Sobre cuando los físicos se vuelven sostenibles

Traducido por Luiso
Mis saludos a la blogosfera. Hoy me estoy estrenando como colaborador en este blog. Aunque se sale un poco de las líneas marcadas para "Yo Sostenible", me parecía interesante romper una lanza en favor de los físicos (el que suscribe y el YO de "Yo Sostenible" lo somos). A veces pensamos más allá de nuestros propios intereses. Lo que transcribo es un artículo aparecido a mediados de Abril en la revista Physics World titulado "Laser physicist looks to the sun".

Steven Chu fue galardonado con el premio Nobel de física por atrapar átomos con láseres, pero en la actualidad dirige a cientos de físicos, químicos y biólogos para desarrollar nuevos métodos para aprovechar la energía solar. El mismo le cuenta a Edwin Cartlidge el cómo y el porqué del cambio.

Para los estándares de su familia más próxima, Steven Chu era un estudiante bastante mediocre. El hijo de dos inmigrantes chinos que hizo el posgrado en el Instituto Tecnológico de Massachustts (MIT por sus siglas en inglés) tenía un hermano mayor con las mejor notas del instituto y que acabó estudiando en Princeton, mientras que dos de sus primos estudiaron en Harvard. Las notas de Chu, buenas, pero no sensacionales, no fueron suficientes para las universidades de la Liga Ivy, por lo que fue a estudiar a la Universidad de Rochester en el estado de Nueva York.

Sin embargo esto no le supuso ningún perjuicio. Se graduó en Matemáticas y Física por Universidad de Rochester en 1970 y ya en 1997 compartió el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre el uso de láseres para enfriar átomos a tan sólo unas milésimas de grado sobre el cero absoluto, uno hecho que permite a los físicos estudiar el comportamiento de gases atómicos ultrafríos. Posteriormente adaptó esta técnica para estudiar las propiedades de moléculas individuales de ADN, un método que hoy día usan cientos de investigadores en todo el mundo y que podría tener aplicaciones médicas tales como el encontrar un tratamiento para el Alzheimer.

Ahora, con 59 años, Chu espera poder ayudar a salvar el planeta de las amenazas del calentamiento global. Es el actual director del Lawrence Berkeley Nacional Laboratory en California, donde supervisa grandes programas de investigación básica multidisciplinar que van desde la física de partículas a la biología. Sin embargo, su laboratorio también está involucrado en proyectos de desarrollo de fuentes de energía renovable, incluyendo el del Energy Biosciences Institute, dotado con 500 mil $ por la gigante petrolera BP, que pretende crear nuevos biocombustibles respetuosos con el medio ambiente.

“A los científicos le encanta hacer ciencia básica, pero hay ocasiones en las que están deseando trabajar hacia un objetivo específico”, comentó Chu a Physics World tras una charla sobre la necesidad mundial de obtener energía sostenible que recientemente impartió en Roma. “Del mismo modo que en la Segunda Guerra Mundial encontrábamos a científicos trabajando en el rádar o la bomba porque sentían que había una emergencia, encontramos hoy en día científicos que quieren trabajr en el problema energético. Pero este último sienta mejor, ya que creo que todos estamos del mismo lado”.

Destreza experimental

Uno de los motivos de la mediocre carrera escolar de Chu fue el aburrimiento. La rutina de memorizar montones de hechos en sus deberes suponía una obligación y no una devoción. Sin embargo, había un par de asignaturas en su colegio (Garden City High, Nueva York) que eran diferentes. Una era inglés. La otra era geometría, que le atraía porque le permitía usar la lógica para derivar teoremas a partir de unos cuantos postulados intuitivos. Las posteriores asignaturas de física y cálculo le impactaron de manera similar.

Durante su periodo en Rochester, se interesó más y más en matemáticas y física teórica. Sin embargo, durante su doctorado en la Universidad de California, Berkeley, que comenzó en 1970, se dio cuenta de que valía más como experimentador, ya que le encantaba trastear en el laboratorio. Demostró su destreza experimental construyendo un láser, por así decir, último modelo, que tanto él como su director usaron en la búsqueda de sutiles asimetrías en la polarización de la luz láser predichas por la teoría de la unificación de las interacciones débil y electromagnética.

Aunque le robaran la primicia los de la Universidad de Stanford con un experimento de física de altas energías, el talento de Chu fue reconocido por los de Barkeley, que quisieron ascenderle de postdoc a profesor asistente en su departamento de física. A pesar de esta atractiva oferta, fueron los Laboratorios Bell, en New Jersey, los que fueron capaces de seducirle para mudarse al este en 1978. Fue allí donde Chu llevó a cabo el trabajo por el que le otorgarían el premio Nobel.

Habiendo probado su valía haciendo algunas medidas meticulosas de los niveles de energía del positronio –un átomo compuesto de un electrón y un protón – así como varios estudios con láser sobre sistemas de materia condensada, Chu comenzó a intercambiar ideas en 1983 con su colega Art Ashkin acerca de cómo atrapar y ralentizar átomos con luz. Investigar detalladamente las propiedades de átomos a temperatura ambiente es imposible debido a que se mueven a unos 4000 km/h.

Para 1986 Chu ya era capaz de ralentizar átomos – y por ende enfriar – chocándolos con fotones procedentes de un haz láser con la energía adecuada. De esta manera consiguió enfriarlos a 0.25 mK. Doce años después se le reconoció este trabajo con el premio Nobel de física, que compartió con los físicos Claude Cohen- Tannoudji y William Phillips, quienes mejoraron la técnica de Chu para conseguir temperaturas aún más bajas todavía. Las técnicas de enfriamiento láser y atrapamiento atómico han servido para desarrollar relojes atómicos ultraprecisos y para crear condensados de Bose-Einstein, en los que un conjunto bastante numeroso de átomos colapsan en el estado cuántico de menor energía.

En el año 1986 Ashkin demostró cómo las pequeñísimas fuerzas atractivas y repulsivas generadas por los haces láser podían usarse para suspender esferas de plástico de tamaño micrométrico en agua. Chu razonó que si los láseres se podían utilizar para atrapar tanto átomos como objetos micrométricos, nada impedía, en principio, que se pudiesen atrapar objetos de tamaño intermedio, a saber, moléculas. Para 1990, ya en la Universidad de Stanford, Chu consiguió manipular moléculas individuales de ADN en agua a temperatura ambiente, permitiéndole así estudiar qué sucede en el interior de células vivas, incluyendo cómo los virus invaden una célula.

A pesar de volver a Berkeley en 2004, Chu continuó trabajando en ello. Actualmente está utilizando técnicas de manipulado unimolecular para estudiar la proteína “factor de crecimiento del nervio”, que estimula el crecimiento de las neuronas. Tanto él como sus colaboradores han demostrado que esta molécula es transportada, a través de las células nerviosas, más lentamente en ratones que tiene el equivalente humano a la enfermedad de Alzheimer o al síndrome de Down, que en ratones sanos, sugiriendo que sería posible curar este tipo de enfermedades.

Pensamientos energéticos

A pesar de que Chu ha conseguido grandes avances aplicando esta física a los problemas biológicos, su principal preocupación desde que dejó Stanford ha sido la energía. El motivo principal para ello ha sido su creciente concienciación de que el calentamiento global es real y está avanzando. Chu cree que la contribución antropogénica al calentamiento se ha vuelto relevante, y que la sociedad debe tomar cartas en el asunto. “No necesitamos conocer con certeza absoluta que las consecuencias extremas del cambio climático vayan a ocurrir”, comentó.

Chu cree que los escenarios expuestos por la Comisión Intergubernamental para el Cambio Climático en su última evaluación son bastante conservadores. En particular, puntualiza, la Comisión no incluyó en su análisis ningún “punto sin retorno”, más allá del cuál el clima se vuelve peligroso e irreversiblemente fuera de control. Uno de esos puntos sin retorno sería la liberación, debida a un pequeño incremento en la temperatura del planeta, de enormes cantidades de metano y dióxido de carbono conservadas en la congelada tundra Ártica, cuyos efectos “calefactores” podrían ser causa del aumento del nivel del agua en varios metros.

Además cree que también es vital desarrollar nuevas fuentes de energía, lo que requiere de una intensa investigación básica. Chu señala que las crecientes mejoras en las tradicionales placas solares de silicio podría reducir a la mitad los costes de estos dispositivos en la próxima década, pero que el precio debería ser la décima parte para que las compañías americanas empezasen a considerar instalar enormes “campos solares” sin subsidios.

Nos comenta que “hay quién dice que producir nuevas fuentes de energía es tan sólo una cuestión de ingeniería”.”De hecho, esto no es cierto”. Como Chu puntualiza, incluso las ineficientes placas solares de hoy en día podrían satisfacer las necesidades energéticas mundiales cubriendo menos del 1% del área desértica del planeta (aunque habría que encontrar medios para almacenar y transmitir esa energía).

En Berkeley, Chu tiene recursos envidiables a los que puede recurrir. En conjunto, más de 100 científicos punteros y sus estudiantes y postdocs están, o pronto comenzarán, a trabajar en una gran gama de proyectos sobre energía solar. De los más destacados entre ellos está el del Energy Biosciences Institute, que hará uso de 50000$ al año durante 10 años del dinero de la gigante BP para conseguir aumentar la eficiencia energética de los biocombustibles.

Los biocombustibles, como el etanol derivado del maíz, pueden ayudar a reducir las emisiones de gases con efecto invernadero, ya que, aunque generen dióxido de carbono en su combustión, las plantas de las que proceden absorben una cantidad similar de la atmósfera cuando crecen. El problema con estos combustibles es que el maíz también se usa como alimento. De hecho, la creciente demanda de biocombustibles es una de las razones por las cuales los precios globales de los alimentos están aumentando.

Uno de los principales objetivos del Energy Biosciences Institute es intentar hacer combustibles basados en celulosa. La ventaja de este material es que no se utilizar como alimento. Asimismo Chu y sus colaboradores andan buscando la manera de mejorar la conversión de material vegetal en biocombustibles, por ejemplo, estudiando cómo los microbios del estómago de las termitas convierten la madera en energía.

Científicos del laboratorio de Berkeley están incluso buscando medios para explotar la energía del Sol por medio de fotosíntesis artificial. Las plantas y las algas disocian el agua en hidrógeno y oxigeno y reducen el dióxido de carbono a monóxido de carbono para crear los azúcares complejos que constituyen la mayor parte de sus paredes celulares. Como puntualiza Chu, los dispositivos basados en la fotosíntesis artificial no estarán limitados, como sus homólogos en la naturaleza, por la necesidad de usar materias que sean compatibles con la vida y la reproducción. El principal reto de crear estos dispositivos artificiales es generar altas velocidades catalíticas usando materiales que estén actualmente disponibles, como metales baratos.

Valorar el sacrificio

Chu se ha animado por el hecho de que tantos científicos del laboratorio – varios cientos – estén dispuestos a abordar el problema de la energía. Comenta que el problema está atrayendo porque es un reto intelectual y también porque su solución traerá grandes beneficios a la sociedad. “Fue muy fácil verderlo”, añade. “La gente estaba preparada”.

Pero tener que supervisar las otras actividades del laboratorio no le deja a Chu mucho tiempo libre. Aún está involucrado en investigación sobre biofísica unimolecular, interferometría atómica y nuevos estados de la materia basados en condensados de Bose, por lo que generalmente sólo puede hablar con sus colegas de investigación por las tardes y en fin de semana. Admite que su vida de trabajador es “un poco loca” y que ya no tiene tiempo ni para hacer ejercicio. “También estoy bastante menos tiempo con mi mujer”, añade.

A pesar de las tensiones que esto le está suponiendo, Chu cree que su trabajo merece el sacrifico personal. El problema climático es tan urgente que lo que los políticos, científicos y la sociedad hagan en los próximos años afectará durante décadas – si no siglos - al futuro de nuestro planeta. Por ello tiene sentido que tanto él como sus colegas en Berkeley eliminen todas las trabas en la búsqueda de nuevas fuentes de energía. “Hay muchísima gente inteligente que quiere salvar al mundo”, comenta. “Espero que alguna combinación de este deseo y el hecho de querer enriquecerse pueda ayudar a guiarnos hacia un futuro sostenible para el mundo”.

Sobre el autor

Edwin Cartlidge es un escritor independiente para Physics World