El espectrómetro de infrarrojos y la exploración de Marte
Otorgado a la Universidad de California, en Berkeley, el 15 de mayo de 2017.
Con todo lo que sabemos hoy en día sobre los planetas del sistema solar, nos parece inconcebible que hace apenas 50 años apenas los conociéramos. Las observaciones de Marte y Venus, nuestros vecinos planetarios más cercanos, a través de telescopios terrestres solo nos proporcionaron la información más rudimentaria sobre sus características físicas y prácticamente ninguna información sobre las propiedades químicas de estos planetas y sus atmósferas.
Esto cambió radicalmente a mediados de 1969, cuando dos naves gemelas de la NASA, las Mariner 6 y 7, sobrevolaron Marte a unos pocos miles de kilómetros de distancia. Cada nave llevaba cuatro instrumentos, entre ellos un espectrómetro de infrarrojos (IR) diseñado y construido por un equipo de la Facultad de Química y el Laboratorio de Ciencias Espaciales de la Universidad de California Berkeley. El resto de instrumentos a bordo eran cámaras de televisión, un radiómetro infrarrojo y un espectrómetro ultravioleta. El equipo estaba dirigido por el profesor de química George Pimentel (1922-1989) y Kenneth Herró (1937-2015), que se había doctorado en química en 1964 trabajando en el laboratorio de Pimentel. Estos espectrómetros de infrarrojos fueron los primeros instrumentos en volar en una misión de la NASA sin haber sido construidos en las instalaciones de la propia NASA o en empresas aeroespaciales, sino en una universidad. En la actualidad esto sigue siendo una excepción y no la norma.
Entre los descubrimientos revolucionarios que nos han dejado los espectrómetros se encuentra que la fina atmósfera marciana está compuesta casi en su totalidad por dióxido de carbono, con trazas de vapor de agua. Además, observaron que existe CO2 sólido en la atmósfera superior del planeta. Los espectrómetros IR también detectaron hielo e hidratos en la superficie marciana, así como goethita, un oxihidrato de hierro oxidado que se forma en los procesos de desgaste y corrosión causados por el agua. Se trata de la primera prueba de que hubo agua líquida en la superficie marciana.
Mirando al cielo
Desde la prehistoria, los seres humanos hemos observado el cielo nocturno. Anotábamos las posiciones de las estrellas y sus movimientos con las estaciones. Nuestros antepasados se fijaron especialmente en un puñado de habitantes del cielo nocturno que se movían independientemente de otras estrellas y entre ellos. Los griegos y los romanos les otorgaron a estos cuerpos celestes errantes la condición de dioses: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno.
Los astrónomos llevan más de 3000 años registrando los movimientos de Marte. Con la invención del telescopio, el ser humano comenzó a investigar las características de los planetas con mayor profundidad. En 1610, Galileo Galilei (1564-1642) fue el primero en observar Marte a través de un telescopio. A mediados del siglo XIX, la resolución de los telescopios era suficiente para descifrar las características de la superficie del planeta. Entre muchos otros rasgos distintivos, los astrónomos creyeron detectar "canales": marcas largas y rectas en la superficie marciana, que algunos pensaron que eran producto de seres inteligentes.
Pocos años después del lanzamiento del Sputnik en 1957, el primer satélite artificial en órbita alrededor de la Tierra, los científicos espaciales de la URSS y de Estados Unidos empezaron a pensar en enviar naves espaciales sin tripulación a Marte y Venus. Estas misiones pretendían sondear las características de estos vecinos cercanos más de cerca de lo que podría hacerlo cualquier telescopio. Entre 1960 y 1962, los soviéticos lanzaron cinco naves espaciales sin éxito al planeta rojo. Los Estados Unidos lanzaron el Mariner 3, su primer intento de volar cerca de Marte, en 1964; sin embargo, los paneles solares de la nave no se abrieron, impidiendo su sobrevuelo. En 1967, el Mariner 4 pasó a 10.000 kilómetros de la superficie del planeta y proporcionó las primeras imágenes de Marte desde cerca. Las naves Mariner 6 y 7 fueron diseñadas para continuar esta misión.
Infografía sobre el espectrómetro infrarrojo de Marte.
Mariner 6 y 7
Los espectrómetros de infrarrojos que volaron a bordo de las Mariner 6 y 7 nacieron a raíz de una conversación entre Pimentel, de la Universidad de California Berkeley, y Urner Liddel (1905-79), un viejo amigo, mentor y experto en ciencias planetarias. Liddel quedó impresionado con un espectrómetro IR de barrido rápido que había en el laboratorio de Pimentel. Un espectrómetro IR mide cómo una muestra absorbe la radiación infrarroja; el espectro IR resultante es característico de las sustancias químicas presentes en la muestra, como una "huella dactilar". Como recordaba Pimentel en una entrevista concedida en 1989 a la Sociedad Química Americana (ACS), Liddel le dijo: "Si puedes medir el espectro infrarrojo de una muestra en una millonésima de segundo, deberías ser capaz de decirnos cómo hacerlo para la atmósfera de Marte".
Pimentel indicó en la entrevista que, un par de semanas después, estaba en un avión de vuelta de Washington, D.C., y "decidí pasar el viaje de vuelta intentando averiguar cómo lo podría hacer. Se me ocurrió un espectrómetro de infrarrojos bastante novedoso, una forma de hacerlo que aún no se había descubierto.”
El espectrómetro que imaginó Pimentel utilizaba un filtro de interferencia como elemento dispersivo para generar el espectro IR, en lugar de un prisma o una rejilla. Este enfoque simplificaba el espectrómetro y hacía posible que dicho instrumento fuera lo suficientemente ligero como para cumplir el peso máximo de 11 kilogramos establecido por la NASA. Pimentel y Herr obtuvieron una subvención de la NASA en 1964 para desarrollar un prototipo, y en 1966 fue aceptado para las misiones Mars Mariner.
Pimentel, Herr y su equipo de la Universidad de California Berkeley diseñaron y construyeron el nuevo espectrómetro IR. Pimentel y Herr determinaron que las mejores longitudes de onda a explorar se encontraban en la región de 2 a 15 micras, que captarían tanto la luz solar reflejada como la emisión térmica de Marte. Al ser químicos, entendieron que las huellas dactilares de varias moléculas importantes serían absorbidas en estas longitudes de onda. Para utilizar los detectores más sensibles –el seleniuro de plomo y el germanio dopado con mercurio (Hg-Ge)– en esta región del espectro, era necesario un sistema de refrigeración innovador y eficaz, ya que el detector de Hg-Ge debía mantenerse por debajo de 22 grados sobre el cero absoluto (unos 250 grados centígrados bajo cero, N. del T.). Los investigadores decidieron utilizar una novedosa unidad de refrigeración que utilizaba un sistema de gas a alta presión y que sólo funcionaría durante los 30 minutos de sobrevuelo de Marte. Más adelante, esta decisión provocaría momentos angustiosos.
Tensiones con la NASA
Para los burócratas de la NASA, el grupo de la UC Berkeley era distinto a lo que solían estar acostumbrados, y la relación entre ellos era a veces difícil. Como dijo Jeanne Pimentel (nacida en 1935), viuda de George, en un artículo publicado en el año 2000 en The Chemical Intelligencer: "Los reclutas, con los ojos brillantes, se embarcaron en su misión, sin darse cuenta de las dificultades que encontrarían con sus monolíticos jefes, la NASA y su contratista, el Laboratorio de Propulsión (JPL). [...] La personalidad y el modo de operar fueron en parte responsables de esta brecha, pero en el centro de la cuestión estaba el enfoque de las tareas científicas. George y Ken estaban decididos a impulsar el estado del arte del diseño de instrumentos para obtener los mejores resultados científicos posibles; mientras la NASA y el JPL querían un enfoque más seguro y menos ambicioso."
Sin embargo, las Mariner 6 y 7 fueron lanzadas en febrero y marzo de 1969 y llegaron a Marte a finales de julio y principios de agosto para examinar diferentes zonas del planeta. Sólo unos días antes de que el Mariner 6 llegara a Marte, el JPL perdió el contacto con el Mariner 7 y sospechó que la culpa era de una rotura en el tanque de refrigeración de alta presión del espectrómetro. El JPL recuperó el contacto con el Mariner 7, pero Pimentel y Herr no sabían si el espectrómetro del Mariner 7 funcionaría hasta que la unidad se encendiera durante el sobrevuelo. Su ansiedad es evidente en las grabaciones de vídeo realizadas en el JPL durante la misión real. Finalmente, los instrumentos de ambas naves exploraron con éxito la química atmosférica y superficial de Marte.
"George y Ken estaban decididos a impulsar el estado del arte del diseño de instrumentos para obtener los mejores resultados científicos posibles; la NASA y el JPL querían un enfoque más seguro y menos ambicioso".
— Jeanne Pimentel, The Chemical Intelligencer, 2000
Descubrimientos científicos
Las novedosas mediciones químicas realizadas por los espectrómetros de infrarrojos incluyen:
- La primera prueba de la existencia de CO2 sólido en la atmósfera marciana.
- La determinación de la composición de la atmósfera marciana.
- La detección de hielo e hidratos en la superficie marciana.
- La determinación de la concentración de vapor de agua en la atmósfera marciana.
- La detección de goethita, que se forma en los procesos de meteorización acuosa, la primera prueba de que en algún momento hubo agua líquida en la superficie marciana.
Ambas naves transmitieron sus datos espectrales IR a la Tierra, junto con fotos y datos de los demás instrumentos científicos. Dado que los encuentros reales con Marte fueron tan extraordinariamente breves, Pimentel diseñó un equipo para realizar experimentos de seguimiento en la Tierra utilizando los datos en condiciones espaciales simuladas, que verificaron y ampliaron los hallazgos.
Redescubrimiento de las cintas del espectrómetro
Sorprendentemente, las cintas que contenían los datos espectrales de infrarrojos de Marte acabaron guardadas en un sótano de la Universidad de California Berkeley, y allí se habrían quedado, de no ser por los esfuerzos de Laurel Kirkland (nacida en 1962), que a mediados de la década de 1990 estaba realizando su doctorado en geofísica en la Universidad de Rice. Kirkland quedó muy impresionada por un espectro de la superficie marciana procedente de una de las misiones Mariner, y se quedó atónita al descubrir que faltaban la mayoría de los datos recogidos por los espectrómetros IR. Se puso en contacto con Jeanne Pimentel, y entre ambas acabaron encontrando las cintas. Gracias a los esfuerzos de Kirkland, se leyeron las cintas y se descifraron los datos con la ayuda de Herr y otros antiguos miembros del equipo del espectrómetro, que luego terminaron los borradores de documentos anteriores y publicaron algunos nuevos.
El espectrómetro de infrarrojos tenía un diseño innovador de sensibilidad, estabilidad mecánica y robustez ambiental sin precedentes, lo que le permitió realizar las primeras mediciones químicas de la composición de la superficie y la atmósfera de Marte."
— Richard A. Mathies, profesor de química de la Universidad de California Berkeley, 2016
Dedicatoria y agradecimientos
Dedicatoria
La Sociedad Americana de Química (ACS) otorgó al diseño de George Pimentel y Kenneth Herr de un revolucionario espectrómetro infrarrojo el reconocimiento como Lugar Emblemático en la Historia de la Química (NHCL) en una ceremonia en la Universidad de California Berkeley, el 15 de mayo de 2017. La placa conmemorativa dice:
En la década de 1960, George Pimentel, de la Universidad de California Berkeley, y su equipo, incluido Kenneth Herr, desarrollaron un revolucionario espectrómetro de infrarrojos en la Facultad de Química y el Laboratorio de Ciencias Espaciales de la universidad. Dos de estos instrumentos pasaron por Marte a bordo de las naves Mariner 6 y 7 en 1969. Enviaron nuevos datos sobre la química de Marte, incluyendo mediciones de dióxido de carbono, monóxido de carbono y vapor de agua en su atmósfera. Se detectó dióxido de carbono sólido y hielo de agua en el casquete polar sur, mientras que las firmas vibracionales de los oxihidratos de hierro mostraron que alguna vez existió agua líquida en Marte. El diseño y el rendimiento de estos instrumentos establecen un nuevo estándar para los estudios espectroscópicos de nuestro sistema solar.
Agradecimientos
Adaptado para internet de "A Novel Infrared Spectrometer and the Exploration of Mars", producido por el programa National Historic Chemical Landmarks de la American Chemical Society en 2017.
Recursos didácticos
Lecturas adicionales
- Cronología de la exploración de Marte (en inglés)
- Ficha técnica del Mariner 6 y 7 (en inglés)
- Personal principal del proyecto del espectrómetro infrarrojo (IR) del Mars Mariner (en inglés)
Cómo citar esta página
Programa de Lugares Emblemáticos de la Historia de la Química de la ACS. El espectrómetro de infrarrojos y la exploración de Marte (consultado el Día de Mes de Año), www.acs.org/landmarks.
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