Hace tiempo que quiero compartir un enlace sobre la tragedia del Challenger, el transbordador espacial. Cuando estalló, a principios del año 1986(1), todos los que lo vivimos nos quedamos de piedra. Cuando pasados los años, supe que el problema fué que unos aros de goma se endurecieron más de lo previsto por estar refrigerados, me sorprendió que nadie se hubiera dado cuenta antes. Pues lo cierto es que alguien se dió cuenta, y dió la voz de alarma, aunque lo silenciaran.
Este artículo en inglés cuenta su historia y yo creo que es bueno que se le recuerde:
Dados los tiempos que estamos viviendo, se está produciendo una cantidad enorme de publicaciones relacionadas con enfermedades de transmisión aérea. Una que me ha llamado la atención es este artículo de la revista Scientific Reports, perteneciente a la familia de Nature, que explora la posibilidad de contagios simplemente hablando, por contraste con los métodos más conocidos de estornudar y toser.
Comienzan en la introducción comentando que es bien sabido que la transmisión de enfermedades infecciosas a través de toses, estornudos y respiración es un fenómeno ya reconocido, pero en el que la importancia relativa de estos fenómenos en la propagación de enfermedades es un tema que no está claro.
Explica que al hablar y respirar emitimos partículas de un diámetro medio de 1 µm, probablemente formadas por fenómenos de ruptura de película fluida en los bronquiolos pulmonares(1) y vibraciones en la laringe. Aunque parezcan pequeñas, estas partículas son capaces de llevar con ellas bacterias y otros agentes infecciosos, dado que estos últimos tiene unos tamaños aún más pequeños, del orden de 0,050 a 0,500 µm para el virus del sarampión, por ejemplo.
Al ser más pequeñas, estas partículas tiene el potencial de ser aún más infecciosas que las más grandes, por tres razones principales:
Las partículas más pequeñas aguantan más tiempo suspendidas en el aire,
al ser más pequeñas pueden penetrar hasta distancias más grandes dentro del sistema respiratorio de otra persona distinta del que la emitió y
el número de partículas pequeñas generadas al hablar puede ser muy superior a la que se produce al toser.
Según los autores del artículo, es este último punto el más importante. Tiene sentido: para que cualquier enfermedad pueda infectar un cuerpo, es necesario que la cantidad de virus o bacterias sea tan grande que las defensas del cuerpo no sean capaces de evitar su proliferación descontrolada en el mismo.
De hecho, dedican un párrafo a relatar la gran cantidad de evidencias que demuestran que hablar produce muchas más partículas que toser, lo que incrementa la «eficacia» del habla como portador de enfermedades.
Continúan comentando que, sin embargo, quedan varias cuestiones sin resolver: ¿afecta el volumen de lo que se dice a la generación de gotas?, ¿importas los fonemas que emitamos, es decir, la pronunciación de lo que decimos?, ¿hay diferencias significativas entre individuos? Para tratar de resolverlas, en este trabajo emplearon un sistema experimental capaz de contar las partículas desplazadas por el aire y lo emplearon para contar y medir las mismas mientras varios voluntarios hablaban.
Sus principales conclusiones son:
la cantidad de partículas emitidas se incrementa según el volumen de lo que se diga, en los cuatro idiomas que usaron como representativos(inglés, español, mandarín y árabe)(2),
la distribución del tamaño de las partículas es independiente del volumen con que se hable y
hay algunas personas que emiten una cantidad un orden de magnitud superior a la media, diez veces más, de forma que son «superemisores» de partículas al ambiente.
Este último punto sobre todo, explicaría el fenómeno de los supercontagiadores, las personas que por alguna razón son capaces de contagiar a muchas más personas a su alrededor de lo que es habitual.
En la sección siguiente del artículo, donde explicitan los resultados, lo primero que hacen es repetir experimentos anteriores para confirmar que efectivamente, hablar provoca un aumento de emisión de partículas por parte del hablante. Como indica la figura siguiente, donde simultáneamente se presentan los resultados de un micrófono recogiendo a un voluntario diciendo algo así como «a» durante unos segundos, respirando por la nariz después y volviendo a hablar, es totalmente cierto.
Relación entre la emisión de un sonido, panel A y emisión de partículas, panel B, en el tiempo. Los picos de emisión de partículas son claros, con el retraso entre el máximo del pico y el comienzo del sonido atribuido al tiempo que tardan las partículas en llegar al detector. De la figura 1 del artículo citado.
Después, comprobaron que había una relación entre el número de partículas emitidas y el volumen de lo que se habla. Como muestra la siguiente figura, donde se reúnen datos de muchos sujetos, la relación es linealmente proporcional entre el número de partículas emitidas y el volumen de voz, medido mediante la amplitud del sonido recogido por el micrófono.
El número de partículas emitidas respecto a la amplitud empleada, medida como su media cuadrática(3). Como se puede observar, la relación es una línea recta bastante clara. De la figura 3 del artículo citado.
Como además comprobaron que el tamaño de las partículas emitidas no cambiaba con el volumen de lo que se decía, los investigadores concluyen que la cantidad de líquido emitido aumenta con el volumen de voz.
Los resultados obtenidos indican que no hay diferencias significativas entre los diversos participantes a la hora de emitir aerosoles o partículas. Como escogieron un grupo diverso de voluntarios, con diversas características físicas, como el índice de masa corporal u otras, deducen que no hay correlaciones claras entre «tipos» humanos y la capacidad de emisión de partículas. Tampoco se observaron diferencias importantes entre usar diversos idiomas, siempre que se hablen en el mismo tono de voz. Además, las condiciones de temperatura y humedad externas tampoco influencian de manera significativa la emisión de partículas.
Pero, si todos los participante emiten más o menos e mismo números de partículas, ¿cómo es que hay algunos que son «superemisores»? Pues porque sus propios datos indican que hay un grupo pequeño pero importante, en sus experimentos ocho de cuarenta, que emiten siempre un orden de magnitud más de partículas que los demás: esos son los superemisores. De echo, al comprobar la emisión de partículas en función del tipo de respiración o del volumen de lo que se habla, los superemisores se destacan con claridad, como se ve en la figura siguiente.
Número de partículas emitidas según la actividad del sujeto. En blanco, los diversos tipos de respiración (Nose, nariz, Mouth, boca, Deep-Fast, Inspiración lenta, aspiración rápida, Fast-Deep, Inspiración rápida, aspiración lenta) y en el otro color, los diversos tipos de habla (Quiet, bajo, Intermediate, normal, Loud, alto). El incremento de partículas emitidas al hablar es muy claro, como también la presencia de los superemisores, las dos cruces rojas. De la figura 5 del artículo citado.
En su sección de discusión los autores se preguntan porqué obtienen estos resultados. Empiezan diciendo que parece que, dado que al hablar activamos las cuerdas vocales, es debido a ellas que se produce el incremento de partículas, lo que implicaría que al aumentar el volumen de voz, como también aumenta ligeramente la frecuencia del habla, debería por lo tanto incrementarse el número de partículas. El problema es que para aumentar el volumen de voz, también se incrementa el flujo de aire a través del sistema respiratorio, lo que también contribuiría al aumento del número de partículas. Los investigadores concluyen que de sus datos no pueden desacoplarse los dos efectos ni su importancia relativa.
Pasan después a tratar de entender la razón de la presencia de los superemisores, diciendo que si bien pudiera ser que haya diferencias en en las propiedades de los líquidos en sus sistema respiratorio que sean capaces de provocar este aumento, no han podido analizar nada de este tema. Sí comentan que alteraciones en la químicas de las mucosas del sistema respiratorio, por ejemplo con un nebulizador de agua salada, influyen claramente en la cantidad de gotas emitidas en la respiración o el habla. Concluyen ese párrafo formulando la hipótesis de que son estos superemisores la causa de que haya algunas personas capaces de contagiar enfermedades que se propagan por el aire de manera muy superior a la mayoría, fenómeno bien contrastado y comprobado en general, y en particular en la pandemia de COVID actual.
Comentan también que el hecho de que se incremente de manera muy notable la cantidad de partículas al hablar debería tener una influencia clara en la capacidad de contagio de diversas enfermedades según el lugar donde se alojen los patógenos. Así, comentan que hay evidencias de que la tuberculosis alojada en la garganta es más contagiosa que la que se encuentra en los pulmones y que el virus de la gripe puede ser tan contagioso porque ataca preferentemente la garganta, desde donde al hablar se emiten más partículas.
En el último párrafo del artículo explican que dado que el volumen de lo que se diga tiene una influencia tan fuerte en la cantidad de partículas emitidas, ello implica que los lugares más ruidosos serán fuentes más probables de contagios que los lugares más silenciosos. Y a mí no deja de venirme entonces a la cabeza el hecho de que en España gritamos mucho más que casi cualquier otro país al hablar, lo que debería influir de manera muy negativa en la expansión de esta pandemia. ¿Quizás que hablemos más alto que otros y tendamos a tocarnos mucho más podría explicar porqué la pandemia se extiende más en España que en otros países del entorno, como Portugal?
(1) La ruptura de película fluida es el fenómeno que se produce cuando en una superficie hay un líquido rodeándola y pasa un gas rápidamente. El paso del gas causa deformaciones en la película del líquido que terminan por «romperlo» y extraer gotas de líquido que serán arrastradas por el gas.
(2) Estos cuatro idiomas no sólo cuentan con un porcentaje de hablantes muy representativo del total de la población humana, sino que además poseen tales diferencias sintácticas y de pronunciación que al usarlos como ejemplos permiten generar datos útiles para todas las hablas humanas.
(3) La media cuadrática es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de unos valores, divididos por el número de valores. En la wikipedia en español lo explican muy bien: Wiki:Media Cuadrática
Unos investigadores han logrado que la producción de energía eléctrica y la de agua potable vayan de la mano. Normalmente, los paneles fotovoltaicos producen energía, mientras que la desalinización de agua la consume, pero ahora se ha podido hacer un aparato que produce ambas cosas a la vez.
Comienzan en la introducción explicando que la falta de agua potable y la generación de energía más limpia son problemas que están muy unidos, dado que para desalinizar agua hay que consumir grandes cantidades de energía, y para producir energía suele hacer falta agua. De hecho, comentan que cerca del 50% del agua que se extrae en algunos países es para la producción de energía. Y dado que hay cada vez menos agua, y la generación de energía debe tender cada vez más a emplear sistemas renovables, la unión de sistemas de generación de agua con células fotovoltaicas es una gran idea.
El artículo continúa recordando que la idea de destilación solar de cualquier fuente de agua, sea esta el mar o aguas residuales, para obtener agua potable ya se ha implementado, pero con rendimientos finales de agua muy bajos debido a la poca concentración de energía que tiene el sol. Esto impide el uso más generalizado de esta tecnología, porque exige grandes superficies para obtener cantidades relevantes de agua. Sin embargo, recientemente, usando sistemas multimembrana se logró generar una cantidad de agua potable que entra dentro del rango de lo comercial, expresada en el artículo como 3 kg m⁻² h⁻¹ con condiciones de iluminación de 1 sol(1). Para lograrlo, emplearon el calor que se producía durante la evaporación en una etapa como fuente de calor para la siguiente.
Además, la producción simultánea de agua potable y energía eléctrica ya se ha planteado, pero generalmente con muy poca eficiencia en la generación de energía eléctrica, por eso los investigadores cambiaron las estrategias anteriores, consistentes en usar para generar la energía eléctrica alguna energía sobrante de la destilación del agua mediante energía solar, por un sistema en el que se integró el panel solar fotovoltaico con una membrana de destilación de tres etapas.
Con este dispositivo lograron producir 1,8 kg m⁻² h⁻¹ de agua mientras la célula solar tenía una eficiencia del 11%, lejos de las mejores eficiencias actuales, que se encuentran cerca del 16-20%, pero dentro de márgenes comerciales. Además, al usar la misma superficie para destilar agua y producir energía, su uso se hace mucho más interesante la reducción tanto de costos como de superficie ocupada.
Su dispositivo tiene en la parte de arriba una célula solar comercial, y debajo tres etapas de desalinización que aprovechan el calor producido por la célula superior, que crearon ellos en el laboratorio. Para que el calor producido por la célula solar no se perdiera, cada módulo solar estaba aislado en sus paredes laterales con espuma de poliuretano, un conocido aislante. Cada etapa de evaporación de las tres que acoplaron tenía cuatro capas, de arriba a abajo:
Una primera capa conductiva del calor,
Otra capa hidrofílica(2), donde se evapora el agua,
una membrana hidrofóbica(3) para el paso del vapor y
Una capa de condensación del vapor de agua.
La última parte, la condensación del vapor de agua, produce calor que se aprovecha como fuente de calor de la capa conductiva del calor de la siguiente etapa.
La figura siguiente presenta su sistema completo, con el panel solar encima y las tres etapas de evaporación de agua salada en la parte inferior:
Sistema integrado de producción de agua potable y electricidad mediante luz solar. Las cuatro capas del sistema multimembrana de evaporación son visibles, a la vez que el aislante térmico que rodea todo el panel. Adaptado de la figura 1.a del artículo citado.
Para usar su módulo pensaron en dos posibles configuraciones, una donde el agua salada o a evaporar está circulando en circuito cerrado hasta que está tan saturada de sales que no puede evaporarse más, y otra configuración donde el agua a evaporar se bombea a la parte de arriba del panel y la salmuera que queda se elimina del panel, en un sistema de circulación continua, como indica la figura siguiente:
Configuraciones para empleo del módulo. La de la izquierda(a) es un circuito cerrado que deja de funcionar cunado hay demasiada sal en el agua a evaporar. La de la derecha(b) funciona en circuito abierto de agua, desde el depósito superior hasta el inferior, donde se acumula la salmuera.
La ventaja de primer sistema es que puede obtiene más agua, al aprovechar todo el calor residual del agua, aumentando su productividad. La mayor desventaja es que es el agua que queda con sales hay que limpiarla del sistema, y eso es caro y emplea agua limpia. El sistema de circulación continua no precisa limpieza, pero obtiene un menor rendimiento de agua limpia. Sin embargo, es mucho más fácil de implementar en un sistema comercial, donde la salmuera producida iría a parar al mar.
Tratando de caracterizar su diseño, comprobaron que su sistema multimembrana de depuración tenía un rendimiento similar al de otros sistemas publicados en la literatura, empleándola sólo como depurador. Luego, le añadieron el célula fotovoltaica y comprobaron su comportamiento bajo varias condiciones de iluminación y carga del panel solar. Los resultados obtenidos indican que la carga a la que se somete la célula solar apenas varía la producción de agua limpia, que sí es inferior al caso en el que la parte superior del módulo de evaporación es una membrana de absorción de luz solar, no un panel.
También comprobaron si el sistema podía trabajar en modo continuo durante varias horas, dejando funcionar su sistema según el esquema de flujo continuo durante tres días, observando entonces que la cantidad de agua que podían extraer era de 1,6 kg m⁻² h⁻¹ con un flujo de entrada de 5 g h⁻¹, más baja que en condiciones ideales, pero todavía viable para un sistema comercial. También evaluaron la calidad del agua introduciendo en vez de agua salada, agua salada muy contaminada con metales, y como indica la figura siguiente, el agua evaporada que obtiene es perfectamente potable:
Presencia de iones de metales pesados en agua antes(negro) y después(dorado) de ser evaporada por el sistema. Las rayas rojas indican los valores admitidos por la Organización Mundial de la Salud como máximos para agua potable. Adaptada de la figura 5.c del artículo citado.
Siguen explicando en una sección posterior que gran parte de la pérdida de la energía térmica de la célula solar se pierde porque las células solares se diseñan específicamente para tener una alta emitividad de radiación electromagnética, de forma que no se calienten mucho. La razón es que las células solares pierden eficiencia al aumentar la temperatura. Pero como en este sistema doble, el calor producido por la célula se emplea en la evaporación de agua, los autores especulan que la producción de paneles solares con una emitividad reducida mejoraría la eficiencia de su sistema.
Terminan el artículo, pecando quizás de un exceso de optimismo, comentando que la sustitución total de sistemas fotovoltaicos actuales por el que ellos proponen generaría una gran cantidad de agua.
(1) Cuando se habla de energía solar, es muy común que se especifique las cantidad total de irradiación solar necesaria respecto a la solar «estándar» de un día soleado habitual. Este último se llama iluminación a un sol.
(2) Hidrofílica: Que atrae el agua hacia su superficie.
Los drones son sistemas que tiene variadas aplicaciones, desde hacer vídeos musicales o similares espectaculares hasta la posibilidad de ser usados en misiones militares de alto riesgo. Pero tiene un problema bastante grave: son relativamente «torpes» al moverse por el aire, si los comparamos con las maniobras que cualquier pájaro o insecto es capaz de realizar.
En un artículo reciente un grupo de investigadores logró mejorar lo suficiente el diseño de drones con alas relativamente pequeños como para que pudiera maniobrar mucho más.
Comienzan el artículo señalando que el sistema de vuelo mediante aleteo es mucho más versátil que el sistema de vuelo mediante alas fijas o rotores, que generalmente se usan en los diseños humanos. Continúa comentando que si bien hay algún vehículo alado pequeño que use aleteo y puede realizar varias maniobras, como volar hacia delante y hacia atrás, en círculos y otras, sigue siendo muy raro que puedan permanecer suspendidos en el aire.
El mayor problema no es tanto imitar las formas y estructuras observadas en la naturaleza en animales voladores pequeños, como las pérdidas por la transmisión que se producen desde el motor, que puede ser mucho más potente que el sistema vivo hasta las alas, independientemente del tipo de control o tecnología que el sistema de vuelo del robot tenga. Como ejemplos de tecnologías de vuelo citan alas flexibles que pueden rotar de manera pasiva, sin ayuda de ningún motor y almacenamiento elástico de energía para recuperar parte de la potencia del movimiento.
De hecho, las ganancias aerodinámicas por usar aleteo pueden llegar a perderse debidos a las pérdidas de energía en los engranajes del mecanismo. Los autores del artículo ven que la mayor fuente de pérdidas energéticas en la mecánica del robot es el ángulo del eje de rotor cuando se quiere realizar alguna maniobra con las alas. De hecho, comprobaron que en sistemas de transmisión directa desde el motor hasta el ala, es el problema del giro del eje el que causa mayor cantidad de pérdidas por rozamiento.
Por eso diseñaron un sistema de transmisión más eficiente, con sistemas elásticos para prevenir el giro del eje y rodamientos, de manera que minimizaron las pérdidas de energía por rozamiento y pudieron además hacer que las alas realizaran giros mucho más bruscos de lo habitual. Además, para aumentar la maniobrabilidad de su robot le añadieron una aleta en la cola, como hacen muchos pájaros.
Su diseño, en la figura siguiente, usa rodamientos para estabilizar el eje y Nylon como material elástico capaz no sólo minimizar los problemas de giro, sino también de almacenar parte de esa energía elástica y usarla en maniobras de vuelo.
Esquema del sistema de transmisión. Los rodamientos, «bearings» en inglés, están marcados en rosa, mientras bisagras de Nylon en líneas tenues violetas. La transmisión de la fuerza del motor al ala se hace mediante una biela, que es parcialmente visible en el esquema central. La foto de la derecha es una vista superior de todo el sistema de transmisión. De la figura 2.D del artículo citado.
Como se ve, el Nylon se emplea en el sistema que tiene que doblarse para transmitir parte del movimiento del motor a los ejes que soportan las alas, que a su vez son también elásticos. Este sistema les permite tener un motor más pequeño para generar el mismo empuje que uno más grande con hélice, un sistema más habitual.
Al tener una cola que se puede mover, cuando la cola está en posición que los autores denominan «neutra», resulta que el robot presenta estabilidad pasiva, sin necesidad de sistemas activos en varias situaciones de interés(1). Esencialmente, cuando se queda quieto en una posición y cuando planea. Además, al ajustar la posición de la cola se puede ajustar la actitud(2). En general, la estabilidad del robot cuando estaba quieto depende del efecto pendular, que se consigue colocando las alas que generan el empuje por encima del centro de gravedad, como los canarios. Sin embargo, este sistema no podía emplearse directamente en planeo, porque el centro de gravedad ya no está por encima de las alas. Para mantener la estabilidad en planeo, tuvieron que modificar tanto el sistema motor como la cola, haciendo esta última con una superficie similar a la de las alas, como la figura siguiente muestra.
Fotos de frente y de perfil del robot. G indica el centro de gravedad del aparato, T el empuje que genera y W su peso. Por eso indica que T>W para elevarse verticalmente. Adaptada de la figura 1.A del artículo citado.
Con este diseño, pudieron controlar el robot de una manera tan espectacular como la que muestra la figura de abajo, que resume todas la maniobras que puede realizar.
Ilustración de todas las maniobras posibles. En naranja, la subida y permanencia estática, en verde el vuelo casi paralelo, en el recuadro superior derecho el giro brusco deltante de un obstáculo y en amarillo el vuelo inclinado y subida. Adaptado del artículo citado, película 1.
El artículo continúa explicando algún detalle más técnico, proporcionando algunas relaciones básicas para entender que gran parte de la maniobrabilidad demostrada se debe a su capacidad de cambiar rápidamente y sin un gran consumo de energía el coeficiente de rozamiento ofrecido, lo que le permite emplear el aerofrenado para moverse, a semejanza de varios pájaros. Posteriormente, comparan su sistema con otros sistemas de vuelo en términos de capacidad de proporcionar empuje respecto a la potencia eléctrica consumida(3), observando que su sistema presenta la mayor pendiente de todos, como indica la figura de abajo.
Potencia eléctrica media consumida frente a empuje proporcionado. Los círculos y triángulos son diversos tipos de hélices, las aspas rojas su diseño con bisagras rígidas y las aspas azules su diseño con aspas de Nylon. Su mayor capacidad es clara. Adaptado de la figura 4.A del artículo citado.
Termina el artículo con detalles muy técnicos sobre como puede maniobrar tan bien el robot, y examinando también parte de los métodos empleados en sus mediciones.
(1) La diferencia, en general, entre sistemas pasivos y activos está en que los sistemas activos precisan de algún tipo de reacción, y por lo tanto consumo de energía, tanto en el cálculo como la producción de esa reacción, mientras que los pasivos se regulan sin necesidad de intervención externa.
(2) La actitud del robot no tiene nada que ver con su comportamiento, sino con su orientación respecto al plano. Así, el ángulo de actitud del robot es el ángulo respecto al plano del suelo del mismo.
(3) Como usan motores que trabajan a voltajes constantes, esta potencia eléctrica es el producto directo del voltaje que consume el motor por la intensidad de corriente, VI, y así lo representan.
