La radiación de terahercios es uno de los pocos rangos del espectro electromagnético que no se estaba utilizando para aplicaciones prácticas. En los últimos años, esa situación está cambiando y se calcula que en la próxima década puede aportar importantes innovaciones en tecnologías de imagen médica, en las telecomunicaciones o los sistemas de control de calidad de nuevos materiales como el grafeno.

Texto: Daniel Mediavilla | Periodista

Hasta hace poco más de 200 años, si alguien hubiese dicho que existía la luz invisible, habría sido tomado por loco. Sin embargo, en 1800, el astrónomo alemán William Herschel descubrió justo eso. Midiendo las distintas temperaturas de los colores que tomaba la radiación del Sol al pasar a través de un prisma, colocó un termómetro justo en el extremo del arcoíris, un poco más allá de la luz roja. Su propósito era medir la temperatura ambiente de la habitación, pero el resultado del experimento fue mucho más impactante. La temperatura medida por el termómetro era superior a la de la luz visible y el científico concluyó que debía haber algún tipo de luz invisible que hacía subir el mercurio. Tras comprobaciones posteriores supo que había descubierto la radiación infrarroja. A partir de ese momento se fueron explorando las frecuencias del espectro electromagnético y, desde entonces, hemos encontrado muchas ‘luces invisibles’ con infinidad de utilidades, desde las microondas con las que calentar la leche a los rayos X que permiten ver a través de la carne.

Una de las frecuencias menos utilizadas hasta ahora es la de los rayos T, que se encuentran en un espacio entre los infrarrojos descubiertos por Herschel y las microondas, en una banda que la Unión Internacional de Telecomunicaciones reserva entre los 0,3 y los 3 terahercios. Aunque como muchos otros tipos de radiación electromagnética, están por todas partes, hasta finales de los años 80 no era sencillo detectarlos o producirlos. Desde la década de los 60 ya se habían generado imágenes con esta radiación en busca de señales muy lejanas, como las que deja el eco del big bang en el fondo cósmico, pero hasta hace menos de 30 años no empezaron a despertar el interés sobre su verdadero potencial en la vida diaria de las personas.

“Se utilizaba muy poco porque para generar los terahercios hacían falta unas máquinas grandísimas, carísimas y difíciles de manejar”, explica Javier Tejada, catedrático de física de la Universidad de Barcelona. “Pero ahora la tecnología ha hecho que estos generadores sean más pequeños y potentes y junto a la mejora del hardware se ha incorporado una mejora en el software, que incorpora unos algoritmos para análisis de imagen que hacen que la tecnología sea útil de verdad”, añade.

Los rayos T penetran capas finas de distintos materiales, como la ropa, el papel o una taza, pero se detienen ante tejidos más gruesos o incluso ante el agua líquida. Sin embargo, tienen una ventaja importante respecto a otros tipos de radiación como los rayos X: no es ionizante. Esto significa que puede servir para construir equipos de imagen médica sin las limitaciones de los que emplean rayos X, que pueden resultar dañinos para los pacientes si se les expone con demasiada frecuencia. Además, los rayos son sensibles a la composición química del objeto que están atravesando, un rasgo muy interesante para todo tipo de análisis.

“En medicina, lo fundamental es que, como tiene una radiación de onda pequeñísima, de menos de un milímetro, esta radiación puede penetrar en la piel y además analizar lo que te encuentras capa a capa”, continúa Tejada. “Esto puede ser interesante para enfermedades como la psoriasis, en las que para curarla tenemos que saber qué sucede capa a capa, y también ocurre algo parecido con el cáncer de piel”, añade.

Los rayos T interactúan con la materia de una manera diferente a otro tipo de rayos y eso hace que ofrezcan posibilidades complementarias. A diferencia de la luz infrarroja, que produce distorsiones en el agua y en otras moléculas, la radiación T provoca movimientos cotos en grupos de moléculas. El agua la absorbe con intensidad. Por eso, no puede atravesar una masa de este líquido, pero en pequeñas cantidades esa sensibilidad se puede utilizar para hurgar en el interior de los tejidos humanos, que están llenos de él.

Según explicaba Emma Pickwell-MacPherson en la revista Physics World recientemente, “los tejidos sanos y los tumorales interactúan de una forma diferente con la luz en el rango del terahercio debido a las distintas concentraciones de sangre y agua, a las estructuras de los tejidos y a otros factores que modifican sus propiedades ópticas”. Si se iluminase con un rayo T un trozo de piel en el que hay células normales y otras cancerosas, las diferencias quedarían reflejadas en el reflejo de la luz. Sin embargo, como el agua absorbe con tanta intensidad este tipo de radiación, es complicado afinarla señal para discernirla que da información relevante sobre un tumor y la que procede de un exceso de sensibilidad. Este factor es uno de los que han ralentizado la adopción de este tipo de tecnología según la experta.

Biomedicina y otras aplicaciones

La aplicación de los rayos T a la biomedicina se encuentra en una fase de tanteo, tratando en primer lugar de los ámbitos en los que puede aportar una información más precisa o con menos efectos secundarios probables que las tecnologías actuales. En problemas como el cáncer, cualquier método para mejorar la detección precoz de algunos tumores puede ser un impulso para este tipo de alternativas, que también se han planteado como método para calentar y destruir células cancerosas.

Otras aplicaciones de la tecnología ya han mostrado su utilidad. En 2013, Teja[1]da utilizó la radiación que se encuentra entre los infrarrojos y las microondas para destapar la firma oculta del pintor Francisco de Goya en el cuadro El sacrificio de Vesta, de 1771. Las ondas T llegan a diferentes capas de la pintura y reconstruyen una imagen tridimensional de la obra. Además, como sucede en el caso de los tejidos humanos, esta frecuencia electromagnética se absorbe y se refleja de manera diferente dependiendo del tipo de pigmento y material con el que se encuentre, algo que proporciona información espectroscópica adicional sobre los materiales utilizados en la obra. Midiendo la intensidad de los rayos de terahercios reflejados e interpretándola con algoritmos matemáticos, apareció la firma de Goya, que se había plasmado con grafito. Este logro habría sido imposible con imágenes de rayos X, por ejemplo, porque la marca de la firma se confundiría con el entorno de la pintura. En este caso, las ondas THz son más sensibles a la composición molecular y la reflectividad del carbón para esta longitud de onda también es diferente de la pintura que lo rodea. Tejada cuenta que el impacto de aquel trabajo fue tal que recibieron multitud de peticiones de museos para busca secretos ocultos en las obras de arte sin necesidad de poner un dedo encima de las obras.

Albert Redo-Sánchez, uno de los responsables de aquel proyecto, se planteó entonces si podían ir más allá. Pensó en la posibilidad de leer todo un libro sin necesidad de tocarlo. Como sucede con los estudios de pinturas como las de Goya, algunos libros guardados en museos tienen un valor incalculable y el solo hecho de hojearlos pone en peligro su integridad. Según explica Redo-Sánchez, la radiación de terahercios permitiría extraer el contenido de los libros o de documentos antiguos sin tocarlos. Para comprobar si era posible, él y su equipo del MIT imprimieron letras en nueve hojas y después las amontonaron para escanearlas empleando rayos T. Con técnicas anteriores, cuando se intentaban alcanzar las páginas más interiores del libro e identificar las letras impresas, la señal se volvía débil y no era posible acceder más allá de la quinta capa. Con los terahercios, Redo-Sánchez pudo llegar hasta la página número 20, algo que seguiría dejando lejos del alcance de los eruditos los libros más voluminosos, pero que multiplica por cuatro la capacidad de penetración de la técnica anterior.

De la época en que se desveló la firma de Goya con esta tecnología es la creación de una de las empresas pioneras en España en el uso comercial de los rayos T. En 2012 y asesorados por Tejada, Esteban Morrás y Eduardo Azanza fundaron Das-Nano, una compañía con sede en Navarra que ya trabaja con gigantes de la automoción, las industrias aeroespacial y farmacéutica o la banca. “La idea surgió porque previmos que esa parte del espectro electromagnético que aún no se utilizaba demasiado, por la experiencia que tenemos, se acabaría utilizando”, explica Azanza. Por ahora, las tres principales aplicaciones comerciales que tenemos son para la industria eólica, para la aeroespacial y para la inspección de carrocerías de vehículos”, añade. En el caso de las palas, por ejemplo, se puede analizar si hay un pequeño defecto que puede hacer que pierda eficiencia a la hora de convertir el soplo del viento en energía. En este tipo de equipamientos, como en el de los vehículos, la radiación de terahercios puede atravesar capas de materiales no conductores, ofrece información sobre el espesor de las capas y se puede determinar si tienen defectos que escapan a las inspecciones oculares habituales en el caso de los equipamientos eólicos.

Otra de las aplicaciones que también está explorando Das Nano y que tendrá más importancia en el futuro es poder determinar las características físicas de grafeno que se utilice para aplicaciones industriales y ayudar a definir los estándares de calidad de este nuevo material. Muchas de las aplicaciones de la radiación en terahercios tiene que ver con el control de calidad. Ya en 2008, un grupo de científicos demostró que era posible encontrar objetos no metálicos dentro de unas barritas de chocolate. De este modo, era posible detectar antes de que hiciesen daño a los consumidores trozos de piedra, plástico o cristal que habrían superado la prueba del detector de metales que se aplica a estos productos de consumo para evitar que incluyan objetos peligrosos.

En el caso del grafeno, Redo-Sánchez, que también acabó en Das Nano, explica desde un congreso celebrado en San Sebastián en torno a este material que llevan cuatro años desarrollando una tecnología para tratar de evaluar su calidad. Aunque en muestras diminutas como las empleadas en algunos proyectos de investigación es posible emplear técnicas de microscopía electrónica, “faltaban métodos de control para analizar muestras más amplias, como puede suceder con una oblea de grafeno de cuatro u ocho pulgadas”, afirma Redo-Sánchez. “Para conseguirlo, desarrollamos un equipo que podía analizar estas obleas de una forma no destructiva y sin contacto con el material”, continúa. Con esta tecnología pretenden ayudar también a crear un estándar de calidad para el grafeno que vaya acompañado de una serie de pautas para alcanzarlo cuando un grupo de investigadores pretenda fabricarlo en su laboratorio. Así, entre otras cosas, será posible que los resultados de distintos centros de investigación o departamentos de I+D de empresas sean comparables y útiles.

Una de las claves para la generalización de estas tecnologías es reducir el tamaño y el coste. Recientemente, un equipo del Fraunhofer Heinrich HInstitute (HHI) alemán presentó

 un artefacto diseñado para su aplicación en sistemas de seguridad. La longitud de onda de los terahercios permite ver a través de la ropa, de una cobertura de plástico o de una caja de cartón, algo que es útil, por ejemplo, en un aeropuerto o un control de aduana. En principio, generar las longitudes de onda propias de los rayos T re[1]quiere excitar materiales semiconductores con luz de 800 nanómetros, en el límite del rango visible, con un tipo de lá[1]ser. Esta tecnología no es práctica, y el equipo del Fraunhofer desarrolló un tipo de semiconductor que se puede excitar con luz de 1,5 nanómetros, una longitud de onda que es estándar en las tecnologías de telecomunicaciones ópticas, algo que hace que los componentes ópticos y los láser necesarios no sean tan caros.

En Madrid, la compañía Luz WaveLabs también trabaja para convertir los rayos T en una tecnología de uso cotidiano. Nacida como una spin-off (empresa u organización nacida como extensión de otra) de la Universidad Carlos III, ha des[1]arrollado un generador de THz que combina las ventajas de la electrónica y la fotónica para conseguir, según ellos mismos, “una calidad de señal un millón de veces superior al mejor generador fotónico existente en el mercado”. Como en los casos anteriores, sus avances están consiguiendo que los equipos sean cada vez de menor tamaño y tengan un coste que haga que tenga más sentido la generalización de su uso. A diferencia de una máquina de rayos X, los generadores de terahercios son fáciles de transportar, aunque generar imágenes como las que son necesarias para internarse en los secretos de una pintura de hace siglos aún puede suponer meses de trabajo.

Como sucede con otras aplicaciones médicas, la industria farmacéutica ya se puede beneficiar de la capacidad que tienen los rayos T para penetrar en la materia sin dañarla. Este tipo de radiación puede ofrecer una imagen precisa de la estructura de los cristales que conforman un fármaco y de esa manera comprender también mejor su función. En este sentido, tiene un particular interés cómo las diferentes formas cristalinas de un mismo compuesto pueden tener efectos diferentes en la absorción del fármaco o en cómo se excreta una vez que ha cumplido su función. Además, una patente sobre una molécula puede aplicar solo a una de sus formas con sus correspondientes efectos principales y secundarios. Para conocer estas características de los fármacos se ha usado tradicionalmente la cristalografía de rayos X, pero esta técnica es más lenta, difícil de aplicar y no se puede utilizar en una fábrica como se podría hacer con los THz.

Sistemas de comunicaciones

Por último, se están explorando las posibilidades de esta frecuencia electromagnética como medio para transportar in[1]formación. Las microondas, muy cercanas en el espectro, ya se utilizan como base para la telefonía móvil, pero la sociedad contemporánea siempre anda en busca de métodos para transmitir más información y más rápido. En un artículo publicado el año pasado en Nature Communications, investigadores de la Universidad de Brown (EE. UU.) demostraban por primera vez la posibilidad de enviar datos a través de un multiplexor de terahercios, un aparato que combina varias señales a través de un solo canal. Este sistema, que junta y separa señales, se emplea en todos los sistemas de comunicación, desde los móviles a la televisión. A través de la fibra óptica, viajan miles de llamadas y cientos de canales de televisión al mismo tiempo que después se separan en las señales que se reciben de forma individual.

Con la transmisión a través de terahercios, será posible enviar datos 100 veces más rápido que con las actuales redes de telefonía móvil que emplean las microondas. La radiación de terahercios tiene longitudes de onda menores que las microondas y así tiene un mayor ancho de banda para la transmisión de datos. Además, esta frecuencia tiene una señal más enfocada que reduciría el consumo energético de las torres de telecomunicaciones

Los investigadores de la Universidad de Brown pudieron realizar transmisiones a 10Gb por segundo sin errores, me[1]nos que lo necesario para reproducir durante una hora una película en Ultra HD, que solo llegaría a 7Gb. En otra prueba, los científicos incrementaron la transmisión de información hasta los 50Gb por segundo, aunque con esta velocidad sí se produjeron errores en la comunicación, aunque estos defectos se podrían corregir con sistemas de reparación que ya se emplean en telecomunicaciones.

Estos sistemas de comunicación ultrarrápida aún tardarán en llegar. Por un la[1]do, los artefactos que están poniendo a prueba investigadores como los de la Universidad de Brown funcionan, pero están lejos de serlo bastante fiables y reproducibles como para implantarlos a nivel industrial.Además, muchos otros componentes necesarios para una red de telecomunicaciones basada en terahercios aún no existen. Los ingenieros y las compañías que se animen a construir este sistema de comunicación inalámbrica del futuro aún tienen al menos una década por delante, mientras se agota la capacidad de redes como las 4G o las ya casi presentes 5G.

El primer artículo científico sobre la radiación en terahercios se publicó en la década de 1890 en la revista Physical Review. Ahora, por primera vez, la tecnología parece lo bastante madura como para que haya empresas dispuestas a realizar grandes inversiones que rentabilizarán en un futuro próximo. Algunas estimaciones consideran que, dentro de una década, comenzará a generalizarse el uso de los rayos T en muchas de las aplicaciones mencionadas

Mientras llegan las aplicaciones que conviertan a los rayos T en una presencia tan habitual para el gran público como son los infrarrojos o los rayos X, se puede reconocer el campo en el que se descubren muchos de estos fenómenos natura[1]les y se comienzan a utilizar en la búsqueda de conocimiento puro, sin una aplicación evidente. Herschel, un astrónomo reconocido por sus descubrimientos astronómicos y por su habilidad tecnológica para construir los innovadores telescopios con que realizarlos, fue el responsable de abrirnos los ojos a las mu[1]chas luces que nos rodean. La Agencia Espacial Europea lanzó en 2009 un teles[1]copio bautizado como Herschel en honor al científico alemán, un aparato que era una versión en terahercios del telescopio espacial Hubble. En Chile, la red de telescopios ALMA (Atacama Large Millimeter Array), una de las mayores del mundo, también explora el cielo en esta particular luz de onda en busca de objetos del universo temprano. Como ocurre con frecuencia, antes de conseguir dominar la naturaleza para ponerla al servicio de la humanidad, un pequeño grupo de curiosos ha comenzado a cambiarlo todo haciéndose preguntas.