Los científicos son como detectives que buscan resolver problemas. Con
el objetivo de desentrañar los misterios de la realidad, usan herramientas de
la computación. En esta nota, investigadores del Instituto Balseiro y el Centro
Atómico Bariloche cuentan cómo y para qué utilizan simulaciones computacionales
en su trabajo cotidiano.

El trabajo de un científico es similar al de un
detective: siempre están detrás de algún enigma. Para mirar la realidad,
utilizan simulaciones computacionales. Estas “lupas virtuales” sirven para
predecir resultados, descubrir causas o entender el funcionamiento de un
sistema. Así, es posible simular una cirugía antes de hacerla; probar un
artefacto sin tener que construirlo; conocer por qué se extinguió una especie;
y la lista es infinita.
El origen y desarrollo de las simulaciones computacionales se produjo a la par
que el de las computadoras. Su primer despliegue a gran escala fue en
investigaciones en torno a la fisión nuclear y en la actualidad se utiliza en
diversos campos e iniciativas, como por ejemplo en el proyecto suizo Blue
Brain, iniciado en 2005, que busca simular el cerebro humano a nivel molecular.
En esta nota, investigadores del Centro Atómico Bariloche (CAB) y docentes del
Instituto Balseiro (IB), perteneciente a la Comisión Nacional de Energía
Atómica y la Universidad Nacional de Cuyo, cuentan cómo utilizan estas valiosas
herramientas en su trabajo cotidiano, con el objetivo de correr cada vez un
poquito más las fronteras del conocimiento, para estudiar fluidos, poblaciones
y enfermedades y hasta partículas subatómicas súperconductoras.

Buceando en el origen del petróleo
Para recibirse de ingeniero nuclear, Mariano Cantero hizo su trabajo en
mecánica de fluidos. Esta área le permitía combinar dos cosas que le gustaban:
resolver problemas de la vida cotidiana y usar una computadora. Se recibió en
el IB y se fue a Estados Unidos, donde hizo varios posgrados. En 2009, una
petrolera le hizo una oferta laboral. A la vez, surgió la chance de volver al
país por un programa del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y
Técnicas (CONICET). Eligió volver.
“La mecánica de fluidos estudia el movimiento de gases y líquidos, y sus
aplicaciones. Una de ellas es la transferencia de energía. En las centrales
térmicas se calienta agua, se transforma en vapor y éste hace funcionar una
turbina para generar electricidad. También hay aplicaciones ambientales, como
el estudio de tormentas y de contaminantes en la atmósfera”, explica Cantero,
investigador del CONICET en el Departamento de Mecánica Computacional (MECOM)
del CAB y vicedirector por el Área de Ingeniería del IB.
Uno de los temas que más trabajó es el transporte de sedimentos en el océano.
Los sedimentos como la arena y el material orgánico se acumulan en el fondo del
océano y, luego de millones de años, se transforman en rocas que contienen
petróleo. “La mayor o menor porosidad de la roca influye en la dificultad para
extraer el petróleo. Por eso, las empresas petroleras tienen interés en
entender estos fenómenos”, señala el ingeniero.
Para estudiar esos procesos, Cantero utiliza simulaciones. Su trabajo es teórico,
pero está en estrecha relación con las observaciones empíricas realizadas por
los geólogos. Entre todos definen el problema a resolver. Luego, él y su equipo
ponen manos a los números. “Los geólogos hacen mediciones en el terreno y los
modelos que elaboramos nosotros les permiten realizar predicciones con mayor
certeza”, explica Cantero.
Otra área en la que trabaja es la simulación de sistemas de seguridad del
reactor RA-10, que desarrolla la CNEA. El objetivo es predecir cómo van a
funcionar sus componentes. “Esa es otra ventaja de la mecánica computacional:
reduce los costos. En vez de construir veinte prototipos, vas haciendo
simulaciones”, indica. El RA-10 se utilizará para investigación y producción de
radioisótopos, que sirven para tratamientos oncológicos, entre otros usos.

De superconductores a súper-dispersores de piojos
Tener herramientas para contestar preguntas que surgen de lo cotidiano: eso fue
lo que motivó a Fabiana Laguna a convertirse en física. Se recibió en la
Universidad Nacional de Salta y se doctoró en el IB. Primero, se metió en el
mundo de la superconductividad (es decir, la capacidad de ciertos materiales
para conducir corriente eléctrica sin resistencia). Luego, se volcó hacia el
modelado de sistemas sociales y económicos.
Pero, ¿en qué consiste simular la realidad? Laguna, que integra el Grupo de
Física Estadística e Interdisciplinaria del CAB, lo explica así: “hacemos
modelos dinámicos para entender los mecanismos por los cuales suceden las
cosas. Se puede pensar como una ecuación donde cada término representa un
aspecto del problema. Así, vamos variando el peso de esos parámetros hasta dar
con el modelo que más se ajusta a la realidad”.
Actualmente, la especialista trabaja junto a su compañera Karina Laneri en un
modelo para estudiar la enfermedad del dengue, causada por un virus y
transmitida por el mosquito Aedes aegipty. Además, junto a otros
investigadores, analiza escenarios de coexistencia y extinción de especies en
el pasado y el presente; y está por publicar un trabajo sobre las maneras en
que la sociedad adopta las nuevas tecnologías. Para todo, utiliza simulaciones.
“Cambian los temas pero la manera de pensar el problema es la misma”, destaca.
Desde hace unos años, Laguna estudia también cómo se produce el contagio de
piojos. “Trabajamos con colegas de Buenos Aires que se dedican a la parte
experimental. Ellos van a las escuelas a tomar muestras y nosotros les
sugerimos un protocolo de extracción de piojos que sirva para alimentar
nuestros modelos. Trabajar de manera interdisciplinaria es muy lindo y
desafiante porque requiere que uno confíe en la pericia del otro para construir
un lenguaje en común”, opina la investigadora.
A partir de las simulaciones, los investigadores pudieron entender un aspecto
complejo de medir experimentalmente: el contagio en el aula. “Encontramos un
mecanismo claro: hay chicos que funcionan como si fueran focos de dispersión ya
que, por alguna circunstancia, se contagiaron varios piojos a la vez. Esas
poblaciones crecen rápidamente y se vuelven las principales fuentes de
contagio. Los llamamos ‘súper dispersores’”, cuenta Laguna.

Superar los límites de lo posible
Karen Hallberg nació en Rosario y se crio en Jujuy. Cuando era chica, más que
jugar con las muñecas, las desarmaba. A los 16 fue reina de la Fiesta Nacional
de los Estudiantes pero lo suyo siempre fueron las ciencias. Hoy es doctora en
Física, investigadora del CONICET y directora del Departamento de Materia
Condensada del CAB. En 1986, cuando estaba terminando la carrera en el IB, hubo
un hito que marcó un quiebre en la disciplina: se descubrieron los materiales
superconductores de alta temperatura.
La superconductividad es un estado de la materia en el que la corriente
eléctrica es conducida gracias a la cooperación de todos los electrones: como
si fueran diminutos obreros que unen sus fuerzas para conducir la electricidad.
Si bien se conocía este fenómeno desde 1911, la particularidad de estos nuevos
materiales es que sucedía a temperaturas muy bajas, cerca de lo que se conoce
como cero absoluto. Esto equivale a -273.15 grados centígrados (0° Kelvin) y es
la temperatura más baja posible.
“Vivir como estudiante un descubrimiento de este tipo fue impresionante. Había
mucha euforia. Todos los días se producía un resultado nuevo”, recuerda Hallberg.
La característica de estos superconductores es que como todos los electrones
interactúan entre sí, el conocimiento sobre cada uno en forma individual no
alcanza para explicar cómo va a ser el comportamiento del conjunto. Ahí es
donde entran en escena las simulaciones numéricas: son totalmente necesarias
para estudiar teóricamente estos materiales.
Actualmente, Hallberg continúa trabajando para entender los misterios que
encierran estos universos microscópicos. Siempre con un ojo en la teoría y otro
en la realidad. “Los físicos teóricos solemos decir en chiste ‘el experimento
no se ajusta a mi teoría’ pero, por supuesto, siempre es la realidad la que
manda”, afirma. Junto a su grupo de Teoría de la Materia Condensada, estudian
las propiedades de diversos materiales para tratar de discernir, entre otras
cosas, por qué algunos se vuelven superconductores y otros no.
“Mucha gente dice que la cadena de producción científica empieza con la
investigación básica, pasa por la aplicada y termina en un desarrollo
tecnológico. Yo creo que la cadena empieza mucho antes: con niños y
adolescentes que sepan usar el pensamiento crítico para cuestionar todo. Al
cerebro hay que ejercitarlo de la misma manera que se ejercita un músculo y es
parte de nuestra responsabilidad como científicos incentivar eso”, concluye.

Informe especial para el Instituto
Balseiro por Nadia Luna