ASU recicla la investigación

Lamento reventar tu burbuja, pero el helio escasea en todo el mundo. Este gas, más ligero que el aire, es conocido por hacer flotar globos de fiesta, pero tiene muchos otros usos importantes, como imágenes médicas, fabricación de microchips y prueba de cohetes.

Para aprovechar al máximo su suministro, la Universidad Estatal de Arizona ha equipado su Centro de Investigación de Resonancia Magnética con un sistema sostenible que recicla el helio que utiliza para la investigación. Allí, los científicos trabajan para comprender temas como el cáncer, la percepción del dolor y los plásticos degradables.

Durante casi un siglo, Estados Unidos ha sido el mayor proveedor de helio del mundo. Si bien nuestra industria del helio estuvo históricamente dirigida por el gobierno federal, ahora está en transición hacia una industria privada. Debido a esa transición y al cierre de la Reserva Federal de Helio, la producción de helio ha disminuido en los EE.UU. Ahora, este gas crítico proviene cada vez más de otros países como Qatar, Rusia y Argelia, pero el precio y el suministro no son estables debido a la inestabilidad en estas regiones.

El helio es un recurso no renovable que se produce en las profundidades de la Tierra a medida que los materiales radiactivos, como el uranio, se desintegran. El helio burbujea gradualmente hacia arriba y, aunque la mayor parte escapa de la superficie del planeta, una pequeña porción queda atrapada bajo densas cúpulas rocosas bajo tierra, donde la gente puede extraerlo.

La cantidad limitada de helio de la Tierra se reduce constantemente, en parte porque el gas helio es extremadamente difícil de embotellar. Su estructura es tan pequeña que necesitamos contenedores especiales para guardarla.

Pensemos en los globos de cumpleaños, que llenamos con una mezcla de helio y otros gases. Después de unos días, los globos están en el suelo, aunque todavía parecen estar llenos de aire. Esto se debe a que todo el helio se ha filtrado, dejando atrás sólo los demás gases.

Una vez que el helio escapa al aire, atraviesa la atmósfera terrestre y sale al espacio exterior, abandonando el planeta para siempre.

A pesar de su asociación con la decoración de fiestas y las divertidas voces de las ardillas listadas, el helio tiene un lado serio. Su pequeño tamaño lo hace perfecto para probar fugas en cohetes y gasoductos. No es inflamable, lo que lo convierte en una opción segura para las plantas de fabricación que tienen que construir microchips en una cámara estéril llena de gas. Y puede existir en forma líquida cerca del cero absoluto (alrededor de -460 grados Fahrenheit), la temperatura más baja posible.

Su capacidad para permanecer súper frío hace que el helio sea fundamental para las máquinas de imágenes por resonancia magnética. Estas máquinas de resonancia magnética, conocidas por realizar exploraciones médicas detalladas, se basan en imanes superconductores. Estos electroimanes especiales deben mantenerse extremadamente fríos para funcionar correctamente y se estropean si superan una determinada temperatura.

Maquinaria dedicada al reciclaje de helio en el centro, incluido un tanque de transporte especial en primer plano y un purificador, licuador y compresor al fondo. El centro espera recuperar y reciclar al menos el 85% de su helio. Fotografía de Andy DeLisle/ASU

El Centro de Investigación de Resonancia Magnética de ASU depende de las resonancias magnéticas y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (como una resonancia magnética para átomos) para realizar su trabajo, lo que convierte al helio en un recurso clave.

Para aprovechar al máximo su suministro, el centro, una de las principales instalaciones de investigación de ASU, ha instalado un sistema de recuperación de helio diseñado a medida para sus equipos y necesidades.

Dentro de los imanes superconductores, el refrigerante de helio líquido hierve gradualmente hasta convertirse en gas, que es capturado y transportado a través de redes de tuberías de cobre especialmente selladas que le dan al laboratorio un aspecto de destilería. El gas se acumula en bolsas gigantes con capacidad para 16.000 litros cada una. Una vez llenas, el gas de las bolsas se comprime y se almacena en tanques de media presión. Desde los tanques, el helio se envía a un purificador que elimina el vapor de agua, el oxígeno o el nitrógeno antes de convertirlo en líquido, dejando el laboratorio con helio líquido puro listo para su reutilización.

Cada una de las bolsas recolectoras de helio de 16.000 litros de ASU contiene suficiente gas para llenar alrededor de 1.135 globos de fiesta.

"Nuestro objetivo a largo plazo es recuperar y reciclar al menos el 85% de nuestro helio", dice Brian Cherry, científico y director del centro. “Cada cinco semanas, tengo que llenar uno de mis imanes, y si no consigo helio en uno o dos días, se habrán perdido 4 millones de dólares en equipos. Entonces, mientras ahorramos dinero y reciclamos, al mismo tiempo protegemos esa inversión al no tener que depender de un mercado volátil”.

Otras universidades han instalado sus propios sistemas de recuperación, pero Cherry señala que el gran sistema de tanques de almacenamiento de ASU la distingue un poco de las demás. El centro espera demostrar las ventajas de utilizar un sistema de recuperación e inspirar a clínicas, laboratorios y otras instalaciones a adoptar sistemas similares y preservar mejor el suministro mundial de helio. Un punto de venta: el tremendo ahorro de costos.

"Hemos capturado aproximadamente 2.500 litros de helio líquido (casi 2 millones de litros de helio gaseoso) desde junio de 2022", dice Samrat Amin, director de operaciones de Core Research Facilities. Al precio medio actual del helio líquido, el sistema de recuperación ya ha ahorrado al centro unos 55.000 dólares.

"El ahorro de costes con nuestro sistema de recuperación de helio representa una parte importante de nuestro presupuesto operativo", añade Amin. "El sistema no sólo se alinea con los objetivos de sostenibilidad de ASU, sino que también garantiza nuestra capacidad a largo plazo para proporcionar instrumentos críticos que sirvan a los investigadores de toda ASU".

El sistema de recuperación de ASU funcionará en segundo plano para respaldar a alrededor de 150 investigadores (además de laboratorios de enseñanza, empresas externas y colaboradores) que utilizan las instalaciones centrales.

Un rack de muestras para análisis de RMN. Las imágenes de RMN permiten a los investigadores estudiar moléculas en solución, brindándoles una imagen más realista de cómo se comportan las células y las proteínas. Fotografía de Andy DeLisle/ASU

"Hago todo usando espectroscopía de RMN, por lo que el sistema de recuperación de helio fue absolutamente crucial para mí", dice Xu Wang, profesor asociado de la Facultad de Ciencias Moleculares que estudia las proteínas que se unen al azúcar.

Estas proteínas están involucradas en muchos procesos biológicos. Wang ha investigado cómo las proteínas fijadoras de azúcar afectan los síntomas de la enfermedad de Lyme, así como la activación de los glóbulos blancos.

Más recientemente, su grupo de investigación ha estado estudiando una proteína fijadora de azúcar producida por más del 80% de las células tumorales cerebrales que influye en que los tumores crezcan más rápidamente.

El profesor asociado Wade Van Horn estudia las proteínas que se encuentran en las membranas que rodean las células. Estas proteínas transportan información hacia y desde la célula y son importantes para procesos como la unión efectiva de medicamentos a las células.

Está explorando cómo una nueva clase de analgésicos no adictivos interactúa con los receptores celulares. El objetivo es crear formas de predecir qué variaciones de fármacos funcionarán mejor sin depender de costosos ensayos clínicos al principio del proceso.

Existen otros métodos y máquinas para observar estructuras moleculares que no utilizan imanes superconductores y, por lo tanto, helio. El problema es que requieren que las moléculas permanezcan en una posición y en un entorno fijos.

"Lo que hace diferente la RMN es que nuestros estudios están en solución", dice Van Horn. "Podemos ver cómo las proteínas se mueven como lo harían en un contexto biológico".

Esa libertad de movimiento significa que los científicos pueden obtener una imagen más realista de cómo se comportan las células y las proteínas.

Debido a que las máquinas de RMN desempeñan un papel tan crucial, los investigadores no pueden evitar la necesidad de helio. Por eso, cuando los Institutos Nacionales de Salud anunciaron financiación para sistemas de recuperación de helio para instalaciones de RMN, Wang y Van Horn tomaron la iniciativa de presentar la solicitud. Ahora pueden seguir usando helio y usarlo bien.

"Creo que, en un futuro muy cercano, es posible que no podamos adquirir suficiente helio, incluso si estamos dispuestos a pagar precios cada vez mayores", dice Wang. "Este sistema de recuperación de helio será crucial para la sostenibilidad de toda la instalación".

Brian Cherry, científico y director del Centro de Investigación de Resonancia Magnética de ASU, carga muestras en una máquina de RMN automatizada para su análisis. Entre otras aplicaciones, los científicos utilizan imágenes de RMN para investigaciones biomédicas y de materiales. Fotografía de Andy DeLisle/ASU

El sistema de recuperación no sólo respalda la investigación biomédica. Timothy Long, profesor de la Facultad de Ciencias Moleculares, utiliza las mismas máquinas que Van Horn y Wang para desarrollar plásticos y otros materiales sostenibles.

Según el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, la gente produce alrededor de 400 millones de toneladas de residuos plásticos cada año. Para abordar esta carga ambiental, el mundo necesita urgentemente nuevos tipos de materiales ecológicos.

Long está trabajando en la creación de polímeros y compuestos que tengan cualidades deseables y sostenibles. El objetivo es fabricar plásticos que provengan de moléculas inspiradas en la naturaleza, que necesiten menos material y que puedan reciclarse fácilmente sin dejar de funcionar tan bien o mejor que los plásticos tradicionales.

“Usamos las instalaciones centrales del Centro de Investigación de Resonancia Magnética todos los días, probablemente 600 veces al mes, y esas instalaciones son absolutamente críticas para lo que estamos haciendo. La espectroscopia de RMN básicamente nos dice la estructura molecular de lo que hemos creado”, dice Long, quien también es director del Centro de Biodiseño para Fabricación y Materiales Macromoleculares Sostenibles. "Es realmente el primer experimento que debemos hacer antes de hacer cualquier otra cosa".

La estructura molecular de un material determina sus propiedades físicas, como la durabilidad. Estas propiedades luego afectan el rendimiento del material, como su capacidad para soportar condiciones duras. Al observar la estructura molecular, Long puede determinar si un material podrá hacer lo que necesita. Conocer la estructura molecular también brinda a los científicos una especie de receta probada para que otros puedan replicar el material.

“En mi centro de investigación nos preocupa el fin de la vida útil del plástico y la sostenibilidad de estos materiales. Pero también debemos preocuparnos por la sostenibilidad de las herramientas analíticas que utilizamos”, afirma Long. "Creo que este sistema de reciclaje realmente ejemplifica el enfoque de la universidad en la sostenibilidad en todos los sentidos".

La sostenibilidad va más allá del uso inteligente de los recursos; también se trata de garantizar que las comunidades prosperen en las áreas donde recolectamos esos recursos.

Kirk Jalbert, profesor asistente en la Escuela para el Futuro de la Innovación en la Sociedad, estudia la participación pública en las ciencias y políticas ambientales. Recientemente trabajó con comunidades del norte de Arizona para desarrollar talleres que capaciten a los residentes para tomar decisiones informadas sobre la extracción de helio en su área.

Los estudios geológicos muestran que la región de Four Corners probablemente sería una rica fuente de helio. Ahora que la industria de extracción de helio está pasando a operaciones de propiedad privada, las empresas de petróleo y gas tienen nuevos incentivos para utilizar sus equipos y experiencia para pasar de los combustibles fósiles al helio. Esto significa que existe potencial para una nueva industria de extracción de helio en Arizona.

Esto podría impulsar la economía del estado y beneficiar a otras industrias críticas como la aeronáutica y la fabricación de semiconductores. Sin embargo, las empresas extractivas y las comunidades deben trabajar juntas para garantizar que quienes viven cerca de los sitios de extracción también se beneficien.

Una forma de fomentar la justicia ambiental, dice Jalbert, es a través de acuerdos de beneficio comunitario. Estos acuerdos hacen que las empresas sean legalmente responsables de cosas como la protección del agua, la compensación por la disminución del valor de la propiedad, el subsidio del seguro de los propietarios de viviendas o la realización de donaciones para escuelas o mejoras de carreteras.

“El argumento que planteo es que si se les exige esto a estos operadores, entonces sabrán que deben llegar a las comunidades con una obligación social”, dice Jalbert. "Si tratáramos todos nuestros recursos raros de esa manera, probablemente, como sociedad, tendríamos más probabilidades de dar cuenta del valor real de esos recursos".

El sistema de recuperación de helio y los esfuerzos de investigación descritos en esta historia fueron financiados parcialmente por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, parte de los Institutos Nacionales de Salud.

Ilustración superior de Hannah Kalas

Especialista en Comunicaciones, ASU Knowledge Enterprise

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