La arena fluye en el espacio

Para aprender más sobre el comportamiento de los suelos durante los terremotos, los científicos de la NASA enviarán arena a la órbita terrestre. Sus resultados ayudarán a los ingenieros a construir estructuras más seguras en la Tierra y, algún día, en otros planetas.

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17 de Noviembre, 2000 -- Cuando comienza un terremoto y su casa u oficina comienza a vibrar, es tarde para pensar en lo duro o blando que puede ser el suelo bajo sus pies. Depende de lo que saben y hayan hecho los ingenieros civiles y diseñadores de edificios.

Pero en muchos casos el suelo no se comporta como esperaría. A veces, se comporta como si fuera un líquido (como la nieve durante una avalancha). ¡El suelo fluye! ¿Pero cómo y cuándo ocurre ésto?

Derecha: El comportamiento tipo líquido de la arena, durante el terremoto de 1989 en Loma Prieta - California, dañó este puente que conducía al Moss Landing Marine Laboratory. Crédito: J.C. Tinsley, U.S. Geological Survey.

Un experimento a bordo de la misión STS-107, el año 2001, intentará resolver estas preguntas. El vuelo del transbordador y el experimento marcarán un hito en la historia del programa de transbordadores espaciales de la NASA: el mismo proyecto de investigación habrá volado en tres misiones separadas. ¡Nada de mal para un experimento que tiene como ingrediente principal latas de arena!

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El experimento Mecánicas de Materiales Granulares (MGM por su sigla en inglés) utilizan la "ausencia de peso" de la caída libre en órbita terrestre, para estudiar celdas de prueba de arena en condiciones que no pueden ser reproducidas en la Tierra (ver Vocabulario). Ya se han realizado dos experimentos muy exitosos, que involucraron nueve muestras secas, que volaron a bordo de las misiones STS-79 (1996) y STS-89 (1998). Esta vez, los experimentos en el STS-107 icluirán arena saturada de agua, semejante al suelo de la Tierra.

"Esperamos reproducir la licuefacción de los suelos que ocurren durante un terremoto," dijo el Dr. Khalid Alshibli, científico del proyecto MMG en Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. "Nuestra función aquí es compartir nuestros hallazgos con otros académicos, como así también con ingenieros y constructores civiles."

Izquierda: MGM puede tener también aplicaciones en otros mundos. En esta imagen tomada por el Lunar Orbiter 2 en 1965, se observa la estructura en forma de terrazas del cráter lunar Copérnico. Esta estructura aparentemente fue causada por la fluidización de los suelos luego del impacto de un meteorito.

Desde el comienzo el proyecto MMG ha recibido grandes elogios, ha sido escrutinizado en siete revisiones científicas, revisado por dieciocho académicos y cuatro investigadores industriales. El Dr. Robert Schrieffer, ganador del Premio Nobel en Física 1972 elogió el proyecto MMG calificándolo como " ciencia de clase mundial" y " un esfuerzo apropiado para la NASA."

"Los hallazgos importantes de este experimento, son que nosotros tenemos nuevos conocimientos sobre las propiedades de los materiales granulares a muy bajos niveles de tensión - propiedades que científicos e ingenieros no habían advertido," dijo el Profesor Stein Sture, del Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Arquitectura de la Universidad de Colorado. Sture es el investigador principal del proyecto MMG-III.

"Encontramos, por ejemplo, capacidades de resistencia que son casi el doble de lo que habríamos pensado normalmente," dijo Sture, lo que significa, que bajo ciertas condiciones, una capa de arena puede soportar el doble del peso esperado.

De acuerdo al Dr. Alshibli, la resistencia de los materiales granulares -- ya sea café, el suelo debajo de una casa, o arena bajo las ruedas del vehículo lunar - es causada en primer lugar por la fricción entre las partículas y la tracción entre las caras de las partículas individuales. Miles de millones de partículas contribuyen a la resistencia de todo el material y cualquier pequeño cambio en las condiciones puede tener un gran efecto sobre esta resistencia. "Un ejemplo de ésto sería un paquete de café envasado al vacío," dijo Alshibli. Antes que sea abierto, es sólido y resistente. "Cuando lo abre se alivia la presión y los granos se mueven libremente."

Above: La posición que tienen las partículas en un recipiente puede cambiar radicalmente durante cambios cíclicos en la carga que reciben, como ocurre en un terremoto o al agitar un envase para compactar un polvo. La adhesión entre las partículas (1) mantiene un gran hueco. Una pequeña tensión en sentido contrario a los punteros del reloj (2) hace colapsar el hueco, y otra tensión mayor (3) forma nuevos huecos, que colapsan cuando la tensión revierte el sentido (4). (T.L. Youd, "Packing Changes and Liquefaction Susceptibility", Journal of the Geotechnical Engineering Division, 103: GT8, 918 / 922, 1977 ).

Los ensayos en la STS-107 se concentrarán en el agua entrampada en el suelo y como el agua afecta el comportamiento del suelo, cuando los cambios en la carga ocurren a una velocidad mayor que la velocidad con la que el fluido entrampado puede escapar. A medida que la presión del agua o aire aumenta sobre las partículas, la tensión intergranular que mantiene el suelo unido decrece y el suelo se debilita. Cuando la carga externa iguala la presión interna, ocurre la licuefacción del suelo.

En estas condiciones, las partículas del suelo actúan como si no estuviesen vinculadas y toda la masa fluye como un líquido. Es importante para los ingenieros civiles entender como y cuando esto ocurre. "Cuando la arena esta por debajo de la capa de agua subterranea, un terremoto puede causar que la arena se licúe y se comporte como un fluido," dijo Alshibli.

Derecha: El vehículo todo terreno Sojourner de la NASA, dejó su huella en el suelo marciano. El diseño de los vehículos de exploración planetaria - e incluso los vehículos terrícolas -- puede beneficiarse de la mejor comprensión de la mecánica de suelos. Crédito: JPL/NASA.

Los estudios en "ausencia de peso" (1) realizados en el transbordador en órbita (caída libre) de estas propiedades son muy importantes, porque las tensiones inducidas por el peso en la superficie de la Tierra complican el análisis. El ambiente sin peso permite a los científicos llevar a cabo experimentos de mecánica de suelos con presiones de confinamiento muy bajas.

Entender estos fenómenos es esencial para mejorar las técnicas de construcción de edificios en lugares aquí en la Tierra, tanto como para futuros lugares de construcción en la Luna o Marte. La información obtenida de estos estudios ayudará al almacenamiento, manejo y procesado de materiales como granos, polvos y fertilizantes.

El equipo del experimento MGM incluye celdas de prueba con forma de prisma con encamisados Lexan presurizadas y llenas con agua, para confinar y estabilizar muestras de arena durante el lanzamiento y el reingreso a la Tierra. La arena está contenida en una manga de látex impresa con un reticulado, que permite a las cámaras registrar cambios en forma y posición. Cada muestra tiene 1.3 kg (2.8 lbs) de arena, 7.5 cm de diámetro y 15 cm de alto (3 in. x 6 in.). Placas de tungsteno metálico adosadas a tres varillas guía tapan cada extremo de las muestras. Se utilizó arena para concreto tipo Ottawa F-75, ampliamente utilizada en experimentos y evaluaciones de ingeniería civil. Es arena natural de cuarzo con granos finos (0.1 a 0.3 mm de diámetro).

Un motor eléctrico paso a paso, moviendo la placa superior, controla la compresión y relajación de la muestra. La celda del experimento está adosada a una plataforma de observación y pruebas montada en el centro de tres cámaras CCD.

"Las cámaras están montadas con 120 grados de diferencia, dandonos una visión de 360 grados," dijo Alshibli.

Right: Haga click sobre la imagen para ver una película más larga de 9 cuadros que muestra como una muestra MGM fue comprimida durante el vuelo del transbordador STS- 79. La velocidad de la película puede inducir a error; el proceso completo toma alrededor de una hora.

Las muestras que retornan a la Tierra son examinadas para conocer los detalles de su estructura. Se escanean con Tomografía Computarizada produciendo una serie de imágenes en "rodajas" cada 1 mm a lo largo de la muestra. Con estos datos, los científicos reconstruyen imágenes tridimensionales que revelan los patrones complejos y muestran como la muestra de arena ha cambiado internamente. Finalmente las muestras son impregnadas con resinas epoxy para estabilizar la columna de arena, y cortadas en rodajas de 1 mm de ancho para inspeccionarlas en detalle bajo un microscopio óptico.

Todos estos juegos con arena podrían parecer incongruentes para los científicos serios, pero los estudios sobre los materiales granulares conducirán con seguridad a una mejor ingeniería aquí en la Tierra y, quizás un día, también en otros planetas.