Inventos ingeniosos – El CD

En la serie Inventos ingeniosos recorremos objetos de la vida cotidiana en los que no solemos pensar a menudo. Tratamos de mostrar cómo a veces olvidamos las cosas que tenemos delante, considerando interesante sólo el aprender sobre complicadas teorías o descubrimientos: muy a menudo existen cosas realmente curiosas delante de nuestros ojos. Frecuentemente, las ideas que se esconden debajo de algunos inventos que parecen muy complejos, como el de hoy, son realmente muy simples, aunque la precisión técnica necesaria para desarrollarlos sea grande.

En el último artículo de la serie hablamos acerca del fonógrafo como invento “trampolín” que ayuda a entender otros más complejos. Hoy continuamos la serie hablando del heredero moderno de los cilindros de cera y los discos de zinc que reinaban a principios del siglo XX: el disco compacto, compact disc o simplemente CD.

El CD es un invento moderno. No me refiero sólo a lo obvio (los primeros son de 1982), sino al estilo en el que fue desarrollado, y que muestra una tendencia muy clara en ciencia y tecnología a lo largo del siglo XX comparada con siglos anteriores: el fonógrafo había sido un invento personal de Thomas Edison, lo mismo que la teoría de gravitación fue una creación personal de Newton unos siglos antes. Sin embargo, poco a poco los desarrollos científicos y tecnológicos –en general, puesto que siempre hay excepciones– fueron siendo realizados por grupos de personas, no por genios individuales, sobre todo en la segunda mitad del siglo.

No quiero extenderme demasiado en esto, que probablemente sería un buen asunto de discusión para otro artículo, pero esto no quiere decir que ya no tengamos genios, sino que la labor de equipo ha tomado una importancia sin precedentes en la historia de la ciencia y la tecnología, y el CD, aunque ya algo “talludito” con sus 26 años de vida, es un buen ejemplo de ello: fue desarrollado por un nutrido equipo de ingenieros de la holandesa Philips y la japonesa Sony, liderados por Kees Immink y Toshitada Doi.

Como ocurre siempre, la idea no surgió de la nada: el origen se encuentra, por supuesto, en los discos de vinilo, aunque hacía ya muchos años que se venía buscando un soporte que los reemplazara por diversas razones. Philips había puesto sus esperanzas unos años atrás, en la década de los 70, en el desarrollo del Laserdisc: no sé si tienes la edad para recordarlos, pero se trataba de discos con un tamaño parecido a los vinilos, que utilizaban un sistema físicamente similar al de los CDs posteriores pero con vídeo analógico (y audio analógico o digital, según).

El Laserdisc no tuvo mucho éxito salvo en lugares concretos (como Japón). A finales de los 70 –casi a la vez que los primeros Laserdiscs se comercializaban– Philips estaba intentando ya encontrar otro formato con más futuro, aunque el competidor real del Laserdisc durante su corta vida serían las cintas de vídeo, no el CD, que sólo reproducía música por aquel entonces. Su alianza con Sony fue muy eficaz: los fracasos también enseñan cosas, y Philips contribuyó sus conocimientos obtenidos durante su apoyo al Laserdisc, es decir, una gran parte de la tecnología física, mientras que Sony proporcionó el sistema de corrección de errores y el soporte lógico. Es algo sorprendente ver cómo dos enormes empresas fueron capaces de juntar un equipo de un tamaño considerable y obtener resultados de una forma tan eficiente – el equipo fue reunido en 1979, y el primer disco compacto se comercializó en tan sólo tres años, en 1982. ¿Quieres saber cuál fue el álbum? The Visitors, de ABBA.

La idea detrás de la tecnología del CD, como tantas otras ideas, es conceptualmente bastante simple. Un CD es un disco de policarbonato (un tipo de plástico ) transparente de unos 1,2 milímetros de grosor. Durante la fabricación de un disco compacto normal (luego hablaremos de CD-Rs y CD-RWs) se graba en el plástico una finísima espiral que contiene salientes y llanuras, de modo que el disco no es igual de grueso en todas partes: si recorres la espiral encuentras zonas “elevadas” y zonas “hundidas”, de manera algo similar a la profundidad de la espiral de un disco de vinilo, sólo que con escalones discretos.

Sin embargo, existen otras diferencias fundamentales con el vinilo: la primera tiene que ver con las dimensiones involucradas en el CD. La espiral de un CD es finísima (¡tiene 0,5 micras de anchura, es decir, 0,0005 milímetros!) y de una longitud difícil de imaginar: para un CD de 74 minutos la espiral mide unos cinco kilómetros de longitud. Si observaras la espiral muy, pero que muy de cerca, podrías ver además el espacio entre una vuelta del “surco” y la siguiente: 1,6 micras.

Pero el resto de las dimensiones también son de la misma escala: cada saliente tiene una longitud mínima (a lo largo de la espiral) de 0,85 micras. No es posible hacer esta longitud más pequeña por razones que veremos más adelante. Además, como he dicho, existen zonas más hundidas que otras, pero la diferencia de espesor es ínfima: entre un saliente y una hendidura hay una profundidad de unas 0,1 micras.

Por si te estás preguntando cómo diablos se “talla” esa espiral en cada CD con una exactitud tan enorme, se logra con un molde. Si se utilizase un sistema parecido al de los CD-Rs o CD-RWs(grabar la espiral disco a disco) se tardaría muchísimo, así que se hace “de una vez” en cada disco, “imprimiendo” el molde sobre el policarbonato. En primer lugar, se utiliza un láser de muy corta longitud de onda (azul, violeta o incluso ultravioleta) para tallar la espiral, literalmente, en un disco de vidrio. Luego se imprime una especie de “negativo” de esa espiral presionando una capa de metal contra ella, y finalmente se utiliza ese “negativo” para imprimir la espiral en los CDs en la planta de fabricación.

En cualquier caso, una vez se ha “tallado” la espiral de salientes-hendiduras en el plástico, se cubre con una fina película metálica (que es la razón por la que los CDs se comportan como lo hacen dentro de un microondas): normalmente es de aluminio, aunque puede ser también de otros metales (incluso de oro). Lo importante es que se trate de un metal muy reflectante, y el aluminio lo es, y mucho (como dijimos al hablar específicamente de este metal). La razón de que deba ser un material que refleje muy bien la luz la verás en un momento. Finalmente, se cubre el metal con una laca acrílica, sobre la que se imprime la etiqueta del CD (a veces casi no se pone nada, otras veces se incluyen las canciones, ilustraciones, etc.). El otro lado del plástico (donde no hay surco) se deja como está, para que siga siendo transparente. Aquí tienes un (triste) dibujo para hacerte una idea de como es la sección de un CD:

Aunque no lo he dibujado a escala ni mucho menos, lo que sí es cierto es que el “surco” está mucho más cerca de la etiqueta del CD que del lado transparente, algo que mucha gente desconoce. Es más fácil dañar los salientes y hendiduras arañando la etiqueta que arañando el lado transparente, que es donde la mayoría cree que “está el surco”. Desde luego, si se araña la parte transparente puede ser difícil leer la espiral, pero es mucho más fácil subsanar eso (se puede pulir cuidadosamente, o rellenar con un material de similar índice de refracción) que una espiral arañada por el lado de la etiqueta.

Bien, ¿para qué sirve todo esto? Cuando se lee un CD, se utiliza un láser. Se trata de radiación infrarroja de 780 nanómetros (como veremos después, otros sistemas como el DVD y Blu-Ray sí utilizan láser visible). Al principio pensaba que sería imposible de ver, pero varios de vosotros me habéis asegurado haber visto la luz roja en un láser de lector de CD puro y duro. Desconozco si algunos lectores usan menos de 780 nm, o si está suficientemente cerca del visible (es infrarrojo cercano) como para que, aunque el pico de emisión esté en 780 nm, parte de la radiación sea de menor longitud de onda y podamos verla.

En cualquier caso, el láser atraviesa el plástico transparente y llega al metal, donde se refleja y vuelve a salir del CD. Finalmente es recogido por un fotorreceptor que mide la intensidad de la radiación recibida.

La base del sistema es realmente simple: si el láser se encuentra con una zona más profunda, necesita atravesar más plástico para llegar al metal (y otra vez para volver a salir), mientras que en las menos profundas tiene que recorrer menos distancia dentro del plástico. Puesto que el plástico no es completamente transparente, cuando el láser sale tiene una intensidad diferente en un caso y en otro, además de una dirección distinta en una y otra situación. Esto permite interpretar los salientes y hendiduras como información binaria, dependiendo de si el fotorreceptor recibe una cantidad determinada de radiación o no (intensidad mayor que la umbral = saliente, intensidad menor que la umbral = hendidura).

Ésa es otra de las diferencias entre un disco de vinilo o un Laserdisc y un disco compacto moderno: la información se encuentra almacenada en estos últimos de forma digital –como una ristra de de unos y ceros–, mientras que los vinilos almacenan la información de manera analógica (el surco del vinilo puede tener una profundidad arbitraria entre dos dadas, en vez de valores discretos). Esto hace que muchos audiófilos consideren que el vinilo tiene mayor calidad de sonido que el CD. Dado que yo soy tan burdo que soy perfectamente feliz con sonido comprimido como un MP3 a 256 kbps, me abstengo de opinar porque no noto la diferencia. En cualquier caso, un CD de 74 minutos puede almacenar hasta unos 783 MB de información en esa ristra de unos y ceros de cinco kilómetros de longitud.

Aunque luego hablaremos específicamente de los CD-ROM, es posible que 783 MB te parezcan muchos (los CD-ROM de 74 minutos no llegan tan lejos ni de casualidad). La razón es la redundancia necesaria para almacenar los datos – seguro que has escuchado CDs de música arañados, en los que en ciertas canciones se oye algún chasquido o salta el disco un poco. Un error similar en un CD-ROM significaría que un archivo entero (o más) queda inutilizado, por lo que se sacrifica capacidad de almacenamiento para una mayor seguridad de que los datos pueden ser leídos de nuevo incluso con algún arañazo que se fulmine un 1 o un 0.

Por cierto, aquí se encuentra otra de las ideas falsas más extendidas sobre los CDs: la información no está almacenada como “hendidura = 1, saliente = 0” ni nada parecido. Puesto que la espiral está dividida en pequeños segmentos de 0,85 micras, si de un segmento al siguiente no hay cambio (hendidura-hendidura o saliente-saliente) se trata de un 0, mientras que si hay cambio (hendidura-saliente o saliente-hendidura) se trata de un 1.

De modo que, cuando se reproduce un CD, se hace girar el disco mientras el láser va recorriendo la espiral desde dentro hacia fuera (para que, si un disco tiene un radio menor que otro, puedan reproducirse ambos sin problemas), “leyendo” la ristra de unos y ceros, que luego se decodifican mediante el software del reproductor para ser “traducidos” a música –o datos, como veremos en un momento–.

Respecto al ritmo de lectura de datos, existen dos opciones: mantener una velocidad lineal constante (lo que se conoce como CLV por las siglas en inglés de Constant Linear Velocity) o mantener una velocidad angular constante (CAV de Constant Angular Velocity). Todos los lectores de DVD y posteriores (como el Blu-Ray) utilizan CAV, pero los primeros lectores de CD utilizaban CLV.

Cuando se reproduce un CD con velocidad lineal constante, el disco no gira siempre con la misma velocidad angular – al principio gira más rápido, a unas 500 rpm (unas ocho vueltas cada segundo), pues el láser está cerca del centro, pero según va avanzando por la espiral (el láser va alejándose del centro hacia el borde) el disco se va frenando hasta unas 300 rpm cuando el láser está en el borde del disco.

Por el contrario, cuando se mantiene la velocidad angular constante, el ritmo de lectura de datos es más lento al principio (cerca del centro del disco) y va aumentando según el láser se acerca hacia el borde.

Aunque sé que es obvio, no quiero dejar de señalar otra diferencia entre un disco de vinilo y un disco compacto: el láser tiene una longitud de onda y una potencia que no afectan en absoluto (si los materiales son los adecuados, por supuesto) a la estructura del disco. La aguja de un vinilo, por el contrario, inevitablemente altera el surco sobre el que se desliza; de ahí que emplear luz como “aguja” del CD sea una tecnología superior a una aguja material. Pero esto no quiere decir que todo lo relacionado con los CDs sea perenne, ni mucho menos, como veremos dentro de un momento.

Philips y Sony publicaron los estándares del CD de audio en lo que se conoce como Libro Rojo en 1980, pero muy pronto se desarrollaron nuevos usos de la tecnología, con cambios en el hardware y el software que permitían utilizar los CDs para otras cosas además de escuchar música: el Libro Amarillo nos dio los estándares del CD-ROM (o cederrón según la RAE, horrendo nombre en mi opinión), que utilizaba los unos y ceros del soporte físico del disco para almacenar cualquier tipo de datos. Pronto, en 1988, se publicó el Libro Naranja, que definía los estándares del disco grabable (CD-R) y el disco regrabable (CD-RW), con los que el usuario ya no se limitaba a leer datos, sino que podía escribirlos (una vez con el CD-R, muchas veces con el CD-RW). Otros libros posteriores definieron estándares para los VCDs de vídeo, los de doble densidad, etc.

Por supuesto, en el caso de los discos grabables y regrabables la tecnología física es diferente: no es demasiado fácil construir un grabador de CDs que cree la espiral en el plástico, la cubra de aluminio, laquee el aluminio, etc. De modo que ¿cómo diablos funciona un CD-R? Una vez más, la idea es de un gran ingenio, y el invento decididamente un invento ingenioso digno de esta serie:

Un CD-R virgen tiene su capa de policarbonato transparente, con el metal y la laca detrás, igual que un CD normal. Sin embargo, aunque tiene la espiral grabada (para guiar el láser a lo largo de su longitud cuando se graba y lee), no tiene las hendiduras y los salientes. Por el contrario, lo que se hace es añadir una capa extra entre el plástico y el metal: una capa de pigmento de un color determinado, que refleja mal la radiación infrarroja.

De esa manera, es como si, dicho mal y pronto, toda la espiral fuera en el disco virgen “una hendidura”: apenas se refleja luz del láser en cualquier parte. Cuando se graba el CD-R, lo que se utiliza es un láser con mayor potencia que el de lectura – este láser quema el pigmento, volviéndolo transparente. De ese modo se tienen zonas más transparentes y otras más opacas, que toman el lugar de los salientes y hendiduras de un CD normal: en este caso son las propiedades ópticas del material, en vez de su espesor, lo que determina que se trate de uno u otra.

De hecho, si tienes un CD-R grabado, es posible apreciar qué fracción de su superficie se ha utilizado para almacenar datos: desde el centro hacia fuera hay una zona más transparente y luego, en el exterior, otra más oscura. La zona transparente es en la que el láser ha quemado parte del pigmento. Dependiendo de qué pigmento se trate se tienen unos colores u otros en la parte inferior de los CD-Rs: al principio se usaban pigmentos clorados de color verdoso, pero luego se descubrió que eran bastante inestables y se degradaban con los años. Incluso hoy en día los pigmentos clorados son los más sensibles a la luz ultravioleta del Sol, y si los dejas al sol pueden dañarse.

Otros pigmentos más modernos son más estables y pueden durar décadas, pero en general un CD-R, por su dependencia de estos pigmentos, no es una solución a muy largo plazo para guardar información: es cuestión de tiempo que el pigmento se degrade. Además, por supuesto, una vez se ha “quemado” el pigmento una vez, no hay más que decir – no puede volver a realizarse el proceso.

La solución eventual a esa última limitación fue, por supuesto, el CD-RW, es decir, el CDregrabable, en el que puede guardarse información, borrarla, guardar nueva información, etc. ¿Cómo conseguir esto? Utilizando una peculiaridad de ciertos compuestos (el más utilizado es una mezcla de plata, indio, antimonio y teluro denominada, no demasiado imaginativamente, AgInSbTe), que cuando se enfrían pueden hacerlo de forma cristalina o amorfa. Cuando el CD-RWes virgen, el material tiene forma cristalina y refleja bien la radiación del láser.

Para grabar un CD-RW se utiliza un sistema parecido al del CD-R, es decir, el láser se enciende “a toda potencia” sobre el lado transparente del CD. La radiación atraviesa el policarbonato y llega al AgInSbTe, calentándolo hasta unos 400º C y fundiéndolo. Cuando el compuesto se enfría desde esa elevada temperatura, lo hace muy rápidamente, de modo que se solidifica sin orden ni concierto (como un material amorfo). En su forma amorfa, este material refleja peor la radiación infrarroja, con lo que se tienen ya las “hendiduras” y “salientes”, excepto que una vez más no son tales, sino simplemente zonas que reflejan mayor cantidad de radiación y otras que reflejan menos.

¿Cómo se borra el CD-RW para volver a grabar sobre él “en blanco”? Se vuelve a pasar el láser por toda la espiral pregrabada, pero con una menor potencia que para escribir, de modo que el compuesto vuelve a fundirse pero no alcanza una temperatura tan elevada como antes. La consecuencia es que se enfría más lentamente, con lo que le es posible solidificarse formando una estructura cristalina, que refleja mejor la radiación del láser, lo que lo deja igual que antes de haber grabado nada.

Desde luego, no se puede repetir el proceso infinitas veces: depende de la calidad del material, pero en general pueden regrabarse unos cuantos cientos de veces. Además, una vez más no es una buena solución a largo plazo: con el tiempo, la forma cristalina del compuesto va perdiendo su estructura, convirtiéndose en amorfa, de modo que un par de décadas después de ser grabada, la información del CD-RW puede quedar ilegible.

Por todo esto, el láser de un CD-RW es el más versátil de los tres sistemas (CD, CD-R y CD-RW): el primero tiene una sola potencia de funcionamiento (lectura), el segundo tiene dos (lectura y escritura) y el tercero tiene tres (escritura, borrado y lectura). Sin embargo, la principal limitación de este tipo de láseres no es tanto su potencia como su longitud de onda.

El problema estriba en la difracción, un fenómeno por el cual cuando una onda se topa con un obstáculo más pequeño que su longitud de onda le suceden cosas bastante extrañas: es algo así como si interfiriese consigo misma. De modo que no es posible grabar información tan compactamente como se desee en un CD, y por eso los salientes y las hendiduras tienen un tamaño mínimo: puesto que la longitud de onda del láser infrarrojo es de 780 nm (0,78 micras), no es posible codificar información en un tamaño más pequeño.

Este problema se ha solucionado en los últimos años utilizando láseres de menor longitud de onda – los DVDs, por ejemplo, utilizan un láser visible de color rojo con tan sólo 605 nm de longitud de onda, mientras que los más modernos discos Blu-Ray toman su nombre (modificado de blue, sin la e para poder registrar comercialmente el nombre) del color azul violáceo (técnicamente violeta, pero bueno) de su láser de 405 nm, casi la mitad de longitud de onda que el láser infrarrojo de los CDs. Esto ha permitido condensar mucho más la información, haciendo salientes y hendiduras mucho más pequeños que los de los CDs primitivos.

¿Quién le hubiera dicho a Edison que, en vez de cera y una aguja metálica, utilizaríamos espejos y una “aguja de luz” más fina de lo que jamás hubiéramos podido imaginar? Seguro que, de verlo, se sentiría entusiasmado – y sospecho que, probablemente, pensaría algo así como “Ah, pero, ¿y si entonces probamos a….?”, y se sacaría de la manga algún otro invento ingenioso.

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Créditos: Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com/