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Física

Los contaminantes en la mira de la luz y el sonido

Una empresa del PIPE desarrolla un sistema fotoacústico que analiza el aire atmosférico

miguel boyayanEl equipo instalado en Unilasermiguel boyayan

Un sistema inédito en Brasil y con escasos similares en el mundo, que servirá medir la concentración de gases contaminantes en la atmósfera por medio de un láser de dióxido de carbono (CO2), se encuentra en su fase final de desarrollo en los laboratorios de la empresa Unilaser, de Campinas. Denominado espectrómetro fotoacústico, dicho sistema fue proyectado por el físico Edjar Martins Telles. Este equipo es capaz de detectar bajas concentraciones de diversos contaminantes monitoreados por los órganos de control ambiental, como el ozono, el dióxido de azufre, el amoníaco y el dióxido de carbono.

Unilaser opera en las áreas de mantenimiento, recuperación y venta de equipos de láser. La empresa fue creada en 1986 por el físico Artemio Scalabrin, profesor del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). Está instalada en el Núcleo de Apoyo al Desarrollo de Empresas de Base Tecnológica (Nade), de la Compañía de Desarrollo del Polo de Alta Tecnología de Campinas (Ciatec), una incubadora de empresas mantenida por la municipalidad.

El proyecto del espectrómetro insumió tres años en investigaciones y contó con el financiamiento del Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE) de la FAPESP. “Ahora estamos en la última fase, empeñados en mejorar el sistema y la automación de las tareas para simplificar la integración entre los usuarios y el equipo”, explica Telles, máster y doctor del Instituto de Física de la Unicamp, con posdoctorado en el National Institute of Standards and Technology (Nist) de Boulder, en el estado de Colorado, Estados Unidos.

Colisión de moléculas
El principio de funcionamiento del sistema es el efecto fotoacústico, una técnica que permite convertir luz en sonido. Para entender esto es necesario empezar por el tipo de láser escogido como fuente de excitación óptica sobre las moléculas de los gases. La elección recayó en el láser de dióxido de carbono (CO2) que posee 90 líneas de emisión dentro del espectro de la franja electromagnética del infrarrojo, con una longitud de onda cercana a los 10 micrones (la milésima parte del milímetro). Este tipo de láser permite detectar varios gases de interés, pues estos presentan una frecuencia de absorción de energía coincidente con las líneas de la franja del infrarrojo.

El corazón del sistema es la célula fotoacústica, un recipiente cerrado en el que circula un flujo de aire atmosférico u otra mixtura gaseosa que será analizada. El haz del láser es alineado en el interior de la célula a través de una pequeña ventana. “Cuando el láser es sintonizado en la misma frecuencia de la molécula de los gases, éstas absorben la energía del láser”, explica Telles. Antes de alcanzar el interior de la célula, el haz pasa por un modulador, que interrumpe y libera la radiación a un ritmo constante, produciendo un efecto similar a una luz intermitente, como la de los coches. Cuando el haz es liberado, las moléculas absorben la energía del láser y alcanzan el nivel de excitación.

En el momento en el que la radiación es interrumpida, éstas retornan al nivel normal, perdiendo el exceso de energía a manos de las moléculas vecinas por medio de colisiones, transformando, así la energía absorbida en energía de movimiento, generando calor. La variación de temperatura es acompañada por variaciones de presión que generan ondas acústicas en el interior de la célula detectadas por un micrófono. La señal eléctrica generada en el micrófono es proporcional a la concentración de las moléculas que absorbieron la energía de la frecuencia específica del láser.

Esta señal es filtrada, para eliminar los ruidos indeseables, y amplificada, para luego ser analizada en una computadora, en donde el espectro fotoacústico de la molécula es registrado e interpretado por un software , también desarrollado en el marco del proyecto. “Cada molécula presenta un espectro fotoacústico único, como si fuera una impresión digital”, afirma Telles. Este equipo puede detectar uno o varios gases simultáneamente.

“Basta sintonizar el láser en la línea de emisión de la franja del infrarrojo con la molécula que se pretende analizar”, explica el investigador. El espectrómetro permite detectar concentraciones pequeñas, del orden de las partes por mil millones (ppmm), que es la franja de concentración de la mayoría de los gases contaminantes. Más allá de aquellos gases que son monitoreados por los órganos de control ambiental, el espectrómetro detecta etileno, etanol, metanol, óxido nitroso, benceno y ácido fórmico.

El descubridor del efecto fotoacústico fue el físico estadounidense de origen inglés Alexander Graham Bell (1847-1922), el inventor del teléfono. Su descubrimiento se produjo en 1880, pero durante casi un siglo, la posibilidad de convertir luz en sonido fue encarada como una mera curiosidad. Solamente en la década de 1930, el efecto comenzó a avivar el interés científico, cuando se percibió que podría ser usado para el análisis de gases. Así nacía la espectroscopia fotoacústica, una técnica que adquirió aún más impulso a partir de la década del 70, con el desarrollo de los láseres y los progresos en el campo de la electrónica.

Una alternativa nacional
Existen en el mundo pocos espectroscopicos fotoacústicos del tipo del construido por la Unilaser; fundamentalmente se restringen a las instituciones académicas. “Solamente son producidos en la Universidad de Nijmegen, en Holanda, que eventualmente atiende pedidos de equipos que detectan tan solo etileno”, cuenta Telles. El precio del equipo es de aproximadamente 110 mil dólares. Pero el costo del modelo nacional es estimado en 130 mil reales, incluyendo la fuente de alta tensión para alimentar al láser de CO2, también desarrollada en el marco del proyecto, que el importado no trae. Cerca del 90% de las piezas utilizadas en el montaje del sistema y en los dispositivos de diagnósticos fue producido en Brasil, un factor que reduce el costo del equipamiento.

Cláudio Alonso, gerente del Departamento de Calidad Ambiental de la Compañía de Tecnología de Saneamiento Ambiental (Cetesb), ve con optimismo la iniciativa de Unilaser. “El país precisa comenzar a formar mercado con tecnología nacional”, afirma. Actualmente, las centrales de monitoreo de la calidad del aire son armadas con varios equipos, uno para cada tipo de contaminante. Todos son importados de Estados Unidos y cuestan entre 10 mil y 30 mil dólares. “En todo Brasil se están importando estos equipamientos”, afirma.

Pese a que el espectrómetro no es capaz de medir todos los contaminantes monitoreados por la Cetesb, según Alonso, este equipo podría ser una alternativa complementaria al sistema ya implementado, siempre y cuando sean respetadas las normas técnicas internacionales de control ambiental. La demanda existe. “Incluso en el estado de São Paulo, que cuenta con una buena cobertura en términos de control del aire, existen todavía regiones importantes que no poseen estaciones de monitoreo o que necesitan algún refuerzo”, dice Alonso. Algunos ejemplos de ello son Guarulhos, en la región metropolitana de São Paulo, Ribeirão Preto, Jundiaí, São José dos Campos y Santos. “Pero con seguridad la demanda fuera del estado es mayor aún”, afirma.

Más allá de las estaciones de monitoreo del aire, fijas o móviles, el espectrómetro también puede ser una opción para las empresas que deben controlar sus emisiones de gases contaminantes, como las industrias petroquímicas. “En el caso de las empresas paulistas con alto potencial de emisión, el automonitoreo es una exigencia de la Cetesb”, dice Alonso.

Frutas y piel
Otros clientes potenciales son las instituciones de investigación en el área ambiental, agropecuaria y médica. “Muchas investigaciones relacionadas con la maduración de frutos dependen de análisis de las concentraciones de etileno, un gas que acelera la maduración de frutos”, afirma Telles. Investigaciones pioneras no Brasil en el área están siendo llevadas a cabo por el profesor Helion Vargas, en la Universidad Estadual del Norte Fluminense (UENF), que utiliza un espectrómetro fotoacústico importado de Holanda.

Estos estudios permiten determinar métodos más adecuados para que el fruto llegue a destino en buenas condiciones de comercialización. En el área médica, el equipo puede ser utilizado en estudios que monitorean el etileno exhalado por la piel, bajo condiciones fisiológicas específicas, como el exceso de calor, traumas, radiación y ejercicios en exceso, tornándose un método con un rápido tiempo de respuesta para monitorear los procesos de estrés.

Las perspectivas indican que dentro de un año este equipo estará listo para su comercialización. “Es el tiempo necesario para que finalicemos la fase de ingeniería del producto”, afirma el investigador. Para obtener los 250 mil reales necesarios para esta fase y poner el producto en el mercado, Unilaser procura concretar asociaciones con empresas interesadas en invertir en el proyecto. La empresa también pretende obtener recursos con el alquiler del equipo. Con seguridad, Unilaser posee un mercado amplio por delante, en el monitoreo de contaminantes en la atmósfera de la gran mayoría de las ciudades, una práctica que ya se ha tornado imprescindible en todo el planeta.

El proyecto
Desarrollo de un Sistema de Medición de Concentraciones de Contaminantes en la Atmósfera con Láseres en el Infrarrojo (CO2) por Espectroscopía Fotoacústica (nº 97/07445-3); Modalidad Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE); Coordinador Edjar Martins Telles – Unilaser; Inversión R$ 115.381,31 y US$ 52.137,80

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