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Tecnología

Ya contamos con radar de láser

Un proyecto integrante del Programa Jóvenes Investigadores presenta el primer equipo hecho por brasileños para medir partículas en suspensión en la atmósfera

Una luz que recorre los cielos y puede revolucionar los métodos utilizados en los procesos de medición de la contaminación en Brasil. Observadores atentos pudieron verla a mediados de octubre cerca del campus de la Universidad de São Paulo (USP) de la capital del estado, durante las pruebas fueron realizadas por un grupo del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen) de la Comisión Nacional de Energía Nuclear. Se trata de un radar de haz de láser desarrollado de modo pionero en Brasil desde 1995 en el marco del proyecto Programa de Desarrollo de un Sistema de Sensor Remoto para Monitoreo de Contaminantes en la Atmósfera de São Paulo, financiado por la FAPESP y encuadrado en el programa Jóvenes Investigadores, coordinado por el físico nuclear Eduardo Landulfo, del Ipen. El proyecto deberá estar concluido en julio.

El objetivo del radar de láser o Lidar (light detection and ranging, o detección de luz y medición de distancia) es medir los contaminantes suspendidos en partículas en la atmósfera (polvo, humo y hollín), con el uso del haz de luz láser a través del método denominado retroesparcimiento. Esta técnica permite que la señal de láser retorne al punto emisor tras encontrar una partícula o un objetivo cualquiera. El equipo propuesto por Landulfo fue presentado en julio del año pasado en la 20a Conferencia Internacional de Radar de Láser.

Un medidor poderoso
El Lidar del Ipen tiene varias funciones, estipuladas en su montaje. Suministra datos sobre partículas en suspensión y advierte sobre la adopción de acciones de emergencia en períodos de paralización atmosférica, cuando los niveles de contaminantes revisten riesgos para la salud pública, lo que puede hacerlo decisivo para una solución más eficiente de las cuestiones ambientales en los grandes centros urbanos. Las empresas que monitorean la contaminación funcionan actualmente con estaciones de calidad del aire, equipadas básicamente con filtros que colectan datos para análisis varias veces al día y suministran datos para la preparación de boletines sobre calidad del aire, como se hace en el Gran São Paulo, por ejemplo.

El radar de láser imprimirá mayor dinamismo a ese trabajo, ya que el aparato verifica instantáneamente los contaminantes en suspensión. Además, permite hacer seguimientos frecuentes de las áreas más contaminadas: a partir de la emisión del láser, se puede establecer la composición de las partículas y de los gases suspendidos.

Pruebas y ajustes
El equipo que consta en el proyecto desarrollado en el Ipen funciona con un tipo de láser denominado Nd:YAG, compuesto por el elemento químico neodimio (Nd) y un cristal sintético llamado YAG y constituido por óxido de itrio y óxido de aluminio. Ese conjunto emite luz láser al ser accionado por un tipo particular de lámpara. Por ahora, se usa un láser prestado por el grupo de Espectroscopía del Centro de Láser y Aplicaciones del Ipen. El grupo brasileño espera la compra de un nuevo equipo para finalizar el montaje del sistema, que será instalado en las dependencias del Ipen. El laboratorio destinado al mismo se asemeja a una sala común, a excepción de la abertura en el techo, para el cual apuntará el telescopio de emisión y recepción del láser. No se descarta el desplazamiento del equipo hacia fuera del laboratorio, pero eso depende de la adquisición de un vehículo utilitario adaptado para su transporte, cosa que no figura en el proyecto.

“Los resultados que logramos hasta ahora muestran que estamos en el camino correcto”, afirma Landulfo, quien agrega que, con la conclusión del trabajo, se podrán efectuar mediciones en períodos mayores y con mayor frecuencia. “La idea es hacer pruebas que duren cerca de ocho horas, para obtener evaluaciones más amplias sobre el comportamiento de los contaminantes en la región”, explica. Landulfo revela que el tiempo que falta para la conclusión del proyecto, prevista para julio, es utilizado en ajustes y simulaciones.

Las pruebas se hicieron en octubre, durante una semana, con siete horas de medición, y contaron con la participación de una investigadora del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe). Los resultados permitieron hacer comparaciones con los datos obtenidos por la Companía Estadual de Tecnología y Saneamiento Básico (Cetesb) y por el Grupo de Estudios de Contaminación del Aire (Gepa, sigla en portugués) de la USP. “Las pruebas fueron muy importantes, porque posibilitaron evaluar toda la performance del sistema”, dice Landulfo. El próximo paso será obtener la validación de los datos por parte de una entidad internacional, para después publicarlos.

La investigación es seguida por Alexandros Papayannis, jefe de investigaciones en Lidar de la Universidad Técnica de Atenas, en Grecia. Él es responsable por la supervisión de los datos del experimento brasileño. El proyecto Lidar fue aprobado en 1998 y es desarrollado por un grupo multidisciplinario integrado por diez personas. “La mayor dificultad encontrada por nuestro equipo hasta ahora fue la de calibrar el equipo para operar de acuerdo a las particularidades de nuestra atmósfera”, afirma Landulfo. Él cuenta que buena parte de la contaminación de São Paulo es formada por material en partículas e inhalable.

“Además de medir la contaminación con mayor agilidad, se pretende que el equipo también esté en condiciones de prever con antelación las inversiones térmicas que ocurren durante el invierno”. La inversión térmica ocurre cuando una capa de aire caliente impide la dispersión de contaminantes. El Lidar desarrollado en el Ipen tiene capacidad de medir la distribución del material en suspendido en partículas en el perfil vertical en un radio de 5 a 6 kilómetros. “Con esa capacidad, estamos en condiciones de superar la capa límite, situada entre 200 y 2 mil metros de la superficie, que forma la parte de la atmósfera en la cual se da la mayor interacción con el hombre y la concentración de contaminantes en partículas”, comenta Landulfo. Más allá de esa característica, el nuevo Lidar está condiciones de cubrir el área de cuatro estaciones medidoras convencionales.

Para su construcción fueron necesarias inversiones por cerca de65 mil dólares, utilizados en la compra de equipos, como el telescopio importado de Francia, un osciloscopio digital, detectores y material óptico. Para completar el equipamiento solo falta la fuente de láser, comprada por 23 mil dólares. “Estamos aguardando la llegada del láser para concluir nuestro laboratorio”, dice el investigador.

De interés general
Él ya ha perdido la cuenta de las horas que pasó en los laboratorios del Ipen haciendo simulaciones con el fin de ajustar el equipo a las condiciones ambientales de São Paulo. Las pruebas hasta ahora usaron el aparato de láser del Ipen (menos la fuente francesa), por eso son necesarias casi dos horas de intervalo para que el equipo no sea dañado y se requiere de un técnico para manipular el aparato.

Los usuarios potenciales del Lidar son las agencias ambientales, como la Secretaría del Verde y Medio Ambiente (SVMA) del municipio de São Paulo, por ejemplo. “Antes incluso de la conclusión, el resultado de nuestro trabajo está creando gran expectativa en la comunidad científica nacional e internacional”, revela. El proyecto del Lidar brasileño también despertó la atención del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), que otorgó una bolsa de productividad a Landulfo.

El proyecto, que debe redundar en una patente, está despertando el interés de empresas del área de instrumentación ambiental. El primer Lidar brasileño será entregado a un organismo de control de contaminación del aire de la ciudad de São Paulo. Y continuará trazando el cielo de la capital paulista con sus haces de luz.

La distancia entre la Tierra y la Luna

El descubrimiento del láser (light amplification by stimulated emission of radiation, luz amplificada por emisión estimulada de radiación, en inglês) se pordujo en los años 60, y el uso más célebre de un aparato de Lidar se efectuó en 1969, cuando el equipo de la misión Apollo 11, la primera en posar en la Luna, instaló un reflector en el satélite. Con la emisión de un haz de láser a partir de la Tierra, fue posible medir con precisión la distancia entre los dos cuerpos.

Actualmente, el radar de láser es empleado, entre otros fines, para la detección de cuencas petroleras, derramamientos de petróleo y cardúmenes de peces. También se usa para calcular el tamaño del agujero de la capa de ozono. Prototipos de un medidor de contaminación por láser surgieron en Alemania y en Francia en la década del 70. Se han realizado mediciones de contaminación ambiental en Estados Unidos y Japón. Con todo, fue el desarrollo de un emisor de láser en estado sólido, más compacto, lo que permitió construir equipamientos menores y facilitó el desplazamiento de esos aparatos fuera de los laboratorios.

En Europa, Asia y América del Norte hay cerca de cien equipamientos similares al que el Ipen desarrolla, en tanto que en América Latina solo hay uno de esa categoría (altitud de hasta 10 kilómetros) en funcionamiento, en Buenos Aires. Algunas empresas brasileñas llegaron a importar equipos terminados para el trabajo de medición de contaminantes, pero la iniciativa acabó siendo abandonada. Motivo de ello fueron las dificultades de adaptación de los equipamientos a las condiciones climáticas y atmosféricas imperantes en Brasil. El Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) usa un Lidar para medir la concentración de iones de sodio, pero éste supera los 80 kilómetros de altitud.

En 2003, la Nasa, agencia espacial norteamericana, efectuará una barredura de toda la atmósfera terrestre con un Lidar, para observar el clima, las nubes y los aerosoles en suspensión. Los países que ya utilizan el Lidar pueden ser invitados a participar.

EL PROYECTO
Programa de Desarrollo de un Sistema de Sensor Remoto para el Monitor e o de Contaminates en la Atmósfera de São Paulo
Modalidad
Programa Jóvenes Investigadores
Coordenador
Eduardo Landulfo – Ipen
Inversión
R$ 31.790,25 y US$ 68.650,70

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