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El “problema de las dolomitas”: los científicos resuelven un misterio geológico de 200 años

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El “problema de las dolomitas”: los científicos resuelven un misterio geológico de 200 años

El profesor Wenhao Sun muestra dolomita de su colección personal de rocas. Sun estudia el crecimiento cristalino de los minerales desde la perspectiva de la ciencia de los materiales. Al comprender cómo se unen los átomos para formar minerales naturales, cree que podemos revelar los mecanismos fundamentales del crecimiento de los cristales, que pueden usarse para fabricar materiales funcionales de manera más rápida y eficiente. Crédito: Marcin Szczepanski, narrador multimedia sénior, Michigan Engineering.

Para crear montañas a partir de dolomita, un mineral común, es necesario disolverlo periódicamente. Este concepto aparentemente paradójico podría ayudar a producir nuevos productos sin defectos. semiconductores y más.

Durante dos siglos, los científicos no lograron cultivar un mineral común en el laboratorio en las condiciones que se creía que lo habían formado de forma natural. Hoy, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan y Universidad de Hokkaido en Sapporo, Japón, finalmente tuvo éxito, gracias a una nueva teoría desarrollada a partir de simulaciones atómicas.

Su éxito resuelve un misterio geológico de larga data llamado el «problema de la dolomita». La dolomita, un mineral clave de las montañas Dolomitas de Italia, las Cataratas del Niágara y los Hoodoos de Utah, es muy abundante en las rocas. más de 100 millones de añospero casi ausente en formaciones más jóvenes.

Wenhao Sun y Joonsoo Kim

Wenhao Sun, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Michigan, y Joonsoo Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en el grupo de investigación del profesor Sun, muestran rocas de dolomita de su colección de laboratorio. Los dos científicos desarrollaron una teoría que finalmente podría explicar un enigma de dos siglos de antigüedad sobre la abundancia de dolomita en la Tierra. Crédito: Marcin Szczepanski, narrador multimedia sénior, Michigan Engineering.

La importancia de comprender el crecimiento de las dolomitas.

«Si entendemos cómo crece la dolomita en la naturaleza, podríamos aprender nuevas estrategias para promover el crecimiento de cristales en materiales tecnológicos modernos», dijo Wenhao Sun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Dow Early Career en la UM y autor correspondiente del artículo reciente. Publicado en Ciencia.

El secreto para finalmente cultivar dolomita en el laboratorio fue eliminar los defectos en la estructura del mineral a medida que crecía. Cuando se forman minerales en agua, los átomos generalmente se asientan perfectamente en un borde de la superficie del cristal en crecimiento. Sin embargo, el límite de crecimiento de la dolomita se compone de hileras alternas de calcio y magnesio. En el agua, el calcio y el magnesio se adhieren aleatoriamente a los cristales de dolomita en crecimiento, a menudo alojándose en el lugar equivocado y creando defectos que impiden que se formen capas adicionales de dolomita. Este desorden ralentiza significativamente el crecimiento de la dolomita, lo que significa que se necesitarían 10 millones de años para producir una sola capa de dolomita ordenada.

Gráfico de la estructura atómica de la dolomita.

La estructura de un borde de cristal de dolomita. Filas de magnesio (esferas anaranjadas) se alternan con filas de calcio (esferas azules) y se intercalan con carbonato (estructuras negras). Las flechas rosadas muestran las direcciones de crecimiento de los cristales. El calcio y el magnesio a menudo se adhieren mal al borde de crecimiento, deteniendo el crecimiento de la dolomita. Crédito: Joonsoo Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales, Universidad de Michigan.

Afortunadamente, estos defectos no están bloqueados. Debido a que los átomos desordenados son menos estables que los átomos en la posición correcta, son los primeros en disolverse cuando el mineral se lava con agua. La limpieza repetida de estos defectos, por ejemplo con lluvia o ciclos de mareas, permite que en tan sólo unos años se forme una capa de dolomita. A lo largo del tiempo geológico, se pueden acumular montañas de dolomita.

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Técnicas avanzadas de simulación.

Para simular con precisión el crecimiento de la dolomita, los investigadores tuvieron que calcular la fuerza con la que los átomos se unirán a una superficie de dolomita existente. Las simulaciones más precisas requieren la energía de cada interacción entre electrones y átomos en el cristal en crecimiento. Estos cálculos exhaustivos suelen requerir enormes cantidades de potencia informática, pero el software desarrollado en el Centro de Ciencia Predictiva de Materiales Estructurales (PRISMS) de la UM ofreció un atajo.

«Nuestro software calcula la energía de ciertos arreglos atómicos y luego la extrapola para predecir las energías de otros arreglos basándose en la simetría de la estructura cristalina», dijo Brian Puchala, uno de los principales desarrolladores del software e investigador asociado en el departamento de Mm. de ciencia e ingeniería de materiales.

Este atajo permitió simular el crecimiento de la dolomita en escalas de tiempo geológicas.

Dolomitas Italia

La dolomita es un mineral tan común en las rocas antiguas que forma montañas como esta cadena montañosa del mismo nombre en el norte de Italia. Pero la dolomita es rara en rocas más jóvenes y no podría haberse producido en el laboratorio en las condiciones en las que se formó naturalmente. Una nueva teoría ayudó a los científicos a cultivar el mineral en el laboratorio a temperatura y presión normales por primera vez y podría ayudar a explicar la rareza de la dolomita en rocas más jóvenes. Crédito de la foto: Francesca.z73 vía Wikimedia Commons.

“Cada paso atómico normalmente requeriría más de 5.000 horas de procesador en una supercomputadora. Ahora podemos realizar el mismo cálculo en 2 milisegundos en una computadora de escritorio”, dijo Joonsoo Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales y primer autor del estudio.

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Aplicación práctica y prueba de la teoría.

Las pocas áreas donde hoy se forma dolomita se inundan intermitentemente y luego se secan, lo que encaja bien con la teoría de Sun y Kim. Pero esa evidencia por sí sola no fue suficiente para ser completamente convincente. Ingresan Yuki Kimura, profesor de ciencia de materiales en la Universidad de Hokkaido, y Tomoya Yamazaki, investigador postdoctoral en el laboratorio de Kimura. Probaron la nueva teoría con una peculiaridad de los microscopios electrónicos de transmisión.

«Los microscopios electrónicos normalmente utilizan haces de electrones sólo para obtener imágenes de muestras», dijo Kimura. «Sin embargo, el haz también puede dividir el agua, haciendo ácido esto puede hacer que los cristales se disuelvan. Normalmente esto es malo para las imágenes, pero en este caso la disolución es exactamente lo que buscábamos.

Después de colocar un pequeño cristal de dolomita en una solución de calcio y magnesio, Kimura y Yamazaki pulsaron suavemente el haz de electrones 4.000 veces durante dos horas, disolviendo los defectos. Después de los pulsos, la dolomita creció unos 100 nanómetros, o unas 250.000 veces más pequeña que un pulgar. Aunque solo eran 300 capas de dolomita, nunca antes se habían cultivado más de cinco capas de dolomita en un laboratorio.

Las lecciones aprendidas del problema de los dolomitas pueden ayudar a los ingenieros a fabricar mejores materiales para semiconductores, paneles solares, baterías y otras tecnologías.

«En el pasado, los cristalistas que querían fabricar materiales sin defectos intentaban cultivarlos muy lentamente», dijo Sun. «Nuestra teoría muestra que se pueden cultivar rápidamente materiales libres de defectos si se disuelven periódicamente los defectos durante el crecimiento».

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Referencia: “La disolución permite que los cristales de dolomita crezcan cerca de las condiciones ambientales” por Joonsoo Kim, Yuki Kimura, Brian Puchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker y Wenhao Sun, 23 de noviembre de 2023. Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adi3690

La investigación fue financiada por la beca PRF New Doctoral Investigator de la Sociedad Química Estadounidense, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.

Experiencia en periódicos nacionales y periódicos medianos, prensa local, periódicos estudiantiles, revistas especializadas, sitios web y blogs.

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La NASA explica cómo SpaceX repostará naves espaciales en órbita terrestre baja

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La NASA explica cómo SpaceX repostará naves espaciales en órbita terrestre baja
Agrandar / Ilustración artística de dos naves espaciales acopladas vientre con vientre en órbita.

EspacioX

El año que viene, la NASA cree que SpaceX estará lista para conectar dos naves espaciales en órbita para una ambiciosa demostración de reabastecimiento de combustible, una hazaña de ingeniería que pondrá la Luna a su alcance.

SpaceX tiene un contrato con la NASA para proporcionar dos naves espaciales con capacidad humana para los dos primeros aterrizajes de astronautas en la Luna como parte del programa Artemis de la agencia, cuyo objetivo es devolver humanos a la superficie lunar por primera vez desde 1972. de estos aterrizajes, en la misión Artemis III de la NASA, está actualmente previsto para 2026, aunque en general se considera un calendario ambicioso.

El año pasado, la NASA otorgó un contrato a Blue Origin para desarrollar su propio módulo de aterrizaje lunar Blue Moon, brindando a los gerentes de Artemis dos opciones para misiones de seguimiento.

Los diseñadores de ambos módulos de aterrizaje miraban hacia el futuro. Diseñaron Starship y Blue Moon para repostar en el espacio. Esto significa que podrían reutilizarse para múltiples misiones y, en última instancia, podrían aprovechar los propulsores producidos a partir de recursos de la Luna o Marte.

Amit Kshatriya, que dirige el programa «Luna a Marte» en la División de Exploración de la NASA, presentó el plan de SpaceX en una reunión con un comité del Consejo Asesor de la NASA el viernes. Dijo que el programa de prueba Starship está ganando impulso y que el próximo vuelo de prueba desde el sitio de lanzamiento Starbase de SpaceX en el sur de Texas se espera para fines de mayo.

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«La producción no es el problema», afirmó Kshatriya. «Están rodando núcleos. Los motores están fluyendo hacia la fábrica. Ese no es el problema. El problema es que hacer lo que están tratando de hacer es un desafío de desarrollo significativo… Tenemos que controlar este problema de transferencia del propulsor. Este es el problema correcto que debemos intentar resolver. Estamos tratando de construir un plan para la exploración del espacio profundo.

Hoja de ruta para repostar

Antes de ir a la Luna, SpaceX y Blue Origin deberán dominar las tecnologías y técnicas necesarias para repostar combustible en el espacio. Actualmente, se espera que SpaceX intente el próximo año la primera demostración de una transferencia de propulsor a gran escala entre dos naves en órbita.

Habrá al menos varios vuelos de prueba más de Starship de aquí a entonces. Durante el último vuelo de prueba de Starship en marzo, SpaceX realizó una transferencia de prueba de propulsor criogénico entre dos tanques dentro del vehículo. Esta transferencia de oxígeno líquido de tanque a tanque fue parte de una demostración financiada por la NASA. Los funcionarios de la agencia dijeron que la demostración permitiría a los ingenieros aprender más sobre cómo se comporta el fluido en un entorno de baja gravedad.

Kshatriya dijo que si bien los ingenieros aún están analizando los resultados de la demostración de transferencia criogénica, la prueba en el vuelo March Starship «fue un éxito en todos los sentidos».

“Este paso quedó atrás”, dijo el viernes. Ahora, SpaceX ofrecerá más vuelos de prueba de Starship. El próximo lanzamiento intentará probar algunas capacidades adicionales que SpaceX no demostró durante el vuelo de prueba de marzo.

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Estos incluirán un aterrizaje preciso del propulsor Super Heavy de Starship en el Golfo de México, que es necesario antes de que SpaceX intente aterrizar el propulsor en su plataforma de lanzamiento en Texas. Otro objetivo probablemente será reiniciar un solo motor Raptor en Starship en vuelo, algo que SpaceX no logró durante el vuelo de marzo debido a velocidades de balanceo inesperadas en el vehículo mientras cruzaba el espacio. Realizar un reinicio del motor en órbita, necesario para guiar a Starship hacia un reingreso controlado, es un requisito previo para futuros lanzamientos a una órbita estable y más alta, donde la nave podría holgazanear durante horas, días o semanas para desplegar satélites e intentar repostar combustible. .

A largo plazo, SpaceX quiere acelerar la cadencia de lanzamiento de Starship a muchos vuelos diarios desde múltiples sitios de lanzamiento. Para lograr este objetivo, SpaceX planea recuperar y reutilizar rápidamente naves espaciales y propulsores súper pesados, aprovechando la experiencia del cohete Falcon 9 parcialmente reutilizable. Elon Musk, fundador y director ejecutivo de SpaceX, quiere reutilizar naves y propulsores lo antes posible. A principios de este mes, Musk dijo que era optimista de que SpaceX podría recuperar un propulsor súper pesado en Texas a finales de este año y aterrizar una nave espacial en Texas el próximo año.

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Bailey nombrado director del Centro Espacial Stennis de la NASA

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Bailey nombrado director del Centro Espacial Stennis de la NASA

John Bailey, director del Centro Espacial John C. Stennis (foto de la NASA)

  • El Centro Espacial Stennis de la NASA, ubicado en el condado de Hancock, alberga a más de 50 inquilinos residentes con una fuerza laboral total de más de 5200 personas.

John Bailey ha sido nombrado director del Centro Espacial Stennis de la NASA en el condado de Hancock, Mississippi, con efecto inmediato.

Bailey se había desempeñado como director interino desde enero.

En una declaración anunciando el nombramiento de Bailey, el administrador de la NASA, Bill Nelson, dijo que confiaba en que Bailey conduciría el sitio de pruebas de propulsión más grande y principal del país hacia un éxito aún mayor.

«John aprovechará sus casi 35 años de servicio federal para liderar nuestra talentosa fuerza laboral en Stennis», dijo Nelson. “Gran parte de la NASA pasa por Stennis. Es donde perfeccionamos nuevas e interesantes capacidades en el sector aeroespacial, tecnológico y de exploración del espacio profundo.

Durante su carrera, Bailey sirvió en la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y la NASA. Se unió al equipo Stennis de la NASA en 1999 y posteriormente ocupó varios puestos. Fue nombrado director asociado de NASA Stennis en 2018 y seleccionado subdirector del centro en 2021.

El Centro Espacial Stennis de la NASA alberga a más de 50 inquilinos residentes con una fuerza laboral total de más de 5200 personas. Es un centro de pruebas clave para los sistemas de lanzamiento, propulsión y motores de la agencia federal.

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Stennis también está creciendo, convirtiéndose en un centro aeroespacial y tecnológico con sistemas inteligentes y autónomos en desarrollo necesarios para la exploración del espacio profundo.

«Este es un momento emocionante para la NASA Stennis y me siento profundamente honrado de liderar su gran familia de empleados que conforman esta tremenda fuerza laboral», dijo Bailey en el anuncio.

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Los científicos descubren una 'sorpresa' que cambia la comprensión del universo

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Los científicos descubren una 'sorpresa' que cambia la comprensión del universo

Volver a los primeros días del universo parece algo que sólo sería posible en la ciencia ficción, pero los expertos han logrado encontrar algo muy lejano en las profundidades del tiempo y real.

Algunos de los astrónomos más importantes del mundo han descubierto algo «realmente sorprendente» ocurrido hace miles de millones de años que podría cambiar por completo la comprensión de nuestro universo.

Este es el resultado del estudio de los resultados de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) del telescopio espacial James Webb de la NASA.

Esta tecnología extremadamente avanzada permite a los expertos estudiar las galaxias más antiguas del universo, dando una indicación de las condiciones que existían hace muchos, muchos años.

El universo tiene alrededor de 13,7 mil millones de años y un equipo de investigadores de la Universidad de Durham pudo observar datos conocidos como formación de barras apenas unos miles de millones de años después de que se formara el universo, lo cual es bastante sorprendente de comprender.

Esto es más que las observaciones anteriores del Telescopio Espacial Hubble, que ofrecen una visión de las condiciones de hace nueve mil millones de años.

Los hallazgos del equipo se publican en la revista. Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

iStock

Los nuevos descubrimientos son más significativos que simplemente ofrecer una visión del pasado más lejana que antes. De hecho, la naturaleza de los hallazgos podría significar que es posible que sea necesario reevaluar nuestra comprensión de los primeros días del universo.

Esto se relaciona con las formaciones de barras, porque la presencia de estas formas más sedentarias es un indicador de ambientes más sedentarios, en comparación con la naturaleza más caótica de las galaxias durante su período de gestación anterior.

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Zoe Le Conte es investigadora de doctorado en el Centro de Astronomía Extragaláctica del Departamento de Física de la Universidad de Durham y también es la autora principal de la investigación.

Le Conte dijo: “Las galaxias del universo primitivo están madurando mucho más rápido de lo que pensábamos. Esto es una verdadera sorpresa porque se esperaría que el universo en este punto fuera muy turbulento con muchas colisiones entre galaxias y mucho gas que aún no se ha convertido en estrellas.

“Sin embargo, gracias al Telescopio Espacial James Webb, estamos viendo muchas de estas barras mucho antes en la vida del Universo, lo que significa que las galaxias se encontraban en una etapa más avanzada de su evolución de lo que se pensaba anteriormente.

«Esto significa que tendremos que ajustar nuestra visión sobre la evolución temprana de las galaxias».

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