La invisible y muy real radiación infrarroja

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Imagen visible (izquierda) e infrarroja (centro) de la cabeza de un perro. La escala de la derecha identifica los colores de la imagen con la temperatura a la que se encuentra cada zona

Sí, es lo que parece, la cabeza de un perro tomada con una cámara que capta la radiación infrarroja que emite su cuerpo. Se aprecia que las tonalidades de colores son diferentes en cada parte de la cabeza, indicando los cambios de temperatura que hay de unas a otras. Pero, ¿qué es la radiación infrarroja? ¿Para qué sirve y en qué se emplea? En este artículo lo explico con cierto detalle

1. Aspectos básicos de la radiación infrarroja

El ojo humano es un detector capaz de percibir las ondas de luz visible, pero estas constituyen una parte muy pequeña de toda la gama de radiaciones, dado que existen otros tipos de radiaciones que no podemos ver y que forman lo que denominamos el espectro electromagnético, distinguiéndose unas de otras por su longitud de onda, su frecuencia y su energía.

Atendiendo a los valores de sus longitudes de onda, en el espectro electromagnético se sitúan, de mayor a menor, las siguientes categorías: ondas de radio, microondas, infrarrojos, luz visible, rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Según nos movemos desde las ondas de radio a los rayos gamma, la longitud de onda disminuye y la frecuencia y la energía aumentan. La siguiente figura muestra el espectro electromagnético, con los diferentes rangos de longitudes de onda, así como la zona donde se sitúan el rango visible y el infrarrojo (en lo que sigue, IR):

El espectro electromagnético

El inicio de la zona IR del espectro se sitúa en las longitudes de onda comprendidas entre 0,7 y 0,8 micrómetros (1 micrómetro (mm) = 0,000001 m), pero el límite entre la luz visible y el IR no está definido con precisión. El ojo humano es muy poco sensible a la luz de longitud de onda mayor de 0,7 mm, por lo que esa es la zona comúnmente aceptada como el comienzo del IR. La fuente primaria de radiación IR es el calor, también conocido como radiación térmica. Cualquier objeto que tenga una temperatura superior al cero absoluto (-273,15 °C o 0 K), emite radiación y su longitud de onda se sitúa en el IR. Así, en la oscuridad, los detectores infrarrojos pueden ver objetos que no es posible apreciar con luz visible gracias a que dichos objetos irradian calor [1]. Sentimos los efectos de la radiación IR cada día. El calor de la luz del sol, del fuego, de un radiador de calefacción o de una acera caliente proviene del IR. Aunque no podemos ver esta radiación, los nervios en nuestra piel la sienten como calor, ya que las terminaciones nerviosas de la piel son sensibles a la temperatura.

La siguiente figura muestra el espectro de emisión de distintos cuerpos en función de la temperatura a la que se encuentran. En línea roja se destaca la emisión de un cuerpo situado a temperatura ambiente. Como se aprecia, la mayor emisión se produce a una longitud de onda de 10 micrómetros. Los gases de combustión de los motores a reacción salen por los escapes de los reactores a unos 1000 K; como se ve, el máximo de emisión se sitúa, en este caso, alrededor de 2 micrómetros. Ambas emisiones son de interés primordial para los detectores de aplicaciones militares (visión nocturna en el primer caso y sistemas de guía de misiles en el segundo).

Densidad espectral de energía radiada por cuerpos situados a diferentes temperaturas, expresada en grados Kelvin. La línea roja (300 K) corresponde con un cuerpo situado a la temperatura ambiente. Ambos ejes están en escala logarítmica.

El espectro IR abarca un rango amplio de longitudes de onda, que se clasifican tradicionalmente en tres zonas, aunque los intervalos de cada una pueden variar según el esquema de clasificación que se siga. La tabla los recoge, junto con los semiconductores que detectan cada una de ellas:

Clasificación de las bandas IR de acuerdo al estándar ISO 20473, que especifica la división de la radiación óptica en bandas espectrales.

2. Un poco de historia

El rango IR del espectro electromagnético fue descubierto por el astrónomo Sir William Herschel en el año 1800. Su descubrimiento, aparte de ser fundamental en la comprensión final de dicho espectro, abrió todo un nuevo campo de investigación y desarrollos tecnológicos. Algunos años después, en 1880, el astrofísico americano Samuel Pierpont Langley desarrolló redes de difracción para poder dispersar la radiación IR en sus longitudes de onda constituyentes, de una manera similar a como hizo anteriormente Newton con la radiación visible.

El verdadero impulso a la tecnología IR vino de la mano de las aplicaciones militares, ya que la capacidad de ver en la oscuridad es una posibilidad sumamente atractiva para cualquier ejército. Las dos Guerras Mundiales impulsaron notablemente el desarrollo de la detección de IR y muy especialmente la segunda; en ese conflicto, el ejército alemán dispuso de sistemas de visión nocturna  en sus carros de combate Panther, que entraron en combate en 1944.  El sistema consistía básicamente en dos elementos: un proyector que emitía radiación IR para “iluminar” el blanco y un convertidor de imagen, que no era más que un tubo de rayos catódicos que hacía posible la imagen al reflejar el blanco la radiación IR emitida por el proyector. En ese tubo se encontraba el detector de IR, una sal de plomo, PbS, más conocido como galena. Entro en combate de forma ocasional, sin que su actuación fuera decisivo en ningún momento, dado que la tecnología de fabricación de los dispositivos detectores se basaba esencialmente en aproximaciones empíricas; las únicas sales de plomo disponibles en aquellos tiempos lo eran en forma de cristales naturales, con niveles de impurezas totalmente incontrolables, lo que hacía que estos sistemas tuvieran un fiabilidad escasa.

Visor Zielgerät 1251 montado en la cúpula de un carro de combate Panther V. El emisor IR es el foco del centro de la imagen y el tubo detector, el dispositivo situado a su derecha (izquierda en la imagen)

En los años posteriores, la ciencia de los materiales semiconductores, la tecnología de circuitos integrados (desarrollada hacia finales de los años 50 y 60) y el enorme impulso alcanzado por la tecnología militar durante los años de la Guerra Fría, fueron los principales responsables de los extraordinarios avances alcanzados por la tecnología IR en un corto período de tiempo durante el siglo pasado. Hoy en día, los impulsores principales del desarrollo de la tecnología IR continúan siendo las aplicaciones militares, aunque la astrofísica de observación del IR también tiene un papel protagonista.

Es destacable el hecho de que muchos de los primeros avances alcanzados por la tecnología militar en los años 60 fueron transferidos a la observación astronómica por el departamento de defensa de los EEUU. En esos años, la primera observación IR del cielo encontró cerca de 20.000 fuentes IR que nuca se habían visto antes con el espectro visible.

Las aplicaciones de la detección de IR están creciendo rápidamente en diversos campos, que analizo en el siguiente punto.

• Las aplicaciones de la tecnología IR en la actualidad

• Tecnología militar. La detección IR se utiliza principalmente en dos grandes áreas: para sistemas de guía de misiles (detectan el calor emitido por los gases de combustión de los motores de aviones y vehículos de todo tipo) y en sistemas de visión nocturna (convierten la radiación emitida por cuerpos situados a temperatura ambiente en imágenes visibles, sensibles al ojo, por lo tanto). Estos sistemas se utilizan tanto en acciones militares (sistemas de guía de misiles antiaéreos y anti tanque) como en tareas de vigilancia y seguridad.
• Electrodomésticos. La tecnología infrarroja se utiliza a diario en los hogares en diversos electrodomésticos: mandos a distancia del televisor, para encender/apagar o cambiar de canal; en los lectores de discos CD o DVD (no Blu-ray), etc.
• Medicina, mediante imagen IR que utilizan diversas técnicas de diagnóstico, se pueden localizar con precisión tejidos tumorales, ya que estos se encuentran a mayor temperatura que los tejidos sanos circundantes.
• Clima y medio ambiente. Mediante sensores IR instalados en satélites, se puede medir la temperatura y sus variaciones en una determinada región, se pueden estudiar los procesos de desertificación, se pueden medir las temperaturas oceánicas, etc.
• Comunicaciones por fibra óptica. Las comunicaciones mediante este método se han generalizado ampliamente y utilizan dos longitudes de onda características, situadas en el IR próximo: 1,3 y 1,55 mm
• Arquitectura y construcción. Se utilizan sondas IR de diagnóstico para estudiar debilidades estructurales en sistemas eléctricos y mecánicos, así como para detectar pérdidas energéticas en edificios, a través de puertas y ventanas, principalmente.
• Astronomía. La observación del universo en el IR se ha revelado como una herramienta valiosísima de obtención de información. El satélite COBE obtuvo un mapa de todo el cielo en diversas longitudes de onda IR y descubrió irregularidades en esa radiación, que actuaron como germen de las galaxias, tal y como expliqué en otro artículo publicado en este mismo blog. En años posteriores, los satélites WMAP y Planck también exploraron la radiación de fondo en el IR. El futuro telescopio espacial James Web utilizará el IR para sus observaciones.

La astronomía IR proporciona una información sobre el universo que no podemos obtener con la radiación visible. La siguiente imagen muestra la galaxia más cercana a la nuestra, Andrómeda, tomada en el visible y en el IR:

La luz de las estrellas situadas en el centro de la galaxia de Andrómeda domina la imagen en el visible (arriba), mientras que las franjas de polvo estelar sólo se ven débilmente. En la imagen infrarroja (abajo), el polvo interestelar se revela en toda su plenitud mediante destellos anaranjados intensos que se extienden en ramas alejadas del centro de la galaxia. Fuente: The James Webb Space Telescope

En resumen, el IR es una zona del espectro electromagnético con un enorme y creciente campo de aplicaciones que abarcan distintas ramas de la ciencia y la tecnología, muchas de las que inciden directamente en nuestra vida cotidiana. En un próximo artículo describiré la tecnología de fabricación de los dispositivos que permiten la detección la radiación IR.
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[1] En el visible, vemos la radiación reflejada por los cuerpos al ser iluminados por el sol, o por cualquier elemento de luz artificial. En el IR vemos lo que los cuerpos emiten en función de la temperatura a la que se encuentran.