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Jun 30, 2023

El viaje serpenteante de un innovador para resolver crisis de calor y salvar vidas

Jonathan Klane, MSEd., CIH, CSP, CHMM, CIT, es editor senior de seguridad de Lab Manager. Su carrera en materia de EHS y riesgos abarca más de tres décadas en diversos roles como... Si alguna vez ha presenciado el calor

Jonathan Klane, MSEd., CIH, CSP, CHMM, CIT, es editor senior de seguridad de Lab Manager. Su carrera en materia de EHS y riesgos abarca más de tres décadas en diversos roles como...

Si alguna vez ha sido testigo de un golpe de calor, es posible que desee mejorar los métodos de enfriamiento. Para un ingeniero, un enfoque biomimético impulsado por su curiosidad acerca de las serpientes de cascabel que beben agua de lluvia de su piel ofrece una posible solución.1 El camino hacia esa solución fue largo.

Para este innovador, su educación temprana impactó directamente su investigación muchos años después. Estas influencias involucraron muchos sucesos infantiles aparentemente no relacionados: mudarse 13 veces, estudiar historia de la antigua Grecia, matemáticas avanzadas y fotografía cinematográfica, e incluso salir con un cocinero en un restaurante polaco un verano.

Konrad Rykaczewski es profesor asociado en la Escuela de Ingeniería de la Materia, Transporte y Energía (SEMTE) de la Universidad Estatal de Arizona y científico de futuros globales en el Laboratorio de Futuros Globales Julie Ann Wrigley.2 Él y sus colaboradores trabajan para desarrollar herramientas únicas para prevenir las muertes por calor en el calor del desierto de Arizona.3

Los padres a menudo influyen en la trayectoria educativa de sus hijos de maneras impredecibles. Rykaczewski fue influenciado por su madre, una artista, y su padre, un físico nuclear y líder de tareas de espectroscopia en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), que formó parte del equipo que descubrió el elemento n.° 117: Tennessee. Fue un entorno impresionante y útil.

Rykaczewski nació en Alemania Occidental, pero su familia se mudó 13 veces. Esto resultó en ir a la escuela en cuatro países: Alemania, Polonia, Francia y Estados Unidos. Reflexiona sobre estos movimientos como una influencia positiva con dos resultados interesantes: “Pude estudiar historia de la antigua Grecia tres veces. En Polonia las matemáticas se enseñan antes que aquí. Tenía un plan de estudios avanzado y me quedé sin cursos de matemáticas. Eso me permitió, en mi último año de secundaria, pasar aproximadamente medio día a la semana investigando en ORNL”.

ORNL tuvo en cuenta dos veces más con dos experiencias laborales significativas. "Hice una pasantía de un año en la escuela secundaria en la división de física de ORNL y luego trabajé como diseñador CAD en la construcción de Spallation Neutron Source". También participó en una Olimpiada de Ciencias cuando era adolescente. Estas experiencias fueron el comienzo de sus exploraciones científicas. Pero ni la vida ni sus pasiones estaban únicamente relacionadas con STEM; tanto su interés por las artes visuales como su experiencia culinaria le resultarían útiles.

La pasión de Rykaczewski por la creatividad y ciertas artes ayudó a sus enfoques científicos. Experimentó con la fotografía cinematográfica en blanco y negro mientras estudiaba química, matemáticas y física. Esto ayudó a cimentar sus puntos de vista sobre la ciencia con el arte, pero su futuro aún estaba desenfocado. "Todavía no tenía una idea sólida de qué estudiar". Esta incertidumbre continuaría para Rykaczewski. Pero a medida que tenía cada nueva experiencia de aprendizaje, su pasión se centraba y crecía progresivamente.

Disfrutaba de las actividades artísticas; En el caso de la fotografía cinematográfica, los “15 minutos antes de la toma” estaban llenos de preguntas que requerían el talento artístico de cada uno. Luego, revelar sus fotografías en el cuarto oscuro fue otra parte interesante del proceso. "Me aburría la facilidad que ofrece la fotografía digital para tomar tantas fotografías como quieras". Su pasión por desafiarse continuamente a sí mismo le sería de gran utilidad mucho más adelante en su carrera científica.

Rykaczewski fue influenciado por su madre, una artista, y su padre, un físico nuclear y líder de tareas de espectroscopia en el laboratorio nacional de Oak Ridge que formó parte del equipo que descubrió el elemento n.° 117: Tennessine.

Por lo general, pasaba los veranos en Polonia, pero en un momento de la escuela secundaria no pudo salir de Tennessee porque su tarjeta verde se retrasó. Si bien es una decepción, esto crearía oportunidades de aprendizaje. “Por aburrimiento y curiosidad, revisé la sección de cocina de la biblioteca. ¡[Fue] un verano de aprendizaje! También estuve con el cocinero en un restaurante polaco”. Aprendió el arte y la ciencia de la cocina, y más, como se vio después.

Rykaczewski disfrutó de diversos aprendizajes: los aspectos físicos del aprendizaje práctico, los desafíos mentales en los estudios computacionales y la diversión de experimentar con microscopios electrónicos. Aun así, preguntó: “¿Qué quiero ser cuando sea mayor? ¿De dónde viene esto o aquello? ¿Qué falta? Sintió la necesidad de comprender la ciencia y lo que falta en nuestro conocimiento para ayudar a resolver problemas reales.

Originalmente planeaba estudiar ingeniería química, pero cambió a ingeniería mecánica en su primer día de universidad. Se ríe: “¡Había demasiadas fórmulas en ingeniería química!” Logró obtener su licenciatura en tres años y su maestría y doctorado en cuatro años. Su experiencia fotográfica le resultó útil: estudió nanotubos de carbono, microscopía electrónica y cómo convertir imágenes 2D en impresión 3D utilizando nanohaces (es decir, deposición inducida por haces de electrones).

Después de completar su doctorado, Rykaczewski realizó un postdoctorado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Los responsables de su posdoctorado le dijeron: “Ve a divertirte”. No necesitaba que se lo dijeran dos veces. "Fue fantástico", comentó Rykaczewski. Estudió la mejora de la condensación y el deshielo utilizando superficies de nanoingeniería y cómo funcionan jugando con nuevos tipos de microscopios electrónicos y cámaras. “Por ejemplo, optimicé un microscopio electrónico ambiental para obtener imágenes, en detalle, del crecimiento de una gota perfectamente esférica de menos de 4 micrones sobre una superficie superhidrófoba. ¡Es buena ciencia y me divertí!” Sus más de 90 publicaciones de investigación se complementan unas con otras, facilitando la innovación.4

Rykaczewski tenía su doctorado y había completado un postdoctorado exitoso rodeado de las mentes más brillantes y con algunos de los mejores equipos del mundo. Sin embargo, no lo encontró satisfactorio. “¿Pero cuál es el significado de esto?” se preguntó a sí mismo. Se había aburrido con el tema de su doctorado, ¿y ahora qué?

En una sartén caliente, el efecto Leidenfrost crea un “colchón de vapor” que puede hacer que las gotas de agua se muevan, casi bailando. Los cocineros usan esto para comprobar si su sartén está lo suficientemente caliente. Rykaczewski vio esto por primera vez en el restaurante polaco en el que frecuentaba en la escuela secundaria. Años más tarde, conectó los puntos entre esa experiencia con su experiencia científica y desarrolló un interés en la hidrofobicidad. Como resultado, hoy estudia la humedad y el calor, tanto de cerca como personalmente. Intrigado por las interfaces sólido/líquido, especialmente de cerca, está utilizando herramientas de microscopía avanzadas, metrología de primer nivel y termociencias para comprenderlas microscópicamente.

Pero si bien Rykaczewski es un investigador creativo y prolífico, sabe que no puede contentarse sólo con artículos y patentes. Quiere usar su creatividad para lograr algo con un significado más profundo y centrarse en cómo podría ayudar a los demás, por lo que ahora está aprovechando su experiencia científica para ayudar a las personas a controlar su exposición al calor.

En Arizona, el calor es devastador. A menudo hace más de 90°F antes del amanecer o entre 85°F y 95°F en el interior sin aire acondicionado. Si eres intolerante al calor, es peor. Muchos arizonenses quieren estar afuera, pero el calor los obliga a regresar. En la búsqueda de esfuerzos más significativos, Rykaczewski decidió ayudar a abordar este problema. “Sabemos que el cambio climático requiere adaptaciones. Con problemas de salud recientes que he presenciado en muchas otras personas, incluido un miembro de la familia, ¿qué puedo hacer? ¿Existen innovaciones que puedan ayudar a las personas como individuos?

Decidió ayudar a quienes corren mayor riesgo y comenzó a cuantificar las diferencias entre las personas que experimentan calor severo. Existen modelos predictivos, pero la diversidad de cuerpos y las diferencias de tolerancia es un desafío importante. Reflexiona que “las cosas que valoramos, como la comodidad habitable, impulsan innovaciones como la ropa ajustada para ayudar a refrescar el cuerpo”.

La Fundación Nacional de Ciencias financió recientemente una cuarta subvención para su laboratorio y el de otros para estudiar las tasas de evaporación del sudor. "Sabemos mucho sobre el sudor... pero no a microescala". Utilizan tres aparatos de imágenes diferentes para estudiar el sudor que emerge de una a unas pocas glándulas y poros y luego vuelve a convertirse en gotas. Explica: “La fisiología, la tasa de sudoración y las cápsulas requieren imágenes diferentes. Entonces, voy bajo la superficie en 3D usando tomografía de coherencia óptica (OCT)”. La OCT puede resolver imágenes hasta un micrómetro, lo que permite obtener imágenes directas y en vivo; se le llama "ultrasonido óptico".

Rykaczewski tenía su doctorado y había completado un postdoctorado exitoso rodeado de las mentes más brillantes y con algunos de los mejores equipos del mundo. Sin embargo, no lo encontró satisfactorio.

Como ingeniero térmico, trabaja con gradientes de temperatura; básicamente, cuánto y con qué rapidez cambian las temperaturas, tanto en el medio ambiente como en las diferentes partes del cuerpo. Gran parte de la investigación de Rykaczewski se centra en el desgaste por refrigeración, pero sus estudiantes se centran en otra parte: la microelectrónica. “La mayoría de los estudiantes graduados de mi grupo trabajan en la industria de semiconductores; por ejemplo, cinco están aquí en el valle, en Intel”.

Rykaczewski enfatiza el trabajo relacionado de sus colaboradores, incluidos Jennifer Vanos, PhD, y Ariane Middel, PhD, así como otros en ingeniería. Tienen un maniquí térmico llamado ANDI; con 35 zonas diferentes, camina y respira.6

Explica: “El maniquí está hecho a medida para ser el primero del mundo en utilizarse de forma rutinaria al aire libre, especialmente en condiciones de calor extremo. Por lo general, se utiliza en una cámara térmica, que tenemos en las instalaciones de investigación más nuevas de ASU”.7

Rykaczewski y sus colaboradores son metrólogos. Explica: “Los científicos en metrología miden la exposición al calor, a menudo como la temperatura radiante media o MRT. Para la radiación, se pueden utilizar instrumentos baratos como una pelota de ping pong con un termopar. Una mejor opción es un instrumento de investigación personalizado como el 'MaRTy' [carrito MRT móvil] de ASU fabricado por el equipo de laboratorio de Middel.8 El problema con estos dispositivos y modelos es que asumen que los humanos son esferas o cilindros”.

Por eso los investigadores desarrollaron maniquíes térmicos; Son los “termómetros de radiación” con la forma más realista. También se pueden utilizar para evaluar la convección del cuerpo humano en entornos reales. Por ejemplo, la velocidad del viento es inestable y la turbulencia del aire puede duplicar el coeficiente de calor.

Gran parte de la investigación utilizó un cuerpo masculino blanco promedio. En cambio, Rykaczewski utiliza formas corporales en 3D de poblaciones adultas estadounidenses que son mucho más diversas. Han creado 60 maniquíes computacionales digitales de varias alturas, IMC, hombre versus mujer, etc. Inicialmente usan un tono plateado sin tonos de piel, que pueden agregar más adelante.

Aunque no era un gran fanático de la ciencia ficción, Rykaczewski estaba entusiasmado con los primeros seis libros y la adaptación cinematográfica de 2020 de Dune. La historia contiene un planeta donde el agua es tan valiosa que la gente usa trajes especiales para recolectar y reciclar el agua que cada persona produce. Para que la ropa esté diseñada para enfriarse, es necesario comenzar en la microescala y luego aumentarla hasta la escala del cuerpo humano. Trabajando con colaboradores, están tratando de diseñar no sólo ropa que refresque al usuario, sino también “exoesqueletos de mochila” como mecanismos de soporte.

La ropa fresca y atractiva puede ser práctica y a la vez moderna. Escribe: “Gran parte se centra en aplicaciones médicas, militares y especializadas. Pero es necesario para la población en general”. Este es su objetivo: ayudar al mayor número posible de personas que vivirán bajo el clima más cálido del futuro. “En cinco a diez años, esperamos comprender mejor [qué innovaciones funcionan mejor para ayudar a las personas] y mejorar nuestra adaptación al calor”.9

Reflexiona sobre su viaje, tanto educativo como profesional. “Podría haberlo hecho mejor con '¿Qué quiero hacer?'” Esta autocrítica educativa es común. Lo que es poco común es que todavía sea amigo cercano de su asesor de doctorado. Esto sin duda influye en cómo se relaciona con sus alumnos, además de cómo le afectó su educación impredecible, pero fortuita.

Como lo resume Rykaczewski: “Aprendí a tener una actitud saludable hacia las ciencias y el mundo académico, a realizar investigaciones interesantes y potencialmente importantes para la sociedad, y al mismo tiempo a mantener pequeños proyectos paralelos de exploración (por ejemplo, ¡fascinación por las propiedades de la piel de la serpiente de cascabel!)”. Su divertida pasión por el lado artístico claramente lo ayuda a continuar innovando para ayudar a salvar vidas.

Su viaje serpenteante ha dado sus frutos en muchos sentidos y probablemente continuará haciéndolo en el desierto de Sonora en Arizona. Las muertes por calor son demasiado frecuentes y es probable que empeoren en el futuro. La tecnología portátil de refrigeración no puede llegar lo suficientemente pronto.

Referencias: