidad y rigidez, pero sigue siendo muy pesada. En los años 1970 se introduce el aluminio, lo que hace que sean más ligeras. En la década de 1980 llegaron las raquetas de material compuesto, con refuerzo de fibra de carbono. Estas raquetas eran más ligeras y resistentes, pero caras para el público general. Mezclando la fibra de carbono con la de vidrio se logró disminuir el precio. A finales de la década de 1990 aparece con fuerza el empleo de titanio, muy resistente y ligero.

Raqueta de madera y moderna raqueta de titanio.

Accidentes que cambiaron los materiales en esgrima

Vladimir Smirnov, esgrimista que participó en las olimpiadas de Moscú en 1980 ganando tres medallas, murió trágicamente en los mundiales de Roma 1982 cuando la hoja del florete de su oponente se rompió, está rompió la máscara de Vladimir penetrando en su ojo hasta llegar al cerebro. Este trágico suceso y otros accidentes provocaron cambios en los requisitos de seguridad de este deporte. Principalmente afectaron a los materiales con los que se fabricaba el traje, que pasó a ser de kevlar o nylon, y a los de las espadas que dejaron de fabricarse de acero al carbono.
Para encontrar el material perfecto para estas hojas hay que tener en cuenta que están sometidas a esfuerzos de flexión e impacto altos que generan tensiones en su superficie durante el combate. El proceso de fabricación de una hoja de esgrima debe realizarse según normas FIE teniéndose que doblar 250º, en lugar de los 40º del periodo anterior, antes de romperse. La hoja deber ser remplazada después de cualquier pliegue en V aunque no esté rota.
El acero maraging es el utilizado hoy en día para estas hojas, su precio es muy elevado pero las prestaciones son superiores a las del acero al carbono. Es un tipo especial de acero con alto contenido de níquel. En su procesado se incluye un enfriamiento rápido (templado) que permite obtener una estructura dura conocida como martensita. La ductilidad y tenacidad de esta martensita es el resultado de su bajo contenido de carbono que es inferior a 0.03%. Este material es reforzado con componentes intermetálicos cono Ni3Ti y Ni3Mo que precipitan alrededor de 500ºC para causar el endurecimiento produciendo características únicas de dureza.

Esgrimista produciendo la flexión de la hoja de su espada. Imagen del VI Campus Internacional Esgrima, Almería 2013 (adaptado de www.blog.esgrimamurcia.com).

Materiales de las medallas olímpicas

Para terminar la entrada con la alegría que acompaña a los ganadores olímpicos, hablaremos del material de las medallas olímpicas. La medalla de oro, desde las olimpiadas de Estocolmo en 1912 ya no se fabrica en oro, sino de una aleación de oro, plata y cobre (1,34% de oro, 92,5% de plata y el resto de cobre). La medalla de plata, sí es fundamentalmente de plata (92,5% de plata y 7,5% de cobre u otro material mejor valorado como el bronce.) El bronce es una aleación metálica de cobre y estaño, en la que el estaño supone típicamente entorno al 12% del material. La medalla de bronce tiene un pequeño contenido de estaño, ya que se compone de un 97% de cobre, un 2,5% de zinc y un 0,5% de estaño.
Las de Río 2016 pesan en total unos 500 gramos, son las más pesadas de la historia olímpica y las más grandes, realizadas así para hacerlas más visibles.
Las medallas de oro tienen un precio aproximado de 500 euros, aunque su valor real es mucho mayor para el deportista o para coleccionistas que después las compran. Como curiosidad en estas olimpiadas de Río 2016, la cinta de la que cuelgan esta realizado de un plástico procedente de botellas de plástico.

Anverso y reverso de las medallas de los Juegos Olímpicos de Río 2016.

Enlaces

- Juegos Olímpicos de Río, www.rio2016.com.

- Proceso de fabricación de las medallas:  https://www.youtube.com/watch?v=8SDI_MqtmWQ.

- Bañadores de poliuretano: http://aislaconpoliuretano.com/el-poliuretano-en-nuestra-vida-los-banadores-de-poliuretano.htm

- Proceso de fabricación del balón Adidas Jabalani: https://www.youtube.com/watch?v=zbLjk4OTRdI&NR=1.

 

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Materiales para un ascensor espacial


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

Aún no disponemos de los materiales que permitan construir un ascensor espacial para conectar la superficie de la tierra con una órbita geoestacionaria.
Es una idea que investigadores de todo el mundo han tenido en mente desde hace tiempo, sin haber encontrado aún una solución práctica para llevarlo a cabo. En 1895, Konstantin Tsiolkovski, en su libro “Especulaciones sobre la Tierra y el cielo”, calculaba que en extremo de una torre cuya altura fuese unos 36000 km los cuerpos parecerían no tener peso, como ocurre con los astronautas en el interior de estaciones que orbitan la Tierra. La altura de 36000 km corresponde a la de las órbitas geoestacionarias, en las que se sitúan la mayoría de satélites. En 1960, el ingeniero ruso Yuri Artsutanov, en un artículo titulado “Al espacio en una locomotora eléctrica” explicaba que los astronautas usarían una nave de propulsión eléctrica que subiría en días al espacio, guiada por un cable como si fuera un raíl aunque reconocía que la resistencia a la tracción que debía tener el material utilizado para su construcción hacía imposible su realización práctica.

Artículo de 1960 de Yuri Artsutanov proponiendo ascensor espacial (1).

Esta idea es recurrente en ciencia ficción. Aparece por ejemplo en la franquicia de videojuegos “Halo” y en el libro “Los viajes de Tuf” del escritor de “Canción de hielo y fuego”, George R. R. Martin.

Un ascensor espacial tendría una masa contrapeso a una altura mayor de la órbita geoestacionaria, lo cual permitiría mantener de forma estable el cable, evitando que se enrollara sobre la Tierra debido al movimiento de rotación de nuestro planeta. Para mantener el equilibrio de la estructura, se situaría el anclaje en algún punto lo más cerca posible del ecuador, para minimizar los efectos de tensión por la diferencia entre la rotación de la Tierra y la órbita geosincrónica del ascensor. Una vez instalado el cable en su lugar, podrían subir y bajar por él naves y cargas a un coste relativamente más barato que el que supone actualmente el lanzamiento de una nave.

Esquema de un ascensor espacial.

Existe un informe publicado por la Academia Internacional de Astronáutica (IAA) en el que se expone que los ascensores harían más viable y segura la exploración espacial. Las cabinas ascenderían por el cable a una velocidad de unos 200 kilómetros por hora, por lo que serían necesarios unos siete días para recorrer la distancia total del ascensor. Menos tiempo y más barato que propulsar una nave hasta la ISS.

El problema infranqueable llegó al buscar un material que pudiera resistir la fuerza de tracción que aparecería en el cable. Se ha estimado que la tensión podría ser de unos 50 GPa, muy superior a la resistencia de los materiales estructurales actuales. Con el descubrimiento del grafeno y el desarrollo de los nanotubos de carbono se pensó que se podría haber encontrado el candidato perfecto. La resistencia de una malla de nanotubos de carbono, de un átomo de espesor, es de 100 GPa.

Formación de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracción. (a) Situación inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formación del defecto (5-7-7-5). Simulación usando dinámica molecular. (Para más detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).

Nanotubos de carbono con defectos (2).

El problema al pensar en emplear estos materiales a base de carbono para construir un cable es que un pequeño defecto en la malla de átomos puede reducir las propiedades considerablemente (2). Este mismo año, se ha publicado en la revista ACS Nano un estudio de la Universidad Politécnica de Hong Kong donde han introducido defectos en una estructura de nanotubos de carbono y han observado ese detrimento en las propiedades (3).

De momento, podemos conformarnos con proyectos de empresas como Thoth Technology que ha patentado un modelo de ascensor que llegaría hasta 20 km sobre la superficie de la Tierra con una estructura parcialmente inflable (4).

Más información sobre ascensores espaciales en la ref. (1).

Referencias y enlaces:

1. www.spaceward.org.
2. Manuel Elices 2012, “Nanomateriales (3): la fibra ideal”, Blog materiales al día
3. Liyan Zhu, Jinlan Wang, and Feng Ding 2016, ”The Great Reduction of a Carbon Nanotube’s Mechanical Performance by a Few Topological Defects”, ACS Nano, 2016, 10 (6), pp 6410–6415.
4. Ver noticia en http://thothx.com/news-2/.
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La Instalación Internacional de Irradiación de Materiales


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

En esta ocasión queremos acercar a los lectores del blog hasta la Instalación Internacional de Irradiación de Materiales, IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility), que es una instalación de pruebas para materiales candidatos para el futuro prototipo de reactor de fusión nuclear DEMO (Demonstration Power Plant), proyecto que en torno al año 2030 sucederá al ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Por lo tanto, es una instalación de enorme interés para las personas que trabajamos en el desarrollo de este tipo de materiales.
IFMIF generará un flujo de neutrones con una energía alrededor de 14 MeV, gracias a dos aceleradores de deuterones paralelos, para obtener condiciones de radiación comparables a los de la primera pared de un reactor de fusión. El proyecto IFMIF se inició en 1994 como un programa de investigación científica internacional, llevado a cabo por Japón, la Unión Europea, Estados Unidos y Rusia, y está gestionado por la Agencia Internacional de la Energía.

En DEMO, como en las futuras centrales de fusión, las reacciones de fusión nuclear de deuterio y tritio generarán una gran cantidad de neutrones con una energía de 14.1 MeV, que chocarán con los materiales de la vasija del reactor. El estudio de la degradación de las propiedades mecánicas de los materiales a lo largo de la vida útil del reactor es un parámetro clave en el diseño que conducirá a diseñar componentes más resistentes a la radiación.

Esquema de la instalación (fuente: IFMIF)

Las principales contribuciones que se esperan de IFMIF se pueden resumir en lo siguiente:

• proporcionar datos para el diseño de DEMO y futuros reactores de fusión.
• contribuir a la selección o la optimización de los diferentes materiales de fusión centrándose principalmente en la respuesta a la radiación.
• Pruebas de materiales funcionales complementarios a los materiales para ITER.

Los interesados en obtener más información pueden consultar las páginas de la web del centro: www.ifmif.org

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Teslaforesis


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

Nikola Tesla es uno de los científicos e inventores más influyentes en la historia de la ciencia y uno de sus grandes sueños era la transmisión de energía sin necesidad de usar cables, igual que la transmisión de información en el caso de la radio. En 1891 patentó la bobina de Tesla, un tipo de transformador resonante compuesto por una serie de bobinas de Tesla que crean diferencias de potencial muy elevadas, produciendo producir descargas eléctricas con un alcance del orden de varios metros.

Científicos de la Universidad Rice, dirigidos por el investigador Paul Rice Cherukuri, han llevado al campo de la nanotecnología la bobina inventada por Tesla. Aplicando el campo electromagnético generado por una bobina Tesla a nanotubos de carbono, estos se autoensamblan en cables largos formando una red. A este fenómeno lo han llamado “teslaphoresis”. La bobina de Tesla genera un campo eléctrico que oscila y que hace que las cargas positivas y negativas de cada nanotubo oscilen y atraigan a las de los nanotubos cercanos siendo el resultado que la materia forme cables y transmita electricidad sin tener que tocarla.

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Fig. 1. (A) Nanotubos son atraídos a la fuente de un campo Tesla en uno de los laboratorios de la Universidad de Rice. (B) El material se autoensambla en hilos y es capaz de alimentar circuitos LED (Figuras adaptadas de la ref. 2).

Como se observa en el experiemento, la corriente alterna de la bobina polariza las piezas de nanotubos, que se alinean de inmediato y forman cadenas y conectándolos a LEDs son capaces de transmitir una corriente eléctrica a ellos.

El equipo dirigido por Paul Rice Cherukuri acaba de publicar sus resultados en la revista ACS Nano.

Referencias:

1. Artículo en la revista ACS Nano.

2. Noticia en la web de la Universidad de Rice.

3. Vídeo del experimento.

 

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Material para detectar alimentos en mal estado


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

El desarrollo de materiales funcionales flexibles, utilizando componentes orgánicos, permite obtener dispositivos electrónicos apropiados para aplicaciones en las que su deformabilidad es importante, como es el campo biomédico.

En el blog nos hacemos eco de la noticia de que un grupo de investigadores de la Universidad de Yamagata en Japón han desarrollado un pequeño dispositivo capaz de identificar la descomposición de los alimentos, lo que evitaría posibles casos de intoxicación por mal estado de los alimentos.

El dispositivo de pocos centímetros de longitud se fabrica por impresión de un material semiconductor sobre un sustrato plástico. Este sensor funciona detectando la histamina, sustancia que se forma durante el proceso de descomposición de la carne y de los alimentos en general.

Imagen del dispositivo (adaptado de la ref. 2).

Este dispositivo aún es un prototipo pero se espera que se comercialice en unos tres años, además se investiga como integrarlo en envoltorios de alimentos para que sean estos envoltorios los que detecten de manera automática el estado de los alimentos.

Referencias:

1. Página web del Prof. Tokito.

2. Noticia en Nikkei Asian Review.

 

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The materials of the Moon


By G.R. Plaza (UPM)

(English version of the post “Los materiales de la Luna“)

The view of the Moon delights us in unclouded nights. We can see its non-homogeneous surface: the different reflexion properties of the brighter and darker regions have made us to imagine on it a face or other images. Besides, we are surprised by these differences and we wonder what the materiales that reflect the Sun light so differently are.

The first astronomers could imagine that the dark regions were seas of water. Moreover, it was easy to guess that the impressive craters had been produced by the impacts of large objects. Those craters and the cracks on the Moon surface, and also the dark seas, make the extremely beautiful visage. It can be observed in great detail by using, for instance, a photography camera equipped with a teleobjective (see figure 1). Along the history, the astronomers have identified and named the myriad of craters and the seas.

Figure 1. The Moon viewed from Madrid, two days before the full Moon (G.R. Plaza, August 2015).

The seas of the Moon don’t contain water and their darker color is due to their composition. The rocks originated from volcanoes that existed in the Moon a long time ago remain in the seas. By progressive cooling, the lunar volcanoes have lost their activity. Eruptions took place sometimes after the impacts of asteroids or meteoroids. The rocks of volcanic origin, which are basaltic, are darker than the rocks on the lunar crust which form the bright regions. On the lunar seas landed the first vehicle that succesfully got a soft landing (Luna 9, de la URSS, en 1966) and the first humans of the Apollo 11 mission (landing at Sea of Tranquility, 1969). The Apolo 11 mission brought more than 20 kg of lunar samples back to Earth. Those samples and the samples from subsequent expeditions have allowed us to establish the composition of the lunar dust and surface rocks: essentially silicon, aluminum, calcium, iron, magnesium titanium an sodium oxides. Distributed by the US government as gifts, lunar samples are kept in many North-American cities and in various countries.

The similar proportion of oxygen and tungsten isotopes in the lunar and terrestrial minerals, the density of the Moon (lower than the average density of the Earth but similar to the terrestrial mantle), and also the possible explanations for the origin of the Earth-Moon system, have convinced the astronomers that the Earth and the Moon were initially a single object. The most accepted theory is that the separation occurred after a great impact, during the first epoque of the Solar System. That impact produced a ring of debris orbiting around the nascent Earth. The calculations of this model  predict that the debris would have formed the Moon in a few years and, moreover, that most of the material in the new satellite would be initially molten, as a magma. All the lunar rocks are igneous, formed through the cooling of the magma, slowly or more rapidly at the seas.

The fragments of rocks and dust on the lunar surface are called regolith and derive from the rocks. They are the products of variuos rupture mechanisms, including:

 

Impacts of asteroids and meteoroids and volcanoes have drawn the beautiful shapes on the lunar surface, stimulating our imagination. The Moon shows us its old wounds, which have remained unaltered during some billions of years. The Earth had similar wounds and now they are attenuated or cleaned by the displacements and deformation of the tectonic plates, eroded by atmospheric of hydrological agents and by the action of living beings.

 

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* Similarly, tides on the Earth dissipate energy by the friction of materials and the movement of water. Slowly, this dissipation of energy slows down the rotation of the Earth, which would reach a stable rotation period by keeping the same face in front of the Moon, if there were not other changes in the Solar System.

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Los materiales de la luna


Por G.R. Plaza (UPM)

En las noches de cielos despejados, no deja de maravillarnos la visión de la Luna, en la que a simple vista podemos observar una superficie no homogénea: las zonas que reflejan la luz del Sol de forma diferente ha hecho que a lo largo de la historia hayamos visto en ella una cara u otras figuras, y también que nos hayamos preguntado por los materiales que la forman y las razones de las diferencias de brillo.

Los primeros astrónomos pudieron imaginar que las zonas oscuras eran mares de agua. Además fue fácil deducir que los impresionantes cráteres que se observan en la superficie corresponden a impactos de grandes cuerpos. Dichos cráteres y las grietas en la superficie lunar, así como sus oscuros mares, forman una imagen de extremada belleza que se puede observar con gran detalle, por ejemplo, empleando una cámara fotográfica con un teleobjetivo (ver figura 1). A lo largo de la historia, los astrónomos han identificado y dado nombre a los diferentes cráteres y mares lunares.

Figura 1. La luna vista desde Madrid, dos días antes de la fase de luna llena (G.R. Plaza, agosto de 2015).

Los mares de la superficie lunar no son realmente mares de agua y su aspecto más oscuro es debido a la diferencia de composición. En estos mares han quedado las rocas formadas a partir de lava de volcanes que hubo en la luna, si bien, por enfriamiento progresivo, ya ha perdido la actividad volcánica. Las erupciones acontecieron a veces a partir de los cráteres de impactos de meteoroides o asteroides. Las rocas de origen volcánico, basálticas, son más oscuras que las de la corteza lunar que vemos como más brillantes. En los mares alunizaron el primer vehículo espacial que consiguió un alunizaje suave (Luna 9, de la URSS, en 1966) y los primeros humanos en el Apollo 11 (alunizaje en el Mar de la Tranquilidad, 1969). La misión del Apollo 11 incluso trajo a la Tierra algo más de 20 kg de muestras de la superficie lunar. Las muestras lunares de esta expedición y de las expediciones posteriores han permitido establecer la composición de los restos de rocas y polvo lunar: esencialmente óxidos de silicio, aluminio, calcio, hierro, magnesio, titanio y sodio. A partir de regalos del gobierno de EE.UU., actualmente se conservan muestras en numerosas ciudades norteamericanas y en muchos países. Pueden visitarse por ejemplo en el Museo Naval de Madrid, en el museo Universum de México o en el Museo Nacional de Historia Natural de Santiago de Chile.

La similitud en la proporción de isótopos de oxígeno y wolframio en los minerales lunares y terrestres, la densidad de la Luna (menor a la densidad media de la Tierra pero similar a la del manto terrestre), así como las posibles explicaciones a la formación del sistema Tierra-Luna, han hecho que los astrónomos estén convencidos de que inicialmente la Tierra y la Luna fueron un solo cuerpo, y la teoría con mayor aceptación es que la separación se produjo a partir de un gran impacto, durante la etapa de formación del Sistema Solar. El impacto dio lugar a un anillo de restos orbitando alrededor de la Tierra naciente. Los cálculos de este modelo predicen que los restos habrían formado la Luna en unos pocos años y, además, que la mayor parte del material del satélite estaría inicialmente fundido, formando un magma. Los astrónomos aún buscan nuevas pruebas experimentales de los detalles de esta teoría. Todas las rocas de la luna son ígneas, formadas a partir de la solidificación del magma, lentamente o a mayor rapidez en el caso de la lava en los mares.

Los fragmentos de rocas y polvo que se acumulan en la superficie lunar se denominan regolito y derivan de las rocas. Son productos de diversos mecanismos de rotura de las rocas, incluyendo los siguientes:

 

Impactos de asteroides y meteoroides y volcanes han dibujado las bellas formas de la superficie lunar, alentando nuestra imaginación. La luna nos permite estudiar en detalle sus antiguas heridas, que a grandes rasgos han permanecido inalteradas durante miles de millones de años, tras el periodo de formación de cráteres y de bombardeo por grandes asteroides. Las mismas antiguas heridas tuvo la Tierra y aparecen actualmente atenuadas o borradas por el desplazamiento y deformación de las placas tectónicas, por la erosión de los agentes atmosféricos e hidrológicos y por la acción de los seres vivos.

 

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* De la misma forma, las mareas en la Tierra disipan energía por la fricción de los materiales y el desplazamiento del agua en los océanos y poco a poco se ralentiza la rotación de la Tierra, que acabaría con la misma cara enfrentada a la Luna si hubiera tiempo antes de que se produzcan otros cambios en el Sistema Solar)

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Estañeno: primeros trabajos para fabricar el nuevo hermano del grafeno


Por G.R. Plaza (UPM)

En el grafeno, los átomos de carbono forman una red bidimensional (ver figura 1) con excelentes propiedades eléctricas y resistencia mecánica. La demostración en 2004 de que era posible fabricarlo despertó un enorme interés y propició que actualmente numerosos grupos trabajen en el desarrollo de aplicaciones de dicho material. Después del grafeno, se han obtenido otros materiales con una estructura bidimensional de panel de abeja como la del grafeno, incluyendo el siliceno (con átomos de silicio), fosforeno (fósforo), germaneno (germanio) y también diferentes combinaciones de láminas.

Figura 1. Representación de una lámina de grafeno, esto es, una lámina formada for átomos de carbono, con un espesor de un átomo.

Recientemente, también se ha predicho la posibilidad de producir láminas bidimensionales de átomos de estaño y que este material, estañeno, tendría excelentes propiedades de conducción de corriente eléctrica sin disipación de calor (ref. 1). Según las predicciones teóricas, el estañeno podría presentar estas propiedades eléctricas a temperatura ambiente, lo que le convierte en un material realmente especial. Este mes se ha publicado un trabajo experimental (ref. 2), llevado a cabo en la Universidad Jiao Tong de Shangái (China) y dedicado a la obtención de estañeno. Para ello, los investigadores vaporizaron átomos de estaño y permitieron que se depositaran sobre un sustrato de telururo de bismuto.

A pesar del avance significativo que ha supuesto este trabajo, ha resultado controvertido (ref. 3), puesto que no está claro que la estructura obtenida sea estañeno.  Además, tampoco se han podido comprobar las buenas propiedades de conducción eléctrica predichas teóricamente, si bien se aduce que ello es debido a que el sustrato de telururo de bismuto no es el adecuado. Por tanto, estos pueden ser los primeros pasos del material que podría mejorar muy significativamente el rendimiento de dispositivos eléctricos (al reducir drásticamente la disipación de calor) y son necesarios ahora nuevos trabajos experimentales para confirmar experimentalmente la fabricación del material y sus excelentes propiedades.

Referencias:

1. Yong Xu, Binghai Yan, Hai-Jun Zhang, Jing Wang, Gang Xu, Peizhe Tang, Wenhui Duan, Shou-Cheng Zhang. “Epitaxial growth of two-dimensional stanene”. Physical Review Letters (2013), 111, 136804. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.136804

2. Feng-feng Zhu, Wei-jiong Chen, Yong Xu, Chun-lei Gao, Dan-dan Guan, Can-hua Liu, Dong Qian, Shou-Cheng Zhang, Jin-feng Jia. “Epitaxial growth of two-dimensional stanene”. Nature Materials (2015) DOI: 10.1038/nmat4384

3. Chris Cesare. “Physicists announce graphene’s latest cousin: stanene”. Nature (2015), 524, 18. DOI: 10.1038/nature.2015.18113

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Actividades en ciencia e ingeniería de materiales en el campus de la UPM durante este mes de abril 2015


Las próximas semanas tendrán lugar las siguientes actividades, que pueden resultar especialmente atractivas para los interesados en el campo de la ciencia e ingeniería de materiales:

Confiamos en que las actividades serán de interés para los seguidores del blog.

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Categorias: Autor: G.R. Plaza