Hace algunos días, la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) anunció los resultados del concurso del Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (Fondecyt), donde la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN) se adjudicó dos proyectos, como institución principal, y tres donde actúa como coautora.
El Director Ejecutivo (S) y jefe de la División de Investigación y Aplicaciones Nucleares, Dr. Luis Huerta, aplaude con entusiasmo la incorporación de estos proyectos financiados por la ANID: “Ello demuestra el reconocimiento de los pares de la comunidad científica de que estos proyectos y sus responsables tienen todo el potencial para generar nuevo conocimiento, algunos además con impacto en problemas que la sociedad necesita abordar y resolver. No tengo duda que sus autores sabrán desarrollarlos al mejor nivel, con lo cual la CCHEN demostrará el potencial que alberga en sus laboratorios”.
A continuación, te contamos en qué consiste cada uno.
Medidas de fondo de neutrones cósmicos
El proyecto “Cosmic Ray Neutron Spectroscopy and Local Variables Simultaneous Measurements Studies Throughout Chile” (“Medidas simultáneas de espectroscopía de neutrones provenientes de rayos cósmicos y de variables locales a lo largo de Chile” en español) se desenvuelve a lo largo de todo el país y se basa en una muy interesante relación entre la aparición de neutrones de origen cósmico y las propiedades del medioambiente, el suelo y el aire, en un determinado lugar.
De esta manera, conocer el número y espectro de energías de los neutrones detectados – neutrones cuya fuente son los rayos cósmicos que al interactuar con la atmósfera los generan como producto- y variables locales, como la temperatura ambiente, la presión atmosférica, la humedad relativa del aire, la humedad del suelo, la velocidad del viento, la acumulación de nieve e, incluso, la composición del suelo.
Con este estudio se espera realizar correcciones a las medidas que proveen los monitores de neutrones ubicados alrededor del mundo, utilizados para medir indirectamente la incidencia de rayos cósmicos en la atmósfera terrestre y con ello estudiar la actividad solar y un amplio dominio de fenómenos asociados a las partículas elementales del universo. La evidencia muestra que la tasa de conteo de estos monitores puede verse afectada por las variables locales mencionadas, que implican una disminución de los neutrones de energías menores.
“Al relacionar las variables locales con una medida espectroscópica de neutrones, esperamos diseñar un pequeño espectrómetro compuesto de tres detectores eficientes en la región térmica, epitermica-rápida y de alta energía, que evidencie estas variaciones locales y pueda corregir las medidas realizadas por los monitores de neutrones”, comentó el Dr. Francisco Molina,
investigador principal del proyecto, y director del Centro de Investigación en Física Nuclear y Espectroscopía de Neutrones (CEFNEN) de la CCHEN.
Para efectuar las mediciones se desarrollarán diez campañas experimentales, que abarcarán 31 puntos de Arica a Magallanes, para aprovechar la diversidad geográfica, geológica y climatológica de Chile.
Junto al Dr. Molina trabajará, como coinvestigador, el Dr. Marcelo Zambra, también del CEFNEN de la CCHEN. Además, para la ejecución de las campañas experimentales, investigadores de variadas disciplinas, como Meteorología, Física de Altas Energías, Electrónica, Física Médica, Ciencias de Materiales, Gravitación, Física Nuclear Teórica, Astronomía, Física Atómica y Física Nuclear Experimental, de distintas universidades e instituciones del país, apoyarán la fase de mediciones.
Comportamiento de sistemas complejos
Otro de los proyectos adjudicados se titula “Bayesian Statistical Mechanics: Theory and Computational Tools for Nonequilibrium Systems with Long-Range Interactions” (“Mecánica Estadística Bayesiana: Teoría y herramientas computacionales para sistemas fuera del equilibrio con interacciones de largo alcance” en español).
Su investigador principal es el Dr. Sergio Davis, del Centro de Investigación en la Intersección de Física de Plasmas, Materia y Complejidad (P2mc) de la CCHEN, y su coinvestigador es el Dr. Joaquín Peralta, de la Universidad Andrés Bello.
Mediante el desarrollo de modelos teóricos y de simulación computacional, se estudiará el comportamiento de sistemas complejos cuyos componentes presentan correlaciones de largo alcance. Eso quiere decir que son sistemas imposibles de separar en regiones desconectadas una de otra; cada parte depende inseparablemente de otra, en cada momento, y, romperlo -dividir el sistema- hace que deje de existir tal como lo conocíamos. Ejemplos de este tipo de sistemas son los plasmas fuera del equilibrio, como los generados en experimentos desarrollados en la propia CCHEN.
Con este proyecto se busca generar nuevos conocimientos que empujen la frontera del conocimiento actual en sistemas complejos. Entender el comportamiento termodinámico de estos sistemas, y en particular, explorar la validez del concepto de temperatura, la cual tiene una definición clásica -aquella que se aprende en el colegio o la universidad- basada en un equilibrio de las distintas partes de un sistema. Un entendimiento de lo que es exactamente la temperatura de un sistema y así desarrollar una definición distinta a la estándar permitirá extender a los sistemas complejos, una problemática con potencial impacto en la física de plasmas y otras áreas, como la física de materiales.
“Esperamos aportar en la propuesta y validación de nuevas definiciones de temperatura en sistemas fuera del equilibrio, definiciones que serán puestas a prueba mediante simulaciones computacionales realizadas usando códigos propios, programados “en casa”, específicos para cada modelo o problema. También desarrollaremos nuevos métodos de simulación en CCHEN y en colaboración con la Universidad Andrés Bello, que esperamos sean un aporte a la comunidad de la física de sistemas complejos”, comentó el Dr. Davis.
Contaminación del aire
Un tercer proyecto, titulado “Sources and atmospheric dynamics of total gaseous mercury and particle bound heavy metals in a mega-industrial area in Central Chile” (“Fuentes y dinámica atmosférica del mercurio gaseoso total y metales pesados ligados a partículas en una zona industrial de Chile central” en español), se lo adjudicó la Universidad de Chile. Contará con la participación del investigador principal, Dr. Richard Toro, y de los coautores, Dr. Manuel Leiva, de la misma casa de estudios superiores, y la Dra. Ana Valdés, investigadora del Centro de Tecnologías Nucleares en Ecosistemas Vulnerables de la CCHEN.
La investigación se centrará en la zona industrial de Puchuncaví-Ventanas. Allí se cuantificarán los niveles de metales pesados en la atmósfera, específicamente, mercurio y material particulado. Se trata de material con efectos nocivos para la salud de las personas y otros seres vivos, por lo que conocer cuánto material se concentra y cómo se desplaza, desde la posible fuente a otros lugares, y comprender la dinámica de acumulación y transporte, es muy importante para abordar el control y mitigación de los efectos de esos contaminantes. La información recogida permitirá estudiar la relación de los niveles del material estudiado con la dinámica atmosférica y los patrones de viento, entre otros. Así, se podrá identificar los puntos calientes de contaminación del
aire y sus fuentes, junto con la dinámica atmosférica y la extensión espacio-temporal de los metales estudiados.
“Para entender la importancia del proyecto y su impacto en la sociedad, concentrémonos un minuto en el mercurio (Hg), uno de los elementos traza más tóxicos en el medioambiente y uno de los productos químicos de mayor preocupación para la Organización Mundial de la Salud. Esto, dado que se absorbe y bioacumula con facilidad, provoca efectos neurológicos y cardiovasculares en humanos, animales y plantas”, señaló la Dra. Valdés.
Las fuentes antropogénicas son responsables de casi el 30% de las emisiones anuales de Hg en el aire, mientras que solo un 10% proviene de fuentes geológicas naturales. El 60% restante proviene de la reemisión de material acumulado por décadas ¡e incluso siglos! en suelos superficiales y océanos.
En el marco de ese proyecto, la Dra. Valdés colaborará, entre otros, en la investigación de la relación entre los niveles de concentración de metales pesados y mercurio en el material particulado y las características adquiridas por el suelo del área de estudio. También será clave la participación del Departamento de Recursos Tecnológicos Compartidos de la CCHEN, que será responsable de la medición de los metales pesados en las muestras mediante el ICP-MS (Espectrometría de Masas con Plasma Acoplado Inductivamente), una técnica de análisis inorgánico elemental e isotópico, que determina y cuantifica la mayoría de los elementos de la tabla periódica.
Los fenómenos dinámicos del plasma
Otro de los proyectos adjudicados, en este caso a la Pontificia Universidad Católica, se titula “Investigation of energy and pressure balance near stagnation in liner-on-target gas-puff implosions” (“Investigación del balance de energía y presión cerca de la estagnación en implosiones “liner-on-target gas-puff”en español). Será dirigido por el Dr. Julio Valenzuela, del Grupo de Óptica y Plasma de la PUC, y contará con la participación, como coinvestigadores, del Dr. Felipe Veloso, de la misma Universidad, y del Dr. Gonzalo Avaria, del Centro de Investigación en la Intersección de Física de Plasmas, Materia y Complejidad (P2mc) de la CCHEN.
Su objeto de estudio son las descargas tipo “gas-puff” (“soplo de gas”) en la etapa de implosión, caracterizadas por emitir distintos tipos de radiación, especialmente rayos X. Este tipo de descargas funciona mediante la inyección de un pequeño volumen de gas presurizado al espacio entre dos electrodos (ánodo y cátodo) de una descarga eléctrica. Durante el desarrollo de este tipo de plasmas se presentan inestabilidades del tipo MRT (Magneto-Rayleigh-Taylor), que usualmente son mitigadas con distintos tipos de pre-ionización del gas o con la inclusión de un campo magnético axial. También se presentan efectos asociados a la dinámica del plasma, que son contrarrestados utilizando variados diseños de boquillas para la inyección del gas.
Entonces, una de las principales interrogantes a responder es cuál es el mecanismo de calentamiento y enfriamiento del plasma en el momento de máxima compresión (estagnación). Para ello se propone estudiar la contribución del campo magnético en su máxima compresión, permitiendo determinar la fracción de la corriente total que pasa por el plasma en ese instante.
Hasta ahora se creía que el campo magnético presente en el plasma era suficiente para contrarrestar la presión del plasma durante la estagnación, pero algunas propuestas muestran que este balance (entre la presión y el campo magnético) no es del todo correcto, ya que el balance se produce entre la presión del plasma (expansión) y la presión del material que se acerca en la
estagnación (compresión). Existe, por tanto, una baja influencia del campo magnético en este proceso, lo que cambiaría la forma de comprender estos fenómenos dinámicos del plasma.
Para comprender la influencia de los fenómenos dinámicos del plasma se busca inferir la temperatura real de los iones con técnicas de medición directa. Se plantea utilizar, por un lado, el ensanchamiento Stark, que permite relacionar el ensanchamiento de las líneas de emisión del plasma con la densidad de los electrones presentes. Por otro lado, se usará la técnica de Dispersión de Thomson (Thomson Scattering) para medir parámetros como densidad y temperatura, a partir de la interacción de un haz láser con el plasma. La dispersión de la luz láser en el plasma permite inferir estas cantidades. Por último, se utilizará la técnica de separación de líneas de Zeeman, que permite determinar el campo magnético presente en el plasma al medir la separación de las líneas de emisión específicas que interactúan con los campos magnéticos presentes.
“De esta forma, esperamos contribuir a generar conocimiento local para complementar las observaciones de la comunidad científica que estudia este tipo de fenómenos de compresión en descargas de plasma”, puntualizó el Dr. Avaria.
Novedosos sistemas de plasma híbrido
El proyecto denominado “Study on dual Radio frequency plasma assisted pulsed Laser deposition and magnetron plasma enhanced pulsed Laser deposition for high quality nanostructured thin film fabrication” (“Estudio sobre deposición láser pulsada asistida por plasma de radiofrecuencia dual y deposición láser pulsada mejorada con plasma de magnetrón para la fabricación de películas delgadas nanoestructuradas de alta calidad” en español), adjudicado a la Pontificia Universidad Católica, está a cargo del Dr. Heman Bhuyan del Centro de Investigación en Nanotecnología y Materiales Avanzados de la PUC. Participa como coinvestigador el Dr. Biswajit Bora, del Centro de Investigación en la Intersección de Física de Plasmas, Materia y Complejidad (P2mc) de la CCHEN.
Las tecnologías basadas en el uso de plasmas, el llamado cuarto estado de la materia, se ha convertido en uno de los métodos emergentes más efectivos y de mayor impacto en las industrias manufactureras modernas. Ofrece oportunidades únicas y novedosas para el procesamiento de materiales de alto valor agregado. Recientemente, las fuentes de plasma duales basadas en radiofrecuencia son de particular interés debido a que permite un control independiente de la energía y del flujo de los iones.
Actualmente, las tecnologías basadas en plasma se están centrando mucho más en el desarrollo de fuentes nuevas o híbridas para fabricar películas delgadas nanoestructuradas de alta calidad y materiales avanzados. Precisamente, el depósito por láser pulsado, asistido con plasma, es una nueva técnica para la fabricación de películas delgadas nanoestructuradas de alta calidad.
En este proyecto se investigará la física fundamental y la aplicación de técnicas de producción de plasmas usando láseres pulsados con descargas eléctricas oscilatorias en la deposición de material para la formación de películas delgadas. Se debe estudiar cómo interactúan los plasmas con diferentes materiales y de allí identificar aplicaciones potenciales en deposiciones de películas delgadas”, puntualizó el Dr. Bora.
