Microondas: de las telecomunicaciones a la cocina

Son simples ondas de radio, de longitud un poco más pequeña, pero cuyas características las han convertido en una de las herramientas clave de nuestra vida actual.

Las antenas de Torrespaña, de RTVE
(Foto CC de Xauxa Håkan Svensson,
vía Wikimedia Commons)

Cuando ponemos las palomitas de maíz en el microondas para una sesión doméstica de cine o un partido de fútbol, estamos reproduciendo sin saberlo un experimento de 1945 que llevó el principio del radar a numerosas cocinas en todo el mundo.

El experimento en cuestión fue inspirado por un peculiar accidente. Percy Spencer, ingeniero autodidacta contratado por la empresa Raytheon, estaba investigando las características y fabricación de los magnetrones usados para producir ondas de radar. Un día, después de estar un tiempo frente a un potente magnetrón en funcionamiento, descubrió que se había derretido una chocolatina que llevaba en el bolsillo.

Al día siguiente, Spencer hizo un experimento informal llevando maíz para palomitas a su laboratorio y colocándolo frente al magnetrón, con los mismos resultados que obtenemos nosotros en nuestras cocinas. Un año después, Raytheon empezaba a vender un horno de microondas primitivo, basado en la patente de Spencer… y el público en general se familiarizaba con la palabra “microondas” aunque probablemente no con su significado.

Las microondas se definen son ondas de radio con longitudes de onda entre un metro y un milímetro o bien de frecuencias entre 1 y 100 GHz o gigaherzios (es decir, que oscilan entre 1.000 y 300.000 millones de veces por segundo). Son más potentes y de mayor frecuencia que las ondas que utilizamos para la transmisión de radio y menos potentes que la radiación infrarroja, la luz visible, los rayos X y los rayos gamma.

Una de las características peculiares de las microondas es que ciertas sustancias como las grasas o el agua absorben su energía y entran en movimiento, chocando entre sí y produciendo calor. Es un fenómeno que los físicos llaman “calentamiento dieléctrico” y que es el responsable de que nuestros pequeños hornos puedan calentar la comida “agitando” sus líquidos y grasas sin calentar ni el aire ni los recipientes. Las microondas que utilizan nuestros hornos tienen una longitud de onda de 122 milímetros.

Las microondas habían sido previstas por las ecuaciones publicadas en 1873 por el físico escocés James Clerk Maxwell. Al entender que el magnetismo y la electricidad eran una misma fuerza, la electromagnética, y describir su funcionamiento, preveía la posibilidad de que existieran ondas electromagnéticas invisibles con longitudes de onda mucho mayores que las de la luz visible (que tiene longitudes entre unos 400 y 700 nanómetros, o millonésimas de metro).

Fue Heinrich Hertz quien a partir de 1886 hizo los experimentos que demostraron que estas ondas existían y que se podían transmitir, convirtiéndose en el primer hombre que generó ondas de radio.

El siglo XX comenzó de lleno con el esfuerzo por generar, controlar y utilizar efectivamente esas ondas, con las experiencias y desarrollo de la radio por parte del italiano Guillermo Marconi. Con base en ellas, Nikola Tesla propuso que se podían utilizar ondas electromagnéticas para localizar objetos que las reflejaran, principio que fue utilizado por el francés Émile Girardeau en 1934 para crear el primer radar experimental utilizando el magnetrón, inventado en 1920 por Albert Hull, para emitir microondas, que son reflejadas por los objetos metálicos.

El radar, palabra procedente de las siglas en inglés de “detección y localización por radio”, se desarrolló rápidamente en varios países, pero fueron los británicos los primeros que lo emplearon con éxito para detectar la entrada de aviones enemigos en su espacio aéreo. Continuó siendo un elemento fundamental durante toda la Segunda Guerra Mundial.

Desde el radar y el horno, las microondas han encontrado una variedad asombrosa de usos en nuestra vida.

En el terreno de las comunicaciones, las microondas tienen la ventaja de que se pueden transmitir en haces muy estrechos que pueden ser captados por antenas igualmente pequeñas. Por ello se utilizaron, antes de que existiera la fibra óptica, para crear enlaces terrestres como los de telefonía y televisión. La comunicación por microondas se realiza en lo que se llama “línea de visión”, es decir, no debe haber obstrucciones (incluida la curvatura de la Tierra) entre antenas. Así, la señal se iba relevando de una a otra antena de microondas situadas generalmente en puntos geográficos elevados.

Los satélites se enlazan mediante microondas entre sí y a las estaciones terrestres que los controlan y dirigen, y a todos los puntos a los que envían su información. Todo lo que obtenemos de los satélites nos llega por microondas, sean datos meteorológicos, las fotografías del telescopio Hubble, mediciones del magnetismo terrestre o los datos para la navegación por satélite, como los del sistema GPS estadounidense que hoy está presente en la mayoría de los automóviles y el futuro Galileo de la Unión Europea.

Las microondas, además, permiten la existencia de la telefonía móvil y otros sistemas de comunicación inalámbrica como el bluetooth y el wifi. Su eficiencia a baja potencia permite tener transmisores y receptores pequeños y de bajo consumo. Y pese a todas las afirmaciones poco informadas en contrario, son, hasta donde sabemos, inocuas para la salud humana, lo cual se explica fácilmente al tener en cuenta que tienen mucho menos energía que la luz visible.

La radioastronomía, por su parte, observa la radiación de microondas del universo e incluso las utiliza para realizar tareas tan diversas como calcular la distancia de la Tierra a la Luna o para poder cartografiar la superficie de Venus a través de su eterna capa de nubes.

Estas peculiares ondas de radio podrían ser, además, protagonistas de uno de los avances más anhelados de nuestro tiempo: la fusión nuclear controlada, que podría darnos cantidades enormes de energía con mínima contaminación y a bajo coste. En los reactores, las microondas se emplean para ayudar a calentar el hidrógeno y disparar la reacción en la que las moléculas de este elemento se unen formando helio y generando energía tal como lo hace nuestro sol.

La huella del big bang En 1948 un estudio predijo que el universo entero tenía una radiación de microondas cósmica de fondo, misma que fue descubierta en 1965 por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson, quienes acabarían recibiendo el Premio Nobel de Física por su descubrimiento. Estas microondas presentes de modo uniforme en todo el universo son ni más ni menos que el “eco” o el calor restante producto de la colosal explosión llamada “Big Bang” en la que se originó nuestro universo, el tiempo y el espacio. No sólo demuestran que ocurrió, sino que pueden decirnos mucho sobre cómo ocurrió.

Satélites de comunicaciones y GPS

Satélite GPS-IIRM
(D.P. vía Wikimedia Commons)

Ciertos avances tecnológicos pueden a veces implantarse de modo tan silencioso que no apreciamos el alcance del cambio que producen en nuestras vidas, como los satélites de comunicaciones.

La primera vez que se propuso la posibilidad de utilizar satélites para retransmitir señales de comunicación entre dos puntos de la Tierra ni siquiera había comenzado la era espacial.

Era octubre de 1945, y el especialista e instructor de radar de la Real Fuerza Aérea británica, Arthur Charles Clarke, aficionado a la astronomía y a la lectura de relatos de ciencia ficción desde su niñez, publicaba el artículo “Retransmisores extraterrestres: ¿pueden las estaciones cohete darnos cobertura mundial de radio?” en la revista Wireless World, dedicada a la radio y la naciente rama de la electrónica.

La idea del joven soldado que no había podido pagarse una educación universitaria por los recursos limitados de sus padres era ubicar un satélite artificial en una órbita geoestacionaria, es decir, que se mantuviera siempre sobre el mismo punto de nuestro planeta. Para conseguir esa posición el satélite debe tener una órbita geosincrónica, es decir, dar una vuelta a la Tierra en exactamente el mismo tiempo que tarda la Tierra en girar una vez alrededor de su eje y que esa órbita esté directamente sobre el ecuador terrestre, además de mantener la misma altura todo el tiempo.

Con esas características, el satélite funciona como un punto fijo visto desde nuestro planeta, y puede por tanto recibir comunicaciones con una antena y reenviarlas con otra, consiguiendo unir puntos sumamente distantes de modo muy sencillo. Cualquier otra órbita que no sea una “órbita de Clarke” como se le llama actualmente, exige que el satélite tenga antenas móviles para hacer el rastreo de las señales entrantes con una antena y mantenerse “apuntando” al punto de recepción de la señal.

Unir esos mismos puntos sin los satélites requeriría de una red de estaciones repetidoras o retransmisoras en línea de visión la una de la otra, pues ondas como las de televisión o las microondas viajan en línea recta.

El soldado pasó a convertirse en el autor de ciencia ficción Arthur C. Clarke, creador, entre otras muchas historias, de 2001: una odisea del espacio, mientras que otras personas se acercaban a la idea del satélite de telecomunicaciones para hacerla realidad. Primero, los satélites se utilizaron para almacenar y reenviar mensajes grabados, como el SCORE de 1958, o eran globos aluminizados que reflejaban pasivamente ondas de radio o de radar.

Pero el 10 de julio de 1962 se lanzaba el primer satélite de telecomunicaciones que activamente recibía y retransmitía señales, el Telstar 1, que en su breve vida (dejó de funcionar el 21 de febrero de 1963) retransmitió imágenes de televisión, llamadas telefónicas e imágenes de fax, realizando el primer enlace directo transatlántico entre Estados Unidos y Europa.

Los satélites de comunicaciones de hoy en día no sólo utilizan órbitas Clarke, sino otras varias órbitas en función de las necesidades que sirven. La telefonía, por ejemplo, fue una de las principales aplicaciones hasta que el uso de cables submarinos de fibra óptica empezó a desplazarlos por ser más eficientes y económicos, salvo por los teléfonos que se comunican directamente con los satélites, usados en sitios inaccesibles y sin servicio ordinario.

Uno de los principales usos de los satélites de telecomunicaciones es la televisión, tanto la que se transmite directamente a los hogares “via satélite” hasta los enlaces de grandes emisoras con sus subsidiarias, o de reporteros y unidades remotas hacia las centrales de producción. Así, por ejemplo, las imágenes de un partido de fútbol se envían usando enlaces de satélite desde la central de realización en la unidad remota hasta la central, de donde la señal se reenvía a las televisoras nacionales, o a las emisoras de televisión digital usando otros varios enlaces de satélite en todo el mundo.

Salvo por pequeños retrasos debidos a la gran distancia a la que están los satélites de comunicaciones, la señal de cada jugada del Mundial estará en todos los televisores del mundo prácticamente en el mismo momento en que ocurra.

Otras utilizaciones son la radio por satélite, el servicio de Internet por satélite, las comunicaciones militares de distintos ejércitos o grupos multinacionales como la OTAN y, de manera muy especial, la navegación, y no sólo la que ocurre en embarcaciones, sino todo tipo de navegación u orientación en cualquier vehículo terrestre, aéreo, marítimo o, incluso, a pie.

La navegación con ayuda de satélites se realiza gracias al llamado Sistema de Posicionamiento Global, GPS por sus siglas en inglés. Este sistema proporciona información precisa sobre la ubicación y la hora de cualquier receptor de GPS que pueda “ver” (es decir, que esté en la línea de visión directa) al menos cuatro satélites de los entre 24 y 32 satélites que actualmente forman la red. El primero de ellos se lanzó en 1989, la constelación de 24 satélites se completó en 1994 y se han seguido lanzando satélites más avanzados para reemplazar a los que van saliendo de servicio.

Nuestro receptor GPS, instalado en el automóvil o como parte de nuestro teléfono móvil, ordenador portátil o agenda electrónica, recibe las señales enviadas por los satélites mediante microondas. Estas señales incluyen entre sus datos el momento preciso del envío de la señal, la información orbital precisa del satélite y las condiciones generales del sistema junto con una ubicación general de sus órbitas.

El receptor, verdadero portento informático, realiza a velocidad vertiginosa el cálculo del tiempo de transmisión de cada uno de los cuatro o más mensajes que recibe y computa la distancia a cada uno de los satélites. Mediante un algoritmo matemático, calcula su posición respecto de los satélites, y ésa es la posición que se nos muestra, ya sea simplemente como un conjunto de coordenadas o situándonos en un mapa que nos pone en el contexto de nuestro entorno.

Los mapas de papel, los extravíos tremendos, el tiempo perdido y los problemas para localizar, por ejemplo, a víctimas de deslaves o avalanchas, poco a poco se van sustituyendo por este sistema, originalmente creado para la guerra y que sin embargo hoy ahorra tiempo, facilita la vida y, en muchos casos, salva vidas en tierra, mar y aire.

Del ejército a la vida civil El sistema GPS nació como un proyecto de la década de 1970 para el ejército de Estados Unidos. El sistema se puso a disposición de los civiles después de que, en 1983, un caza soviético derribara a un avión civil de pasajeros coreano. Debido a un error de navegación, el vuelo KAL 007 entró en espacio aéreo prohibido por la Unión Soviética, y en el ataque resultante murieron sus 269 ocupantes.

La gravedad que no falla

El satélite “GOCE” de la Agencia Espacial Europea inaugurará la observación terrestre desde órbita, ayudando a conocer nuestro planeta, su gravedad y la circulación de las aguas oceánicas.

Imagen artística del satélite GOCE
(Imagen de la ESA)

En su canción “Just like Tom Thumb’s blues”, Bob Dylan cantaba: “Cuando estás perdido en Ciudad Juárez / y es Pascua también / y tu gravedad falla / y la negatividad no te saca adelante”. La pérdida de la gravedad era, claramente, un desastre de especiales consecuencias en la melodía, y lo sería en la realidad, pero parece infalible, y le da al universo cohesión y orden. Lo extraño es que seguimos sabiendo poco acerca de esta fuerza fundamental.

Aristóteles ya trataba de explicar los efectos de la gravedad (palabra que no usaban los antiguos griegos, por supuesto), diciendo que todos los objetos “trataban” de moverse a su lugar correcto en las esferas cristalinas de los cielos, y que los objetos se movían hacia el centro de la Tierra (suponemos que debido a que el centro de la Tierra es su lugar correcto, aunque ignoramos cómo concluyó esto Aristóteles) en proporción con su peso. Para los antiguos hindús, también, el peso era el elemento esencial, de modo que la caída dependía del peso del cuerpo que caía. De aquí se derivaba la idea aristotélica de que, siguiendo esa lógica, un objeto diez veces más pesado que otro caía diez veces más rápido, cosa que se aceptó durante un par de miles de años sin poner a prueba la idea. Cuando Galileo la puso a prueba, demostró que el peso era independiente de la velocidad de caída, por lo que, se pudo suponer después, es la masa del objeto hacia el cual se cae (la Tierra, en este caso) la que determina la velocidad de caída. Con esta idea, Isaac Newton desarrolló la Ley de la Gravitación Universal, que puso de cabeza todos los conceptos de la física y la consagró como ciencia.

Pero la descripción precisa de Newton sobre cómo ejercía sus efectos esta fuerza de atracción tampoco describía a tal fuerza con precisión. Era simplemente una atracción ejercida por la masa, nada más. Fue Albert Einstein quien, al desarrollar una teoría más amplia e incluyente que la de Newton, conocida como la teoría de la relatividad, propuso por primera vez un mecanismo de acción. La gravedad, en el universo según Einstein, es resultado de la curvatura del espacio provocada por la masa de los objetos, como si éstos estuvieran colocados sobre una membrana elástica, de modo que los que tienen más masa provocan una mayor curvatura y provocan que otros objetos caigan hacia él. El espacio de Einstein se curva en una dimensión adicional del universo que no podemos percibir, pero el ejemplo es claro en nuestras tres dimensiones. Si ponemos una bola de bolos en un colchón, curvará la superficie de éste de modo que si colocamos cerca de ella una bola menos masiva, como una de golf, la segunda “caerá” hacia la primera debido a la curvatura del espacio.

La explicación de Einstein parece correcta, aunque a nivel subatómico, en el mundo donde las leyes de la física se alteran y entra en acción la mecánica cuántica, la gravedad se describe de modo distinto, y los físicos de las últimas décadas se han dedicado a resolver el difícil problema de unificar las distintas teorías y las explicaciones de las fuerzas fundamentales (electromagnetismo, gravedad, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil) en un solo marco conceptual, que sería la Gran Teoría Unificada, o la Teoría de Todo.

Mientras se resuelven los temas teóricos, sin embargo, sigue siendo necesario conocer a fondo el principal campo gravitatorio que nos afecta, el de nuestro propio planeta, investigarlo, estudiarlo con la más avanzada tecnología. Y allí entra el satélite GOCE.

Un logro singular para la ESA
El GOCE (siglas en inglés de Explorador de la Circulación Oceánica y de Gravedad) está diseñado para proporcionar modelos únicos del campo gravitatorio terrestre y del geoide, es decir, de la forma de la Tierra. GOCE es el primer satélite de las misiones Earth Explorer, diseñadas para proporcionar a un coste moderado una respuesta rápida a temas científicos importantes, usando tecnologías de vanguardia. Programado para lanzarse en mayo o junio, será una herramienta que medirá la gravedad de nuestro planeta. Ya que la atracción gravitacional disminuye con la distancia, era indispensable que el satélite viajara lo más bajo posible para hacer las mejores y más fiables mediciones, para lo cual se situará en principio en órbita a una altura de 270 kilómetros. Esto presentó a los diseñadores un segundo problema: a esa altura, el satélite encontrará restos de atmósfera que frenarán su viaje orbital que será sincrónico con la posición del sol sobre nuestro planeta. Para no caer, el GOCE requiere contar con motores, algo desusado en los satélites hechos por el hombre, y los mejores motores posibles para esta misión son los impulsores iónicos de reciente desarrollo.

El diseño exterior (que incluye alerones para dirigir la nave en la escasa atmósfera, paneles solares y una forma aerodinámica habitualmente innecesaria por la falta de aire), la precisión de sus instrumentos, los motores y la visión de eficiencia que ha dominado el concepto de GOCE ha hecho que sea conocido ya como “el Ferrari espacial”. Las joyas tecnológicas del GOCE incluyen los aparatos diseñados para medir la atracción gravitacional de la Tierra con una precisión sin precedentes, tomando en cuenta el movimiento del satélite, de los instrumentos y de toda interferencia posible. Así, cada uno de los tres pares de acelerómetros que conforman el principal instrumento del satélite puede medir variaciones de una parte en 10.000.000.000.000 (una billonésima) de la gravedad que percibimos en la Tierra, una sensibilidad 100 veces superior a los acelerómetros utilizados en el pasado. Con sus datos, meteorólogos, geodésicos y geógrafos tendrán una idea más clara de cómo es nuestro planeta.

Los impulsores iónicos Los impulsores iónicos, que la ESA utilizó por primera vez en la misión a la Luna Smart-1 en 2006 funcionan con una corriente eléctrica que fluye a través de un campo magnético con la que se acelera un haz de iones (átomos con carga eléctrica, de xenón en el caso del GOCE) expulsándolos de la nave espacial. El impulso que imparten es muy pequeño, apenas suficiente como para sostener una tarjeta postal en el aire, pero como puede ser un impulso continuado durante larguísimos períodos con muy poco combustible, los impulsores iónicos se consideran la mejor opción para misiones muy largas (como fuera del sistema solar) o que, como en el caso del GOCE, requieren relativamente poco impulso para funcionar. EL GOCE, que sólo pesa 1.100 kg., lleva únicamente 40 kg. de xenón como combustible que funcionará con la corriente eléctrica de los paneles solares.