Hace unos 5000 años, los habitantes de lo que hoy es Irán comenzaron a extraer cobre de la roca mediante el procesamiento del mineral, una actividad conocida como fundición. Este cambio trascendental les proporcionó una nueva y poderosa tecnología y pudo haber marcado el nacimiento de la metalurgia. Poco después, en distintas partes del mundo se utilizaban el cobre y el bronce (aleaciones de cobre y estaño, o de cobre y arsénico) para fabricar objetos decorativos, armas, herramientas y mucho más.

Estudiar cómo los humanos produjeron tales objetos es un desafío porque aún existen pocas evidencias, y los artefactos que han sobrevivido están cuidadosamente custodiados y conservados.

En un artículo publicado en PLOS One, investigadores del MIT demostraron un nuevo método para descubrir detalles de algunos de los primeros procesos metalúrgicos. Estudiaron escoria de 5000 años de antigüedad, un subproducto de la fundición de minerales, utilizando técnicas como la tomografía computarizada de rayos X (TC). En su artículo, muestran cómo esta técnica de imagen no invasiva, utilizada principalmente en el campo médico, puede revelar detalles precisos sobre las estructuras dentro de los fragmentos de escoria antigua.

“Aunque la escoria no nos dé una visión completa, nos cuenta cómo las civilizaciones antiguas refinaban las materias primas, desde el mineral hasta el metal”, afirma el investigador postdoctoral Benjamin Sabatini. “Demostramos su capacidad tecnológica de la época y nos aporta mucha información. El objetivo es comprender, de principio a fin, cómo consiguieron fabricar estos brillantes productos metálicos”.

En el artículo, Sabatini y el autor principal, Antoine Allanore, profesor de metalurgia y titular de la cátedra Heather N. Lechtman de Ciencia e Ingeniería de Materiales, combinaron la tomografía computarizada (TC) con métodos más tradicionales de estudio de artefactos antiguos, incluyendo el corte de las muestras para su posterior análisis. Demostraron que la TC puede complementar estas técnicas, revelando poros y gotas de diferentes materiales dentro de las muestras. Esta información podría esclarecer los materiales utilizados y el grado de sofisticación tecnológica de algunos de los primeros metalúrgicos de la Tierra.

«La Edad del Bronce Temprana representa una de las primeras interacciones documentadas entre la humanidad y los metales», afirma Allanore, director del Centro de Investigación de Materiales en Arqueología y Etnología del MIT. «Los artefactos de esa región y de ese período son de suma importancia para la arqueología; sin embargo, los materiales en sí no están bien caracterizados en cuanto a nuestra comprensión de los materiales subyacentes y los procesos químicos. El método de tomografía computarizada supone una transformación de los métodos arqueológicos tradicionales para determinar cómo realizar cortes y analizar muestras».

Una nueva herramienta en arqueología

La escoria se produce como un líquido fundido a alta temperatura cuando se calientan los minerales para obtener metal. Contiene otros minerales constituyentes del mineral, así como metales sin reaccionar, que suelen mezclarse con aditivos como la caliza. En la mezcla, la escoria es menos densa que el metal, por lo que puede ascender y ser retirada, solidificándose como la lava al enfriarse.

“La escoria residual es químicamente compleja de interpretar porque, en nuestras prácticas metalúrgicas modernas, contiene todo lo indeseado en el producto final; en particular, arsénico, un elemento clave en los minerales originales del cobre”, afirma Allanore. “En arqueometalurgia siempre se ha planteado la cuestión de si podemos utilizar el arsénico y otros elementos similares presentes en estos restos para comprender el proceso de producción de metales. El problema radica en que estos minerales, especialmente el arsénico, son muy propensos a la disolución y la lixiviación, por lo que su estabilidad ambiental genera dificultades adicionales a la hora de interpretar la composición de este objeto hace 6000 años”.

Para el estudio, los investigadores utilizaron escoria de un antiguo yacimiento conocido como Tepe Hissar, en Irán. La escoria, cuya datación se sitúa entre el 3100 y el 2900 a. C., fue cedida por el Museo Penn a Allanore para su estudio en 2022.

“Esta región se menciona a menudo como uno de los primeros lugares donde podría haber habido evidencia de procesamiento de cobre y producción de objetos”, explica Allanore. “Está muy bien conservada y es un ejemplo temprano de un sitio con comercio a larga distancia y una sociedad altamente organizada. Por eso es tan importante en la metalurgia”.

Los investigadores creen que este es el primer intento de estudiar escoria antigua mediante tomografía computarizada (TC), en parte porque los escáneres de uso médico son costosos y se encuentran principalmente en hospitales. Superaron estos obstáculos colaborando con una empresa emergente local de Cambridge que fabrica escáneres de TC industriales. También utilizaron el escáner de TC del campus del MIT.

“Fue realmente por curiosidad, para ver si existía una mejor manera de estudiar estos objetos”, dijo Sabatini.

Además de las tomografías computarizadas, los investigadores utilizaron métodos analíticos arqueológicos más convencionales, como la fluorescencia de rayos X, la difracción de rayos X y la microscopía óptica y electrónica de barrido. Las tomografías computarizadas proporcionaron una imagen general detallada de la estructura interna de la escoria y la ubicación de características de interés, como poros y fragmentos de diferentes materiales, complementando las técnicas convencionales para brindar información más completa sobre el interior de las muestras.

Utilizaron esa información para decidir dónde seccionar su muestra, teniendo en cuenta que los investigadores a menudo adivinan dónde seccionar las muestras, sin estar seguros ni siquiera de qué lado de la muestra estaba originalmente hacia arriba o hacia abajo.

“Mi estrategia consistía en centrarme en las gotas de metal de alta densidad que parecían intactas, ya que podrían ser las más representativas del proceso original”, explica Sabatini. “Así, con un solo corte, pude analizar las muestras de forma destructiva. La tomografía computarizada muestra con precisión lo más interesante, así como la disposición general de los elementos que se deben estudiar”.

Encontrar historias en la escoria

En estudios anteriores, algunas muestras de escoria del yacimiento de Tepe Hissar contenían cobre y, por lo tanto, parecían encajar con la narrativa de que eran el resultado de la producción de cobre, mientras que otras no mostraban ninguna evidencia de cobre.

Los investigadores descubrieron que la tomografía computarizada les permitió caracterizar las gotas intactas que contenían cobre. También les permitió identificar dónde se desprendieron gases, formando huecos que contienen información sobre cómo se produjeron las escorias.

En otros yacimientos de escoria se habían encontrado compuestos de arseniuro metálico de pequeño tamaño, lo que generó discrepancias sobre el papel del arsénico en la producción temprana de metales. Los investigadores del MIT descubrieron que el arsénico se presentaba en diferentes fases en sus muestras y podía moverse dentro de la escoria o incluso escapar de ella por completo, lo que dificultaba inferir los procesos metalúrgicos a partir del estudio del arsénico únicamente.

De cara al futuro, los investigadores afirman que la tomografía computarizada podría ser una herramienta poderosa en arqueología para desentrañar materiales y procesos antiguos complejos.

«Esto debería ser un importante catalizador para estudios más sistemáticos sobre el cobre en la fundición, y también para seguir comprendiendo el papel del arsénico», afirma Allanore. «Nos permite tener en cuenta el papel de la corrosión y la estabilidad a largo plazo de los objetos para seguir aprendiendo. Será un apoyo fundamental para quienes deseen investigar estas cuestiones».

Este trabajo fue apoyado, en parte, por la Colaboración para la Perspectiva Humana del MIT (MITHIC).

​Autor​