Análisis de materiales con tecnología marciana.

Marzo 2014

Algunos coleccionistas y dealers, así como pequeños museos sin equipamiento analítico propio, manejan ejemplares minerales de colección de alto nivel y alto precio. Estas personas tienen una necesidad muy concreta: caracterización de éstos ejemplares, a veces con grandes cristales, de modo que sea no destructiva (algo obvio), rápida y asequible, para que el presupuesto para garantía analítica no encarezca aún mas los especímenes, ya de por sí con un precio a veces muy considerable.

Para resolver este problema, recurrimos a un desarrollo utilizado desde hace años en el programa de exploración de Marte: el espectrómetro de emisión de rayos X inducida por partículas alfa (APXS). Este instrumento se desarrolló para el análisis elemental de rocas y minerales en exploración espacial y se ha usado en todas las misiones que han explorado la superficie de Marte.

Este es el aspecto del espectrómetro APXS en la última de las misiones a Marte, el Mars Science Laboratory. Esta imagen es un “selfie” que ha tomado el propio

Curiosity para comprobar el estado de sus instrumentos. Esta situado al final de un brazo que se extiende para acercarlo al suelo o rocas. Se acerca el cabezal redondo del centro a la roca a analizar y en poco tiempo se obtiene un detallado análisis elemental. El objetivo del desarrollo de éste instrumento es poder disponer de un sistema fiable, de pequeño tamaño, que realice análisis en muestras al natural y con un coste ajustado. Exactamente lo que necesitamos.

Su funcionamiento se basa en una interesante aplicación de la radiactividad: cuando las partículas alfa emitidas por una fuente de curio-244 inciden sobre una muestra, algunos electrones situados en los niveles mas internos “saltan”, creando vacantes. Estas vacantes se llenan con electrones de niveles mas externos. La diferencia de energía se compensa por emisión de rayos X. Estos rayos tienen una energía característica diferente en cada elemento químico, con lo que podemos conocer su composición:

Este esquema ilustra el funcionamiento de un espectrómetro APXS: la fuente radiactiva emite rayos alfa, que inducen la emisión de fotones por la muestra. En este caso, una muestra de cobre emitiría fotones con exactamente una energía de 8.06 KeV. Los fotones son detectados utilizando un chip de silicio especial, cubierto con una ventana de berilio, transparente a los rayos X pero opaca a otros tipos de luz.

Retrato de familia de los rovers utilizados en la exploración de Marte: el Spirit/Opportunity, el pequeño Sojourner y el sofisticado Curiosity. Con un círculo se indica la situación del instrumento APXS

De Marte a la Tierra

Inspirados por la instrumentación de exploración de Marte, quisimos usarla para desarrollar un instrumento práctico aquí en la Tierra. Así, hemos conseguido desarrollar el primer instrumento APXS para su uso en análisis de minerales: En nuestro diseño, sustituimos el curio por americio-241, mucho mas accesible y seguro. El detector es dual, centelleo y un fotodiodo de silicio, refrigerado con una célula peltier y conectado a un circuito preamplificador. Básicamente es el mismo sistema que utiliza ahora mismo el rover Curiosity en Marte, pero aplicado aquí para el análisis de ejemplares minerales. El instrumento no solo permite el análisis de cualquier muestra sin ninguna preparación, sino que tiene un coste de entre 1/10 y 1/20 de un equipo convencional de fluorescencia de rayos X.

Este es el espectro del análisis de una calcopirita de Neves Corvo (Portugal). Como es habitual en las calcopiritas de éste yacimiento, tiene algo de estaño, también algo de arsénico. Un pico de calcio está presente, debido a una fractura rellena de calcita en la muestra. El análisis nos indica un 34 % de cobre, un 30% de hierro y un 35% de azufre. Un análisis rápido y preciso y con muy bajo coste, ideal para metales y cristales de mineral.